【水声基础】深海水下声传播模式

典型深海声速剖面下的声传播路径如图下所示，深海声速剖面分为三层，即表面等温层、温跃层和深海等温层。声速剖面分层现象主要产生了五种声传播模式，包括表面波导传播模式、表面波导泄露模式、会聚区传播模式、海底弹射传播模式和直达声传播模式。

深海声速剖面下声传播路径示意图

表面波导是由海表面的等温层产生的微弱正梯度声速剖面形成的，声信号能在表面波导实现远距离传播，但表面波导是不稳定声信道，随时间和空间变化剧烈。Baker和 Schulkin通过分析实验数据总结出 了表面波导近距离处声传播损失的经验公式;Porter通过改变表面波导的梯度、 深度、声速等，研究了表面波导的声学特性;Duan 等分析了声源深度和接收 深度对表面波导中传播损失的影响以及基于简正波理论的表面波导中的波达角公式推导。

声波在表面波导中传播时，会有一部分能量泄露 到影区，并且当声信号频率较低时，能量泄露较多。Labianca利用简正波模型 仿真了表面波导中声能量泄露现象;Murphy 等利用射线模型解释了表面波导 泄露现象;Porter等利用实验数据说明了表面波导声泄露的重要性;Duan 等分析了表面波导中的声绕射现象，并推导了能量衰减速度随表面波导频率和厚度变化的表达式。

在深海水平不变环境中，当声源深度较浅、出射角 较小时，声线先向海底方向传播，然后逐渐向上反转折向海面，一般在 30-60 km 形成第一个会聚区。由于会聚区的传播损失明显低于影区，有利于水声通信和水下目标探测，深海会聚区内的声传播现象受到广泛关注。Bongiovanni 等分析了深海会聚区的焦散结构和能量分布特征;Baus 等对会聚区回波进行建模分析。深海会聚区是周期性出现的，声纳会聚区探测模式具有探测距离远的优点。

在深海中，当声源出射角足够大时，声线与海底发生作用，反射后进入声影区，影区内声传播损失大，对目标探测是不利的。这种探测模式通过调整声波的出射角探测声影区某个距离处的目标，但探测的有效性主要取决于海底底质的软硬程度，海底底质越软，吸收系数越大，经海底反射后的声能量越小，探测效果越差，在实际应用中常通过提高发射信号功率或者采用大孔径基阵提高探测效率。

深海直达声区是指未经海底反射或者未经海底附近反转的声线所覆盖的区域。近海面声源的直达声区声场传播损失相比于影区来说较小，存在明显的多途结构，可用于水下目标被动定位。深海大洋中，当接收水听器位于海水共轭深度以下时，目标和接收水听器之间的路径称为可靠声路径， 可靠声路径最早用于美国建立的海啸灾害监测和预警系统(DART，Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunamis)中，该系统将监测仪布放在近海底位置接收近距离海啸声波。

2004 年发生的印度洋海啸促使该系统升级为 DARTII系统，系统组成下图所示。

其节点分布如下图所示。

从 DARTII中发现了可靠声路径传播损失低、背景噪声级低的优点，美国国防部开发了分布式潜艇猎捕系统，对水下目标进行更为可靠的探测和跟踪。此外，可靠声路径也在科学实验 中被研究，2009 年到 2011 年，美国在菲律宾海组织了两次大型实验，分别为 PhilSea09 和 PhilSea10，在 PhilSea10 实验中布放了大规模的水声监测基阵，如下图所示。

上图为 PhilSea10 实验中声源和阵列的位置，以及测线的航迹。T1 到 T6 为声 层析阵列，在 T6 附近布放了分布式垂直阵(DVLA，Distrbuted Vertical Line Array)， 其布放深度覆盖全海深，该阵列的监测时间长达一年。Kathleen 等分析了此次 实验中环境噪声随深度变化的平均值如下所示，得到当频率为 50Hz 时，最深处水听器接收到的环境噪声级比声道轴处低 10 dB。