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淺海起伏海面下氣泡層對聲傳播影響研究進展
2020/06/09 | 作者:中科院水声环境特性重点实验室 姚美娟 | 【 【打印】【關閉】

  大風浪環境下,近起伏海面處會産生氣泡混合層,氣泡混合層不但會改變水中的聲速剖面,還會因爲散射吸收等引起聲波的衰減,因此起伏海面下的氣泡層是影響聲傳播的重要因素之一。國內外學者先後研究了強風浪時起伏海面引起的信號相關性的改變、信號到達時間的起伏等現象,但都未結合強風浪引起的近海面氣泡層對其的影響。

  對此,中科院水聲環境特性重點實驗室姚美娟副研究員課題組提出了起伏海面下包含氣泡混合層的聲傳播計算方法,分析了不同風速下氣泡層對水中聲速剖面和聲波衰減系數的影響,進而得出了氣泡層對海面反射損失和聲傳播損失的影響。

  相關成果20201月發表于物理類中文學術期刊《物理學報》。

  仿真實驗表明,在風速爲10m/s以上時,氣泡混合層對于頻率大于2kHz時小掠射角下的海面反射損失的影響較爲顯著;在風速爲13m/s以上時,氣泡混合層對于頻率大于1kHz時小掠射角下的海面反射損失的影響較爲顯著。在給定的水聲環境(聲源深度和接收深度都爲18 m)中,當風速爲13m/s時,在10km處氣泡混合層對3kHz的聲傳播損失的影響達到2.5dB;當風速爲16m/s時,在10km處氣泡混合層對3kHz的聲傳播損失的影響達到4dB

  

  圖1 風速爲10 m/s 時起伏海面以及氣泡層對海面反射損失的影響:(a) 無氣泡層;(b) 考慮氣泡層對聲波的消減效應;(c) 考慮氣泡層對聲波的折射效應;(d) 同時考慮氣泡層對聲波的折射效應和消減效應(圖/中科院聲學所)

  

  圖2 風速爲13 m/s 時起伏海面以及氣泡層對海面反射損失的影響:(a) 無氣泡層;(b) 考慮氣泡層對聲波的消減效應;(c) 考慮氣泡層對聲波的折射效應;(d) 同時考慮氣泡層對聲波的折射效應和消減效應(圖/中科院聲學所)

  

  圖3 頻率爲3kHz時,不同風速下平整海面、起伏海面不考慮氣泡層因素和起伏海面考慮氣泡層因素時的傳播損失曲線比較(聲源深度和接收深度都爲18 m)(a) v = 7 m/s(b) v = 10 m/s(c) v = 13 m/s(d) v = 16 m/s(圖/中科院聲學所)

  本研究提出的起伏海面下包含氣泡混合層時的聲傳播計算方法,可爲高海況下大風浪天氣時的聲場預報等提供模型基礎和算法支撐,不同風速下的仿真數據結果可爲目標定位、水聲環境監測等提供數據參考。

  本研究得到國家自然科學基金(No. 11904382)資助。

  關鍵詞:

  起伏海面;氣泡層;聲傳播

  參考文獻:

  YAO Meijuan, LU Licheng, SUN Bingwen, GUO Shengming, MA Li. Effects of wind-generated bubbles layer on sound propagation underneath rough sea surface in shallow water. Acta Physica Sinica, 2020, 69(2): 024303. DOI:10.7498/aps.69.20191208.

  論文鏈接:

  http://wulixb.iphy.ac.cn/article/doi/10.7498/aps.69.20191208

 
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