水下目标诱发低频舰船地震波传播特征简析.pdf

水下目标航行时所产生的低频振动噪声在水中向下传播在海底界面处通过声弹耦合作用诱发海底舰船地震波 其作为一种新型的舰船物理场具有传播距离远、稳定性高、可预测性好且无低频截止干扰的优势携带丰富的有效信息 为更清晰认识水下目标诱发的低频舰船地震波在弹性波动理论下基于平面波基本假设构建了水下目标航行激发产生的低频舰船地震波传播模型对海底界面处地震波反射透射、界面波特征等进行定量研究并结合特征方程的解析结果进一步认识舰船地震波场的模式组分、传播特征及敏感特性等从而对低频舰船地震波场进一步定量认识关键词:海底界面水下目标低频地震波 波中图分类号:文献标志码:文章编号:().():.:收稿日期:网络出版时间:基金项目:国家自然科学基金面上项目()山东省自然科学基金青年基金项目()作者简介:郭艳华大学本科、工程师研究方向:海洋探测调查技术与装备通信作者:张晓语博士、助理研究员研究方向:海洋地声探测与反演技术.齐鲁工业大学学报 年第 期早在 世纪英国科学家 从理论上预言在各向同性均匀固体表面上存在表面声波 而后进一步发现声波也可以在两个固体界面上传播 后来的学者们将沿真空固体界面传播的表面声波称为 波将沿固体固体界面传播的表面声波称为 波 年 发现了沿流体固体界面传播的表面声波该表面波具有与 波、波相似的传播特性相应地被命名为 波 波作为舰船地震波中重要一部分其发现为检测低频/甚低频段内的舰船辐射噪声提供了可能为海洋地震声学、海洋地震测量的发展奠定了理论基础自 波被发现之后相应的实验观测也随即开展 早在 世纪 年代 等首次利用垂直轴的地震波检波器和水听器进行了浅海爆炸声传播的海底地震波接收实验随后 利用三轴地震检波器进行了实验在理论上指出了在浅海海域可以利用舰船地震波进行探测和跟踪舰船的可能性年采用三轴海底地震仪()进行了海底地震波的爆炸声实验通过野外数据采集以及对数据的分析处理得到了海底地震波的时域波形、衰减曲线以及质点运动轨迹研究表明 波存在于上层为半无限流体介质下层为半无限弹性介质并总结出 波的传播特性:波沿着流固界面传播并随着离开流固界面的距离的增加呈指数衰减传播速度接近于横波的传播速度在水平垂直平面内的质点运动轨迹为逆进的椭圆等 结合不同观测系统对 波开展更为深入观测研究并取得一定研究进展 等在加利福尼亚海域进行了“海上自适应监测()”实验该实验采用岸上 元的地震波拾振器加海底 套 系统进行信号接收分析得到 波和 波的频散特性 等从声波的基阵成阵技术入手分析比较了海上浮标和海底拾振器接收到的甚低频信号 等结合海底地震波的特性成功形成了地听器()阵列的波束成形技术 紧随其后开始了舰船地震波的跨学科应用研究比如利用地震波进行检测海洋动力学现象等、确定海底地层构造等目前国内也逐步开始了舰船海底地震波相应的理论研究 从现有文献来看他们主要对舰船地震波形成的机理进行了理论分析并在此基础上对由浅海低频点声源引起的海底地震波场进行数值模拟 其中卢再华等指出舰船海底地震波可用于水雷引信中并进一步在舰船地震波形成机理、特征和模型等方面开展了研究工作 他们主要用到了有限元模型和快速场声传播模型模拟舰船地震波 陈云飞等指出除了水雷引信之外舰船地震波还可用于水中目标探测 颜冰等、李响等首先研究了舰船地震波场的形成机理及其声场的简正波表达式然后重点开展了舰船地震波的实验研究并构建了实时观测系统 张海刚等、黄益旺等从矢量声场的角度研究了浅海甚低频声传播模型与规律给出了简单模型条件下弹性海底表面质点位移或振速的计算方法为浅海波导中舰船地震波的声传播建模奠定了基础 由于国内起步较晚国内对海底地震波理论的研究目前多采用简正波理论、波数积分方法等解析法或半解析法来分析舰船地震波传播规律 此类方法可以直观展示简单条件下舰船地震波传播规律但是舰船地震波场尤其是界面波的模式复杂且反演计算过程冗余针对舰船地震波新兴物理场本文基于平面波基本假设联合分析水体中声场和弹性海底中的舰船地震波场从广义反射透射系数入手结合解析解法进一步对舰船地震波激发机理开展研究以明确复杂海底环境中舰船地震波场模式激发及能量损耗等传播机制基本理论水下目标航行时所产生的低频振动噪声在水中向下传播在海底界面处通过声弹耦合作用诱发海底地震波 其作为一种新型的舰船物理场不受低频截止效应限制具有低频且传播距离远的特点稳定性高可预测性好携带丰富的有效信息.海底界面处声波的反射与透射在图 所示的直角坐标系中设海底界面位于 轴 的半无限区域为弹性海底介质 对于该二维均匀海洋环境模型假设水中声波和弹性海底中弹性波均具有谐波性质那么水中声波位移势、海底弹性波 和 满足满足 方程:年第 期郭艳华等:水下目标诱发低频舰船地震波传播特征简析 ()其中 和 分别为水平方向和垂直深度方向 /分别为水中声波、海底底质中纵波和横波波数、分别为水中声波、弹性海底中纵波、横波传播速度 和 分别为水中声波、海底底质中纵波和横波的位移势 为频率图 上覆海水介质模型示意图在海底边界上法向位移连续、法向应力连续以及切向应力为零采用势函数表示如下:()式中海水密度、拉梅系数分别为、弹性海底密度和拉梅系数分别为 满足/()/考虑到水体和弹性体中波动与距离无关与 关系都是 形式 那么水体和弹性体半空间中的完整波系:将其代入边界条件我们可以推导得到如下关系:/()()()()()()()/()()()式中 /分别为下行声波、上行声波、下行纵波、上行纵波、下行横波上行横波的振幅强度 我们考虑弹性半空间中只有从界面离开的波即 那么声波反射系数/纵波透射系数 /和横波透射系数 /可以表示为:()/()/()/()()齐鲁工业大学学报 年第 期.界面波特征方程除了水声波、海底中传播的纵波和横波等体波之外还存在沿海洋底部的流固界面附近传播的界面波 其能量主要集中在离界面几个波长之内的区域携带较丰富的界面特性信息对于沿海底面传播的界面波而言只有从界面离开的波有 那么:()()()()()当上式行列式为零时存在非平凡解即:()()()()()()()由于 /则 ()上式即为半无限大介质中海底界面波的特征方程是关于 的函数与水体声波速度、弹性体纵波速度、弹性体横波速度、液体密度和弹性体密度有关 该特征方程同样可以从反射系数 得到.特征方程求解由于该方程涉及三个开方项、和 所以该方程求解问题会存在复根多解问题即存在多种模式非均匀波 当 ()时根号内均为正数此时特征方程根在实数范围内这种实根为唯一的实根(对应于 波即为 波的特殊情况)利用解析方法证明了流固界面处 界面波存在且唯一并结合复变函数给出 波相速度的积分解析解形式:()在硬地层 中此时 波积分解析表达式如下:()其中 ()()()()()()()/()在软地层 中此时 波波速解析表达式如下:()其中 年第 期郭艳华等:水下目标诱发低频舰船地震波传播特征简析 ()()()()()()()/()在软地层 中此时 波波速解析表达式如下:()其中 ()()()()()()()/当 大于()中任一项时方程中根号内就为负数相应地出现复根 复数开方后辐角主值范围为 即开方后复数的实部为正处于复平面的一、四象限 结合二、三象限的复根那么关于、和 的黎曼面就有 个数学意义上讲就会有关于 的 个根 有 个关于 的根 由于 面的对称性会存在重根现象除此之外也有一些不符合物理规律 虽然采用基于 混合搜索的最小二乘迭代法可以实现复根求解但是具体对应哪些波存在需要借助实验来验证 就目前而言海底界面处除体波及相应非均匀波发育外还主要存在两种界面波即 波和 波数值模拟及特征分析.海底界面处声波反射透射特征利用反射系数和透射系数我们分析声波在液固界面时反射、透射特点 我们着重考虑 透射角 在/的基础上再加一个增量 由于该增量不能再加到透射角实部上该增量添加到透射角虚部使其变为复数角此时透射角/则 那么 ()这样透射波为不均匀纵波在 方向以/()为相速度传播振幅沿着 轴以 为因子呈指数规律衰减 由于 和/为纯虚数考虑到声波为有界的所以 为正虚数/为负虚数这种情况下反射系数可以改写为:其模为:()()易见当 反射系数的模小于 因为一部分能量被横波从界面带走考虑 “硬海底”情况取海水层中 /././反射系数和透射系数变化图如图 所示其中()为反射、透射系数振幅变化示意图()为反射、透射系数辐角变化示意图左侧为反射系数 变化示意图中间为透射系数 变化示意图右侧为透射系数 变化示意图 根据 定律可见会存在两个临界角 /()和 /()年第 期郭艳华等:水下目标诱发低频舰船地震波传播特征简析图 “硬海底”反射系数 透射系数 和 模()与辐角()变化示意图当入射角小于临界角 时入射纵波发生透射产生透射纵波和透射转换横波当 时透射角 和 均变为复数此时透射角 /则 那 么 不 均 匀 纵 波 可 以 表 示 为 ()不均匀横波表示为 ()其分别沿 方向以 和 为相速度传播振幅沿着 轴以 和 为因子呈指数规律衰减 由于 和 为纯虚数那么反射系数可以改写为:其模为 即发生全反射通过声波在海底液固界面处反射透射关系分析我们发现一定条件下可以产生不均匀纵波和不均匀横波其沿着界面传播随着距离界面越远振幅越小.界面波传播特征海底界面处入射的声波会反射透射产生体波及相应的不均匀波 除反射声波、透射纵波和透射横波等体波波场外还有复杂模式的不均匀波场 结合特征方程求解如图 所示海底界面附近所能发育的舰船地震波场包括首波、和 波等不均匀波场齐鲁工业大学学报 年第 期图 舰船地震波波前示意图及某时刻 分量波场快照图在特征方程求解时 实部经过“支点”(就是)时会产生“跳跃”产生首波(也称之为侧面波 或者滑行波)其特点为在界面上掠射幅度较小 该首波即为大于临界角入射发育产生的不均匀纵波、不均匀横波 由于该方程包括 个支点分别为 那么海底界面附近会发育 种首波 一是固体纵波和固体横波间切平面形成的在界面上的掠射速度为固体纵波波速二是固体纵波和流体纵波间切平面形成的在界面上的掠射速度为固体纵波速度三是固体横波、波和流体纵波间切平面形成的在界面上的掠射速度为固体横波速度(由于 波和横波速度很接近实际中很难将两个波阵面分开)实际上由于液体没有切变作用这里其主要作用的是 波 此类波振幅沿着 轴呈指数规律衰减当界面受到实际脉冲源激发时除了上述 个支点波也会同时产生两个极点波 其中唯一且存在的实数解所对应的极点波即为 波 波(即 波的特殊情况)沿界面方向传播时不衰减能量主要集中在界面附近的液体内部 但是随着液体黏滞增大液体和固体的声阻抗差异变小耦合到固体内的能量就越多 海底界面波中速度最小的一个波幅度较大 大部分能量集中在流体中且沿传播方向不衰减此外还存在一个复数极点根对应 波 波是沿固体界面传播的 波在传播过程中不断向液体辐射能量而形成的因而能量是衰减的辐射角由固体的 波速和液体的纵波速度所决定 其中 不是所有情况下都存在 只有当两种材料声学参数相差较大时如一种材料的声纵波波速小于另一种材料横波波速时(常分别称为“软介质”和“硬介质”)产生的可能性比较大 由于 波能量大传播距离远因而 波仍是潜力较大的界面波能量主要集中在固体内传播过程中不断向流体辐射能量其波速的数值比固体半空间的 波速稍大一点是衰减波表 为均匀半空间海洋模型介质参数及参数变化表 图 为半无限空间中 波相速度随弹性体纵波速度和泊松比变化交汇图利用泊松比与纵横波速度间关系/()/()将泊松比转换为横波速度如图 所示 其中等相速度线用实线标注可见随着纵波速度变大 相速度基本保持不变但随着横波速度变大相速度会变大可见 波相速度与横波速度相关性大表 均匀半空间海洋模型介质参数表及参数变化表层序号纵波速度/()泊松比密度/().注:第二层横波速度标注的为泊松比 其中泊松比与纵横波速度间关系满足 年第 期郭艳华等:水下目标诱发低频舰船地震波传播特征简析图 半无限空间中 波速与弹性体纵波速度、泊松比变化交汇图图 半无限空间中 波速与弹性体纵横波速度变化交汇图结论与认识基于平面波基本假设本文联合分析水体中声场和弹性海底中的地震波场定量认识舰船地震波新型物理场 通过广义反射透射系数明确舰船地震波界面波特征方程利用解析法与数值法相结合的办法明确了 波相速度解析解 此外本文认识到沿海底界面传播的舰船地震波场中非均匀波模式复杂还发育有受支点影响的首波和受极点影响的 波 舰船地震波场中非均匀波场具有频率低、沿海底界面传播、传播距离远、受海底底质和入射声波多因素影响等能量损耗及传播机制 通过研究更进一步认识舰船地震波物理场的能量损耗和传播机制等特征从而有利于舰船地震波水下目标预报的实现参考文献:.():.():.:.():.():.():.:./齐鲁工业大学学报 年第 期.:.():.()./.():.():.():.卢再华张志宏.舰船海底地震波及其在水雷引信中的应用.水雷战与舰船防护():.卢再华张志宏顾建农.基于波数积分的点声源海底地震波计算方法研究.武汉理工大学学报(交通科学与工程版)():.陈云飞吕俊军于沨.航行舰船地震波及其在水中目标探测中的应用.舰船科学技术():.颜冰周伟龚沈光.浅海地震波传播的简正波模型.武汉理工大学学报(交通科学与工程版)():.李响颜冰.舰船地震波场实时检测系统的实验研究.噪声与振动控制():.张海刚朴胜春杨士莪等.楔形弹性海底声矢量场分布规律研究.声学学报():.黄益旺朴胜春宋扬.楔形海域声矢量场分析.哈尔滨工程大学学报():.李环迟秀秀.浅海舰船地震波识别方法研究.沈阳理工大学学报():.():.(责任编辑:孙洪清校 对:赵立爱)