水声物理现状与发展趋势-中国科协创新战略研究院.PDF

水声物理现状与发展趋势 李风华 （声场声信息国家重点实验室，中国科学院声学研究所，北京 100080 ） 1 引言 声波在海洋中的衰减比电磁波小 1000 倍以上，这一物理特性决定了声波是探测海洋的 一个主要手段，其在水下战争中有重要的应用。水声学主要是研究声波在海洋中产生、传播 和接收的规律及利用声波探测海洋环境或水下目标的学科。 近代意义上的水声学可以追溯到 1826 年瑞士物理学家科拉顿和法国数学家是斯特姆在 日内瓦湖测量声在水中传播的速度。在英国科学家LF 里查孙和美国科学家 RA 费森登提出 的方案基础上，1914 年第一台回声探测仪成功探测到在两英里外的冰山。在第一次世界大 战期间，法国著名科学家郎之万在赛纳河中利用压电晶体探测河中反射体，形成了现代声纳 的雏形。 到了第二次世界大战，声纳已经成为海军的装备。在这这期间的声纳使用中发现了很多 奇怪现象（比如著名的“午后效应”），这些现象促使水声学的各个分支迅猛发展。有关水声 学发展的论述需要由一系列专著来完成。受篇幅限制，本文只简要介绍与讨论水声物理各分 支目前的研究进展及其发展趋势，并侧重回顾我国水声科研人员的研究成果。 2 声传播理论（Propagation ） 水声传播理论主要揭示声波在水中的传播规律，是水声学研究的基础。声传播理论的核 心问题就是求解满足相应边界条件的波动方程： 2 2 1 ∂ p ∇ − p 2 2 0 ， （1） c (r, z) ∂t 其中 c(r, z)是海水的声速在空间上的分布，p 为声压。从上世纪中叶开始，水声学家采用不 同近似发展了大量求解上述方程的计算方法(有关海洋声学计算方法的详细讨论可参考文献 [1]，其对各种方法进行了很好的描述) ，有代表性的计算方法主要包括： 2.1 射线方法（Ray Method ） 在上世纪六十年代以前，射线方法是海洋声学研究的主要方法。射线声学假设声波是由 射线来传递声能量，从声源出发的射线按一定的路径传播到达接收点，接收到的声场是沿所 有到达射线的声能叠加结果。所以利用射线方法计算声场时有两个基本的方程：一个是确定 射线行走规律的程函方程（Eikonal Equation ）；一个是确定单根射线强度的输运方程 （Transport Equation ）。图 1 是一个典型深海中的声线轨迹图。 图 1 深海声线轨迹图 在采用经典的射线方法计算影区（Shadowing zone）和焦散区（Caustics zone ）的声强 时会出现严重的偏差。影区是指没有声线经过的区域，利用经典射线方法计算得到的该区域 声强为 0 。焦散区是指声线的截面为0 的区域，此时经典射线方法计算得到的该区域声强无 限大。当然这与客观事实是不符。产生这个计算误差的主要原因是射线方法的高频近似。为 了解决上述问题，又发展了 Gauss 束射线[2，3]等多种方法。Gauss 束射线方法的一个基本 思想是：声波在传播过程中，不仅在每条声线上声压不为 0，在声线附近声信号也不为 0， 而是以 Guass 形式衰减。这样可以较好的解决射线理论在处理影区与汇聚区时出现的问题。 虽然射线方法曾经是海洋声场计算的一个主要方法，但是在最近十年来，射线方法的使用越 来越少。其原因之一是射线方法比较适合于高频和近程声场的计算，而在中远程低频声场的 计算中没有优势。 2.2 简正波方法（Normal Mode Method ） 简正波方法是目前水平不变海洋中计算声场最重要的算法。简正波方法认为声波在海洋 中按一定的模态进行传播，每一个模态能量与位相分别以一定的速度行走（群速度与相速 度），接收到的声场是所有到达模态的叠加结果。图 2 是在一种典型条件下简正波第 1 号、2 号、3 号和 10 号模态函数随深度的变化规律。简正波方法的早期