海洋技术 声速剖面主导的浅海声传播最佳深度规律研究.pdf

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海洋技术▏声速剖面主导的浅海声传播最佳深度规律研

究

近年来，水声学研究的重点逐渐从深海转到浅海，我国沿

海海域多为浅海，研究浅海声场声学特性无论是从军事战略的

角度，还是经济发展的角度考虑，都有其重要作用。如何更

好、更高效地在浅海进行声呐探测和水声通信一直是水声界关

注的焦点，也是实际应用上的难题。浅海的波导声学特性相对

于深海更加复杂。波导的上、下界面分别受海面和海底边界条

件的制约，由于边界条件不同，声能量在深度方向上的分布并

不均匀，当传播距离一定时，不同深度的声能量差异可达

20dB。因此，接收点位置的选取对声信号接收效果的影响很

大，如何更好地选择接收点深度以最大程度地提高声学探测和

水声通信能就显得十分重要。

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在给定声源位置的情况下，垂直方向的声传播损失最小点

被称为最佳深度。最佳深度的选取可以优化接收效果，如被动

声呐放置在最佳深度可以提高目标探测的概率。国内外学者针

对最佳深度做了一定的研究。Weston首先对声场的平均声强进

行了研究，通过计算等声速梯度条件下深度方向上的距离平均

声强，发现了最佳深度现象，并用声强解释了该现象形成的原

因。而后，Gershfeld等通过对声传播损失和信噪比的计算，

得出浅海声传播的最佳深度与声源点深度相同的结论，并研究

了声源位置、海底类型和声源频率对最佳深度的影响。以上都

是针对给定声源情况而计算的最佳深度。Ferla等通过计算声

呐的检测半径，对声源深度未知时的最佳深度位置进行了研

究，得出在声源深度未知时，接收点深度选择在声速最小处时

接收效果最佳的结论。

王晓宇等分别对理想Pekeris波导和实际浅海分层波导下

的水平线列阵最佳布放深度进行研究，得出了最佳布放深度应

与声源深度相同的结论。范培勤等通过将深度方向的声传播损

失转化为检测概率，研究了声呐最优工作深度、正梯度和负梯

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度声速剖面下的最佳深度，得出声呐应放置在声速较小深度的

结论。

现有的研究大多只针对等声速梯度情况下的声传播最佳深

度现象，有关声速剖面对最佳深度影响的研究则十分有限，且

相关研究选取的声速剖面类型也较少，没有系统、全面地研究

其对最佳深度的影响。在进行实际的水声通信时，声速剖面对

远距离声传播的影响不可忽视，且不同类型的声速剖面对声传

播的影响不同。

本文将基于实际浅海不同季节的典型声速剖面，运用简正

波方法，计算声传播损失随距离和深度变化的伪彩图，研究不

同声速剖面下的最佳深度位置，较为全面地总结声速剖面在低

频和高频时对最佳深度的影响规律，以为更好地运用最佳深度

规律进行水声探测和通信提供一定帮助。

一、声速剖面的形成和典型结构

海水声速是研究声传播的基本物理量，是声场分析中不可或缺的一

个重要参数，其在海洋测距和参数反演等方面都有重要应用。由于海

水中介质分布不均匀，声速在深度方向的分布也不均匀，从而形成了

不同类型的声速剖面，其存在对远场声传播的影响很大。本节将主要

介绍声速剖面的形成及其典型结构，以为后续研究提出可采用的声速

剖面模型。

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⒈声速剖面的形成

海水中声速是影响声传播的一个重要因素，