海洋技术▏浅海声学研究及所面临的挑战
一、引言
我国是海洋大国，沿海大陆架有一片浅海水域，这一得天独厚的地理优势使我国水声研究不断取得进展。我国的水声学研究始于1958年，已故著名物理学家、中国科学院院士汪德昭负责组建了我国国防水声科研队伍。经过几代人的努力，已发展出一套适合我国浅海特点的水声传播理论和应用技术，也出现了一批从事水声研究的科技骨干力量，其中有三位带头人先后当选为中科院院士。国家声场、声信息重点实验室主任张仁和院士发展了一套快速解算声场结构的算法，并在实际中获得应用；国家自然科学基金委信息部主任侯朝焕院士在水声工程、数字系统集成方面取得重要成果；中科院声学所所长李启虎院士近年来多次应邀担任欧洲水声会议和北大西洋公约组织的水下防务技术会议分组主席，为国家争得了荣誉。
我国黄海、渤海、东海的大部分海域，及南海的近岸海域深度小于200米，海底以大陆架为主，是世界上最宽的大陆架区之一。对于人类来说，大陆架和大陆坡有着极为重要的经济、社会和军事地位，其海域宽广，南北跨越温带、亚热带、热带等多个气候带，水温分布差异大，同时受黑潮和沿岸流的影响，极易形成沿岸锋面、涡旋、内波，以及其他各种的海洋现象，构成了尺度大小不同的特殊海洋结构。海底沉积层则囊括了砂、粉砂、淤泥等多种类型。声波在这种典型的浅海环境中传播受海洋学、地质学影响严重。这些复杂的海洋环境既为我国科研人员提供了广阔的舞台，同时也对水声学的研究和应用带来了极大的困难。
海底对声波传播的影响很大。声在浅海中的传播特征的重要因素是海底的反射本领。因为海底沉积物的密度和声速一般都随深度而增加的缘故。沉积物中的声速和声吸收系数，与其颗粒度和孔隙率有关。沉积物对声的吸收，还随声波频率的增加而增加。海底对声波的反射损失，与海底物质的密度、声速和声波的入射角有关。一般说来，海底的密度愈大，声速愈高，反射损失愈小；声波频率愈高，海底的反射损失愈大。
二、浅海声学研究的必要性
对许多海洋声学工作者来说，浅海指“声波波长数倍于海深的水域，简正波可有效描述其声场”。对一些物理海洋学工作者而言，浅海则指从海岸延伸至大陆架坡折处的海洋区域。为何要专门研究浅海声学？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，通常必须考虑海面和或海底对声的影响，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。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）。浅海中的后向散射、混响和海底衰减也就更显突出。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。
三、当前浅海声学研究面临的挑战
第一个问题是“浅海波导方位各向异性的量化”。基于沿海岸对称的几何形状（这是首要原因），浅海波导打破了方位上的对称性。大陆坡折深度、大陆坡折锋面、向海岸传播的内波和内潮等都在x-y平面上明显地表现出“偏好方向”，使得沿声路径的方位对称因这种“偏好方向”的介入，无法再用数学方式描述。
此外，复杂的浅底地层和海水流向也会破坏方位的对称性。但是，在所有被破坏的对称中，最实际的问题是“方位对称性被破坏到了什么程度”。众所周知，大陆坡折深度、大陆坡折锋面，以及大型（有方向的）海面波场都有很强的“偏好方向”。更难以捉摸的是内波、内潮、浅底地层、海洋涡旋，以及海洋的精细结构对“方向”的影响。截至目前，计算研究表明这一问题的答案非常复杂，与频率、声源/接收器的深度，以及海洋学和海底特征的细节有关。但是，有关方位与传播（如传播损失）、噪声，以及其他声场变量的数据尚不充足。
第二个“经久不衰”的问题是“在描述浅海介质时，随机性/确定性边界在哪”。目前，当有现成的海洋环境作为输入时，可以确定地计算复杂介质中某点的声传播和散射。因此，实际的难点不在于计算（尽管计算也是一个难点），而在于能否获得非常详细的海洋环境输入信息。正如以上所述，浅海中有很多对声学影响大、尺度微小的海洋现象。这些现象无法通过常规方法来测量，由于缺乏对实际的认知，只能把介质的随机特性归于声散射体和过程。但是，这些过程通常是高度结构化的，因此也需考虑对这些结构的测量，而在何处测量以及如何测量则仍待研究。
与上一问题相关并在一定程度上能为其提供解答的另一个问题是：当面对复杂的随空间和时间（对海水而言）变化的介质，而又无法简单地进行测量和建模时，如何用一个有效的介质来描述水体和（特别是）海底。这些都是富有价值的研究问题。因此，为了用简单的地声模型计算海底衰减曲线，在20 世纪70 年代引入了“海底衰减升级”（BLUG）模型。这有助于进一步认识海底衰减的基本物理特性，但在处理海底分层和物质特性上该模型仍显得过于简单。
随着计算机和海洋计算程序的进步，建立多层海底模型已成为可能，而这个模型还将把随距离变化的切变和沉积层的粗糙度包括在内。除了还需要通过大量的试验信息验证外，这些模型似乎可以解答上面所提到的问题。那么，在实际中，所面临的问题就是弄清如何建立一个与分辨率和现有测量方差相匹配的分层结构。另一个需要研究的问题是，对于特定的用户任务来说，什么样的模型才算有效。随着对匹配模型、测量、分辨率估计、用户需求等方面认识的逐步提升，相关研究已经取得了一些进步，但仍有许多有趣的工作等待完成。
■本篇选自美国海军研究局赞助出版的水声学丛书，由程广利、张亚蕾编译，版权归作者所有。
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