科普文章丨怎样计算浅海海面风浪对声传播的影响？

　　图/Pixabay

　　看过电影《加勒比海盗》的人一定对那蓝黑色的汹涌的大海难以忘怀，再加上美人鱼婉转的歌声，大海显得奇幻又神秘。

　　21世纪是海洋的世纪，研究海洋、开发海洋和利用海洋是国家战略之一。声波是海洋中信息传输的最有效的信号形式，开展不同海洋环境中的声传播特性研究是利用海洋、探索海洋的基础，有助于可持续开发和利用海洋。

　　声波导是只在一个或两个方向延伸得很远，可限制并使声波在其中沿一个方向或两个方向传播很长距离的结构。常见的管道、井孔等都是声波导。海洋也是一个声波导，确切地说，海洋是一个上受海面限制、下受海底限制的声波导。海面作为海洋波导的上边界，对声传播有着重要的影响，海面边界特性实际上也是声场预报所需要的一个关键性环境参数。因此，我们对海洋波导进行物理建模时，要准确地输入海面参数。

　　有时我们形容大海“风平浪静”，在这种理想的情况下，我们对海洋波导进行物理建模时，认为海面是平整的。此时，海面作为一个绝对软的理想边界，对水下入射声波有良好的反射作用，几乎不会因为声波与边界碰撞而产生能量损失。

　　但我们在形容大海时，也常用到“波涛汹涌”“惊涛骇浪”等词语，在这种高海况的情况下，海面是随机起伏的、不平整的，图1是粗糙海表面模型及其参数示意图，其中rms wave height表示波高均方根，wind speed表示风速，这两者都是风浪谱中常用到的参数。粗糙的海面边界对入射声波既有反射也有散射作用，造成海面反射损失。随着风浪的搅动，还会形成海面气泡层，不但会改变原有的声速剖面结构，还对声波具有散射和吸收的作用，会改变原有的水中衰减系数，也从不同程度上影响声波在海洋波导中的传播。　

图1 粗糙海表面模型及其参数示意图

　　实际上，海面经常受到风浪的影响，因此，计算风浪影响下的声传播具有重要意义。计算风浪影响下的声传播，主要考虑的问题是对起伏海面和近海面气泡层分别进行建模。图2为海面风浪下的海洋波导示意图。

图2 海面风浪下的海洋波导示意图

　　海洋表面波浪的统计特性可以用风浪谱表示，目前国际上常用的风浪谱有PM谱、NP谱等。利用蒙特卡洛方法，可提供给定风速下不同波谱的海面最可能存在的波动形态。

　　近海面的风生气泡层主要由波浪破碎引起，白浪花的数目以及由此导致的气泡密度与风速密切相关。气泡密度在接近海面处达到最高，并且随着海水深度的增加而减少。气泡密度是风速、深度和气泡半径的函数，由气泡层引起的水中声速剖面的改变以及水中声波衰减系数的改变，都要基于气泡密度来做后续的计算。

　　在声传播模型中以蒙特卡洛方法产生的起伏海面作为海面参数输入，以经过气泡层修正的水中声速剖面作为声速剖面参数输入，以经过气泡层修正的水中衰减剖面作为衰减剖面参数输入，结合起伏海面下的声传播模型Ramsurf模型可计算不同风速下的声场，可将不同风速下的声传播损失与平滑海面下的声传播损失作对比分析。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态进行的计算，因此最后的结果，需要取多次仿真结果的平均。

　　经过仿真实验分析，在给定的水声环境中，风速为13m/s时，在10km处气泡混合层对3kHz的声传播损失的影响达到2.5dB; 风速为16m/s时，在10km处气泡混合层对3kHz的声传播损失的影响达到4dB。在中高频段，随着风速的增加，声传播损失明显的变大。

　　以上介绍的起伏海面下含有气泡混合层时的声传播计算方法，可为高海况下大风浪天气时的声场预报等活动提供模型基础和算法支撑，不同风速下的仿真数据结果可为目标定位、水声环境监测等提供数据参考。

　　参考文献：

　　[1] 《中国大百科全书》74卷（第二版）[M]. 中国大百科全书出版社,2009-07:407页.

　　[2] 姚美娟,鹿力成,孙炳文,郭圣明,马力. 浅海起伏海面下气泡层对声传播的影响[J]. 物理学报,2020, 69(2).024303.