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起伏海面散射引起浅海声传播损失的统计特性与快速声场预报方法

刘若芸 彭朝晖 张波

刘若芸, 彭朝晖, 张波. 起伏海面散射引起浅海声传播损失的统计特性与快速声场预报方法[J]. 声学学报, 2023, 48(6): 1098-1110. doi: 10.12395/0371-0025.2022098
引用本文: 刘若芸, 彭朝晖, 张波. 起伏海面散射引起浅海声传播损失的统计特性与快速声场预报方法[J]. 声学学报, 2023, 48(6): 1098-1110. doi: 10.12395/0371-0025.2022098
LIU Ruoyun, PENG Zhaohui, ZHANG Bo. Statistical characteristics of acoustic transmission loss in shallow water caused by fluctuant surfaces and a fast sound field prediction method[J]. ACTA ACUSTICA, 2023, 48(6): 1098-1110. doi: 10.12395/0371-0025.2022098
Citation: LIU Ruoyun, PENG Zhaohui, ZHANG Bo. Statistical characteristics of acoustic transmission loss in shallow water caused by fluctuant surfaces and a fast sound field prediction method[J]. ACTA ACUSTICA, 2023, 48(6): 1098-1110. doi: 10.12395/0371-0025.2022098

起伏海面散射引起浅海声传播损失的统计特性与快速声场预报方法

doi: 10.12395/0371-0025.2022098
基金项目: 国家自然科学基金项目(11774374, 11974017)和中国科学院青年创新促进会项目(2017028)资助
详细信息
    通讯作者:

    彭朝晖, pzh@mail.ioa.ac.cn

  • PACS: 43.30, 43.60

Statistical characteristics of acoustic transmission loss in shallow water caused by fluctuant surfaces and a fast sound field prediction method

  • 摘要:

    基于海洋环境信息、起伏海面的小斜率近似和简正波模型, 研究了浅海环境中不同季节起伏海面散射引起的声传播损失的统计特性, 给出了海面散射声传播损失−风速拟合公式以及一种快速声场预报方法, 可据此快速评估水下长期工作设备的工作性能。仿真结果表明, 对于全年运行的水声设备, 当传播距离超过10 km时, 须考虑起伏海面散射对声传播的影响。起伏海面散射对声场的影响冬季大于夏季, 在夏季负跃层环境中起伏海面散射对下发上收声场的影响大于下发下收声场。

     

  • 图 1  等效的起伏海面散射示意图

    图 2  东海某海域的地形图

    图 3  各季节海水声速分布 (a) 冬季; (b) 春季; (c) 夏季; (d) 秋季

    图 4  不同季节的风速和风向 (a) 冬季; (b) 春季; (c) 夏季; (d) 秋季

    图 5  全年海面风速变化

    图 6  距离方向的风速$ v $在不同季节的概率分布图 (a) 冬季; (b) 春季; (c) 夏季; (d) 秋季

    图 7  冬季起伏海面下和平整海面下的声传播损失(频率1000 Hz, 接收深度7 m)

    图 8  冬季起伏海面下和平整海面下简正波的本征值(频率1000 Hz) (a) 本征值的实部; (b) 本征值的虚部

    图 9  不同风速下海面散射声传播损失(频率1000 Hz, 接收深度7 m) (a) 冬季; (b) 春季; (c) 夏季; (d) 秋季

    图 10  不同简正波的能量占比(冬季, 频率1000 Hz, 接收深度7 m, 风速12 m/s)

    图 11  不同简正波对应的掠射角和反射系数(冬季, 频率1000 Hz, 风速12 m/s)

    图 12  不同季节的海面散射声传播损失(频率1000 Hz, 接收深度7 m, 传播距离10 km)

    图 13  季初、季末和平均海面散射声传播损失(频率1000 Hz, 接收深度7 m, 风速12 m/s) (a) 冬季; (b) 春季; (c) 夏季; (d) 秋季

    图 14  不同风速下海面散射声传播损失(频率1000 Hz, 接收深度50 m) (a) 冬季; (b) 夏季

    图 15  海底反射系数(频率1000 Hz)

    图 16  起伏海面散射声传播损失与风速的关系(频率1000 Hz, 接收深度7 m, 传播距离20 km) (a) 冬季; (b) 夏季

    图 17  声传播损失的概率分布(频率1000 Hz, 接收深度7 m) (a)冬季; (b)夏季

    图 18  声传播损失的概率分布(频率1000 Hz, 接收深度50 m) (a)冬季; (b)夏季

    图 19  快速声场预报方法流程图

    图 20  1000 Hz的声场预报结果 (a) 接收深度7 m, 下发上收; (b) 接收深度50 m, 下发下收

    表  1  2020年声场能量受起伏海面影响的概率(传播距离20 km)

    频率 (Hz)接收深度 (m)季节起伏海面散射引起的声传播损失大于2 dB起伏海面散射引起的声传播损失大于5 dB
    风速 (m/s)概率 (%)风速 (m/s)概率 (%)
    2007冬季 ≥ 101.6 ≥ 120.1
    春季 ≥ 100.7 ≥ 120.3
    夏季 ≥ 120.70
    秋季 ≥ 120.30
    50冬季 ≥ 101.60
    春季 ≥ 100.70
    夏季00
    秋季 ≥ 120.30
    10007冬季 ≥ 629.3 ≥ 88.2
    春季 ≥ 620.7 ≥ 100.7
    夏季 ≥ 101.30
    秋季 ≥ 85.6 ≥ 120.3
    50冬季 ≥ 629.3 ≥ 88.2
    春季 ≥ 620.7 ≥ 100.7
    夏季00
    秋季 ≥ 85.60
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-10-10
  • 修回日期:  2023-02-13
  • 刊出日期:  2023-11-02

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