3.2南沙海区海底浅表层介质声学特性*
3.2.1海底浅表层介质声速和声速比
海底浅表层介质是水声传播的下界面而引起军事海洋学和水声学的高度重视。无论是水声传播试验、声呐作用距离预报计算或是把海底作为一个“声道”看待，都需要深入了解海区海底浅表层介质(沉积物)的声速Cp及其与上覆海水声速Co的关系。因此，沉积物声速Cp是一项基本的海底声学物理参数。
118个取样站位(图1和表1.1，表1.2)的数据来自中国科学院南沙综合科学考察队1993年—1999年7个科学考察航次。
对沉积物进行声学测量的仪器是SYC-2型声波参数测定仪。换能器频率100kHz。
118个沉积物样品的声速Cp变化范围在1282—1742m/s之间，具体数据见表2.1和表2.2，等值线平面分布如图2。海底上覆海水(底层海水)声速Co是根据CTD数据，用国家标准公式计算得出，Co变化范围在1482—1540m/s之间。Co与Cp的比值，称为声速比r，若以r=1为界，可将南沙群岛海底划分出两类海底，即r>1的高声速海底和r<1的低声速海底。在高声速海底中，Cp的变化范围为1444—1742m/s，r的变化范围为1.001—1.142。在低声速海底中，Cp的变化范围为1282—1490m/s，r的变化范围为0.863—0.999。在小掠角时，高声速海底具有较好的反射性能，而低声速海底则较差。对于水声传播和水声设备作用距离预报计算来说，低声速海底是不理想的下界面，高声速海底是理想的下界面。从图3看出，南沙群岛高声速海底是不连贯的，呈斑状分布，主要分布在大陆架和大陆坡岛礁区附近。低声速海底则是连贯的，广泛分布在大陆坡和北部的深海平原区。
3.2.2海底的反射系数和声阻抗
假如在船舰或海底上安置水声设备，水声工程专家迫切需要了解的是海水和海底的吸收、反射和散射(或透射)所引起的声能量损失的正确估算。反射所引起的声能量损失估算将要首先确定海底反射系数R。海底反射系数取决于海底沉积物的密度ρ，声速Cp以及吸收系数α，对于均匀液态海底可以得到瑞利反射系数R：
(1)
式中(φ)为掠射角，m=沉积物密度ρ/海水密度ρo，r=声速比(Co/Cp)。对于高声速海底(r>1)，有全内反射，而低声速海底(r<1)，则无全内反射，但有一个透射角。因此，在小掠角时，高声速海底具有较好的反射性能。用式(1)计算了南沙群岛海底两个典型站位的反射系数R。图4中两条曲线是这两个站反射系数R与掠射角的关系，计算中海水声速Co为1484m/s，海水密度ρo为1.03g/cm3，其中低声速站位的沉积物声速Cp为1390m/s；高声速站位的沉积物声速Cp为1740m/s。图中曲线显示，当高声速海底的掠射角φ=31°时，反射系数R仍为1；而低声速海底的掠射角φ=5°时，反射系数R已降至为0.5。由此可见，高声速海底，掠射角范围越大，越具有良好的反射特性。图5是南沙群岛海底反射系数R等值线平面分布。R与沉积物声速Cp分布相似，靠近大陆架和大陆坡岛礁区附近的海底反射系数R具有较高的值，正好表明高声速海底具有较佳的反射性能，具体数据可见表3.1和表3.2。
当声波垂直入射海底时，式(1)可以变成如下的形式：
(2)
式中：Z1=Cp·ρ(即沉积物声速乘以沉积物密度，亦即为沉积物声阻抗)。Z0=Co·ρo(即海水声阻抗)。由式(2)可知，高声速高密度的大陆架海底沉积物具有较高的声阻抗特性。从声阻抗数据计算海底反射系数更为方便，图6是南沙群岛海底声阻抗Z等值线平面分布。具体数据见表4.1和表4.2。根据118个站位的数据，绘制成图7，声阻抗与反射系数的关系正如图上所表示的一条向上弯曲的曲线所表示。除少数点之外，绝大部分的点都落在这条曲线上。特别是在低声阻抗时，曲线的曲率很小，它们二者的关系几乎可以用一条斜率为3.75的直线近似表示。
3.2.3海底损失
若把南沙群岛海底视为均匀的界面，海底损失BL的估算值可以用下式表示：
BL=-20lg[(ρCp-ρoCo)/ （ρCp+ρoCo）]
(3)
高孔隙度沉积物海底损失相应增大，这是由于声信号经过高含水量、高孔隙度沉积物时声能量衰减增加所致，一部分声能在传播时被充填在沉积物中的流体所吸收。图8是南沙群岛海底损失BL等值线平面分布，与反射系数R形成相反，靠近大陆架和礼乐滩岛礁区的海底沉积物的海底损失较小。具体数据见表5.1和表5.2。图9是海底损失BL与沉积物孔隙度n的关系。很明显，它们两者之间存在着依赖关系，除少数点之外，所有的点与曲线偏离不超过2db。
3.2.4几点结论
(1)南沙群岛海底沉积物存在着高低声速的区域分布。
(2)海底反射系数的计算取决于沉积物声速，而高声速海底具有较好的反射特性。
(3)声阻抗与反射系数，海底损失与沉积物孔隙度之间存在着依赖关系。
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