海洋环境噪声反演海底参数的研究.pdfVIP

水声学 海洋环境噪声反演海底参数研究 殷宝友1’2 林建恒1 衣雪娟1 江鹏飞1 1．声学研究所北海研究站；2．声学研究所水声环境特性国防科技创新实验室 摘要海洋环境噪声源发出的声波在传播过程中会受到海面和海底的作用，在浅海，璎 声场的空间结构在很大程度上由海底特性决定。其中，海洋环境噪声场的垂直相干特性是声场 中两个接收点互谱密度的归一化形式，随海况变化；f1／／1,，相对稳定，因此，可以用来反演海底参 数。本文基于绝热简正波方法，建立了浅海风关环境噪声场模型，并分析了海洋环境噪声场的 垂直相干特性。最后，利用2007年中国某海区的实验数据，反演了地声参数，与同海区的传播 数据反演得到的海底参数相比，结果基本吻合。 关键词 海洋环境噪声垂直相干地声反演 1．引 言 海洋环境噪声是海洋中的固有背景声场，在传播过程中，会受到海底、海面和 海水介质等因素的影响，同时也就携带了这些影响因素的相关信息，因此，可以用 来估计海底声学参数。虽然海洋环境噪声是一个时空变化的随机过程，但大量实 际测量表明，噪声场的垂直相干特性是稳健的…，随海况变化很小，而且测量噪声 相干特性只需要两个水听器，不需要专门的发射声源，实施容易，优点较为突出。 利用海底声学特性和海面噪声场垂直相干的关系，Buckingham等人用低损失、 液态海底模型反演出两个实验海区的压缩波声速；Carbone…等人则将其推广到反 演弹性海底的纵波和横波速度。在国内，由于种种条件限制，利用海洋环境噪声反 演海底参数的相关研究工作不多。骆文于1利用黄海实验数据反演得到半无限空 间地声参数，但将衰减系数默认为无量纲的参数，存在一定的局限。李炳辉Ho反演 了分层海底情况下的海底参数，但没有实验数据支持。 本文首先给出了海洋环境噪声场的简正波表达式，然后分析了海底参数和垂 直相干特性的关系，最后利用实测海面噪声场的垂直相干特性反演海底参数，包括 海底声速、密度和衰减系数，并与传播实验反演结果进行了比较。 2．海洋环境噪声场的垂直相干特性 假定海洋环境水平分层，风关海面环境噪声模型如图l所示，噪声源为相互独 立的单极子源，位于海面之下一个平行于海面的无限大平面上，在时域和空间上满 足泊松分布。接收阵为一对垂直布放的水听器。对于海面上的任意一个小面元 dA，两接收点的互谱密度可以表示为： 6l 中国科学院声学研究所第三届青年学术交流会论文集 豳可=2vQ2G(，，∞，靠)G‘r，∞，z巧)弘 (1) 其中，v为单位面积噪声源密度，Q为噪声源强度，G为格林函数，其简正波表达式 为： G(r，∞，Zr)=ilr∑妒。(乙)妒。(乞)或(后。r) (2) 圈l 海面噪声源及接收阵分布图 不考虑海洋环境随方位的变化，将上述单位面积噪声的互谱密度推广至整个海面， 并进行简化，可得： s{『=s可= (3’(3) Qv仃6lirg(。妒耋 ∑妒。()妒。(乞)∑以(勺)妒I：：(乞)等等等 )妒。(乞)，量妒J：：(勺)妒I：：(乞)垫丢兰冬鼍兰} 其中，成为汉克尔函数，‘P为波函数，k为波数，nl和n为简正波号数，’表示复共 轭。 将互谱密度归一化，即得到海洋环境噪声的垂直相干函数，为一复函数： ，∽=蕊5丽12q1)VoIlV，“22V， (4) 研究表明，在所考虑的参数变化范围内，相干函数的虚部变化不大，因此，我们只考 虑其实部。 接下来，我们将以半无限大空间液态海底为例，讨论海底声速、密度和衰减和 垂直相干特性的联系。一共考虑四种情况，海底声速c¨衰减仅。和密度P。依次 三个参数的单位分别为m／s、dB／k、s／cm3。从图2中可以看出，海底声速是影响垂 直相干特性最敏感的因素，相比之下，在一定范围内变化，海底衰减和密度对垂直 相干特性的影响较小o 3．利用垂直相干特性