浅海声学与深海声学差异
概括地说,当经过第一步——写下基本波动方程之后,二者的边界条件、声速剖面、非均匀介质,以及许多其他因素都存在着明显的差异。事实上,浅海是比深海更为复杂的声学介质,浅海声学现象也更具有研究和开发的意义。
首先,深海声学和浅海声学最重要的差异在于边界,即海面和海底。在浅海中,通常必须考虑海面或海底对声的影响,但在深海中,一般无须考虑这些边界的影响。对于在海上工作的海洋学家来说,既友好又令人担忧的海面边界是两个边界中更简单、更易了解的边界。即便如此,认识海面边界仍绝非易事。
在海面平静时,通常可将海面视为标准压力释放边界,从物理和理论的角度也易于处理。但是,在海况较差时,覆盖在汹涌的气泡层和气泡群下的海面则表现出与风程相关、具有频率指向性的粗糙度谱。如果在极地地区,就还需考虑冰层的影响。因此,给海面边界建模绝非易事(相较于深海环境,这项工作又不可避免)。而海底边界则更具挑战性,因为海底不仅更难抵近,且在没有特殊工具的条件下不可穿透。
此外,由于在浅海水体声速剖面通常向下折射,海底就成为声传播中不可回避的边界条件。除去与海面散射中类似的表面粗糙度外,海底还存在深度不规则、浅底基层含杂质、底质多样,以及沿岸地质学涵盖的所有令人目眩的沉积层及内部结构。实际上,海底地质结构本身就是一个非常广阔的研究领域,而不仅仅是声学中的边界条件。
正如浅海和深海在海面和海底边界上存在差异一样,两者的物理海洋学条件也存在差异。不同于我们熟知的浅海波导“Pekeris模型”所描述的单一性海洋,即在等声速海底半空间上覆盖着等声速的水体。沿岸海域中的各种现象在声速剖面与距离、深度和时间之间构成了复杂的相关性。沿岸锋面、涡旋、内波(线性和非线性)、河流浮力羽状锋、西边界洋流的湍流边缘,以及其他大量的海洋现象,构成了尺度大小不同的结构——虽然有些尺度足够小,不会对测量和建模构成挑战,但也足以在我们关注的声学频率范围内产生足够大和足够强的影响。诸如此类的海洋现象都为浅海所特有,也因水浅而变化,从而导致浅海与深海在物理海洋学上的差异。
海洋生物也是不可忽视的因素,以鱼类和海洋哺乳动物为例。在深海中,可以探测到鲸鱼和海豚发声产生的环境噪声,但由于深海中鱼类和海洋哺乳动物的整体密度低,动物并不会明显地产生、吸收和散射声波。但是,理论和试验研究都证明,作为大多数海洋生物主要生存环境的浅海,不仅生物噪声更大,鱼群对声的吸收和散射也更为显著。
除了在物理环境上存在差异外,浅海和深海还存在着声学上的差异。其中,主要的两个差别是:⑴混响和衰减更强;⑵浅海中的三维效应更强(包括随机的和确定的)。首先,如前所述,由于浅海中边界相近,边界对声的影响是毫无疑问的。因此,浅海中的后向散射、混响和海底衰减也就更显突出。(这并不表示深海不存在此类混响。举例来说,诸如极地海域、地中海等海域,其深海向上折射的声速剖面会迫使声波与海面相作用,从而形成混响。)其次,则是三维声效应。在深海中,只有在测量海底山和岛屿这些极为有限的海洋区域时,才重点关注三维声效应。而在浅海中,大陆架斜坡、大陆架坡折和海底峡谷都具有明显的三维声效应。此外,正如近期理论和试验的研究表明,水体自身的水平折射也会带来相当显著的影响。事实上,多年来三维声效应研究在很大程度上被人们忽视,而浅海声学则为它带来了一场小规模的复兴。
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