圖/Pixabay

　　看過(guò)電影《加勒比海盜》的人一定對那藍黑色的洶涌的大海難以忘懷，再加上美人魚(yú)婉轉的歌聲，大海顯得奇幻又神秘。

　　21世紀是海洋的世紀，研究海洋、開(kāi)發(fā)海洋和利用海洋是國家戰略之一。聲波是海洋中信息傳輸的最有效的信號形式，開(kāi)展不同海洋環(huán)境中的聲傳播特性研究是利用海洋、探索海洋的基礎，有助于可持續開(kāi)發(fā)和利用海洋。

　　聲波導是只在一個(gè)或兩個(gè)方向延伸得很遠，可限制并使聲波在其中沿一個(gè)方向或兩個(gè)方向傳播很長(cháng)距離的結構。常見(jiàn)的管道、井孔等都是聲波導。海洋也是一個(gè)聲波導，確切地說(shuō)，海洋是一個(gè)上受海面限制、下受海底限制的聲波導。海面作為海洋波導的上邊界，對聲傳播有著(zhù)重要的影響，海面邊界特性實(shí)際上也是聲場(chǎng)預報所需要的一個(gè)關(guān)鍵性環(huán)境參數。因此，我們對海洋波導進(jìn)行物理建模時(shí)，要準確地輸入海面參數。

　　有時(shí)我們形容大海“風(fēng)平浪靜”，在這種理想的情況下，我們對海洋波導進(jìn)行物理建模時(shí)，認為海面是平整的。此時(shí)，海面作為一個(gè)絕對軟的理想邊界，對水下入射聲波有良好的反射作用，幾乎不會(huì )因為聲波與邊界碰撞而產(chǎn)生能量損失。

　　但我們在形容大海時(shí)，也常用到“波濤洶涌”“驚濤駭浪”等詞語(yǔ)，在這種高海況的情況下，海面是隨機起伏的、不平整的，圖1是粗糙海表面模型及其參數示意圖，其中rms wave height表示波高均方根，wind speed表示風(fēng)速，這兩者都是風(fēng)浪譜中常用到的參數。粗糙的海面邊界對入射聲波既有反射也有散射作用，造成海面反射損失。隨著(zhù)風(fēng)浪的攪動(dòng)，還會(huì )形成海面氣泡層，不但會(huì )改變原有的聲速剖面結構，還對聲波具有散射和吸收的作用，會(huì )改變原有的水中衰減系數，也從不同程度上影響聲波在海洋波導中的傳播。　

圖1 粗糙海表面模型及其參數示意圖

　　實(shí)際上，海面經(jīng)常受到風(fēng)浪的影響，因此，計算風(fēng)浪影響下的聲傳播具有重要意義。計算風(fēng)浪影響下的聲傳播，主要考慮的問(wèn)題是對起伏海面和近海面氣泡層分別進(jìn)行建模。圖2為海面風(fēng)浪下的海洋波導示意圖。

圖2 海面風(fēng)浪下的海洋波導示意圖

　　海洋表面波浪的統計特性可以用風(fēng)浪譜表示，目前國際上常用的風(fēng)浪譜有PM譜、NP譜等。利用蒙特卡洛方法，可提供給定風(fēng)速下不同波譜的海面最可能存在的波動(dòng)形態(tài)。

　　近海面的風(fēng)生氣泡層主要由波浪破碎引起，白浪花的數目以及由此導致的氣泡密度與風(fēng)速密切相關(guān)。氣泡密度在接近海面處達到最高，并且隨著(zhù)海水深度的增加而減少。氣泡密度是風(fēng)速、深度和氣泡半徑的函數，由氣泡層引起的水中聲速剖面的改變以及水中聲波衰減系數的改變，都要基于氣泡密度來(lái)做后續的計算。

　　在聲傳播模型中以蒙特卡洛方法產(chǎn)生的起伏海面作為海面參數輸入，以經(jīng)過(guò)氣泡層修正的水中聲速剖面作為聲速剖面參數輸入，以經(jīng)過(guò)氣泡層修正的水中衰減剖面作為衰減剖面參數輸入，結合起伏海面下的聲傳播模型Ramsurf模型可計算不同風(fēng)速下的聲場(chǎng)，可將不同風(fēng)速下的聲傳播損失與平滑海面下的聲傳播損失作對比分析。值得一提的是，由于每一次仿真都是基于最可能存在的海面形態(tài)進(jìn)行的計算，因此最后的結果，需要取多次仿真結果的平均。

　　經(jīng)過(guò)仿真實(shí)驗分析，在給定的水聲環(huán)境中，風(fēng)速為13m/s時(shí)，在10km處氣泡混合層對3kHz的聲傳播損失的影響達到2.5dB; 風(fēng)速為16m/s時(shí)，在10km處氣泡混合層對3kHz的聲傳播損失的影響達到4dB。在中高頻段，隨著(zhù)風(fēng)速的增加，聲傳播損失明顯的變大。

　　以上介紹的起伏海面下含有氣泡混合層時(shí)的聲傳播計算方法，可為高海況下大風(fēng)浪天氣時(shí)的聲場(chǎng)預報等活動(dòng)提供模型基礎和算法支撐，不同風(fēng)速下的仿真數據結果可為目標定位、水聲環(huán)境監測等提供數據參考。

　　參考文獻：

　　[1] 《中國大百科全書(shū)》74卷（第二版）[M]. 中國大百科全書(shū)出版社,2009-07:407頁(yè).

　　[2] 姚美娟,鹿力成,孫炳文,郭圣明,馬力. 淺海起伏海面下氣泡層對聲傳播的影響[J]. 物理學(xué)報,2020, 69(2).024303.