物理海洋篇|海洋声音如何传输？

海洋声音

人类一直在想方设法地了解神秘海洋中的各种信息。当人们知道声波可以较好地作为水下信息的载体以后，各种用途的水下声学系统相继诞生。如何让这些系统更有效地工作，使声学系统性能的提高与声信号有效的传播和信噪比的改善联系起来，这一切导致了水声工程学科的诞生。水声科学与水声技术是国家实施海洋战略和建立先进水下体系的重要研究领域。自第二次世界大战以来，特别是随着近代科学技术的进步，在世界范围内水声科学都取得了迅速发展。

两洋一海声速分布▲   

一、什么是声波、声速和声场

声波是一种机械振动状态在介质中传播的现象，它可以在一切弹性介质中传播，其传播与介质本身的性质有关。介质弹性力的作用使得发射器附近的介质由近及远依次振动。介质具有质量，因而有惯性，惯性的作用使得介质的振动依次落后一定时间。通过介质的弹性和惯性作用，介质中相应局部的振动状态或形变就传到另一处去，这就是声波的传播过程。当振动在流体中传播时，形成介质的压缩和伸张交替运动，声波表现为压缩波的形式传播，即纵波。固体中由于有切应力，所以还有横波的传播形式。介质中振动的传播过程会有时间滞后，即声波在介质中传播有一定速度，称之为声波的传播速度，简称声速。在介质中，声波所涉及的区域统称为声场。

位置点声速剖面▲

二、为什么需要声场可视化

水声环境不同于陆地地形，它是由声传播模型计算所得。由于受到海洋环境变化的影响具有很强的时空易变性和不直观性，现有水声环境分析技术很难满足有效利用环境信息的需要。因此，研究水下声传播规律，建立准确、实时、高效的水下声场仿真预报模型，并对水下三维声场环境进行可视化表达，将有利于对抽象、复杂、感官无法直接感知的水声环境进行直观分析、理解和规律挖掘，从而为水声环境的应用提供技术支撑。

固定经度声速剖面▲

三、影响声传播的因素有哪些

声波在海水中的传播主要受到海水声速、海面以及海底等参数的影响。不同海区由于海洋环境的不同，导致声传播损失具有明显的空间结构差异，因此针对不同海区特点，特别是典型深海环境和浅海环境特点，建立适应性强、计算精度高、解算速度快的声传播模型是水声环境应用的重要研究内容之一。

声音能量传播损失▲

我国沿海及大陆架海域，由于海区较浅，海水声速剖面受到太阳、风浪、潮汐等诸多因素的影响，比深海具有更大的变动性。但平均而言，仍然具有比较明显的季节性特征，浅海冬季的典型声速剖面是等温层，而在夏季则变为负跃层。深海环境的声速剖面通常可分为海表声学层(混合层)、季节性跃变层、主跃变层以及深海等温层等几大部分。而整个声速剖面类型属于声道型声速剖面，其最显著的水声传播特点就是由于深海声道的存在，导致声波在远距离上产生能量会聚形成会聚区，此时声纳作用距离可能增加至几十海里，甚至100余海里。因此在该海区，探测能力与浅海环境相比，有较大变化。

多维声音传播损失体渲染▲

四、华录海图的三维声场可视化

数字海洋产品利用基于硬件加速的三维纹理直接体可视化方法，对水下三维声场进行可视化。

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纹理生成

三维数据场本身作为三维纹理图，装入纹理内存。体数据的中心与物体空间的坐标原点重合，其边界分别平行于物体空间的三根坐标轴。

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三线性插值一重采样

在纹理空间内定义一系列采样多边形，这些多边形彼此平行与视线方向垂直。由于多边形的间隔及其采样密度与原始数据不同，因此必须通过硬件的三线性插值即重采样才能获得这一系列平行多边形平面上各采样点的数值。

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图像合成

首先将采样多边形上各采样点的数值按照给定的传递函数转换为相应的颜色值和不透明度值，然后再根据适当的混合函数利用硬件的混合功能按照从后向前的顺序进行合成，投影于视平面而形成最后的图像。

水下声场是由传播模型计算所得，而且受到复杂海洋环境变化的影响，具有很强的时空易变性和不直观性。可视化技术有助于提高对水声环境效应的理解、分析、研究及其应用。根据不同海域的水声环境特点建立水下声传播仿真模型，可有效提高水声传播模型的适应性、针对性以及水声环境的仿真速度。在此基础上对水声环境效应进行三维可视化表达，不仅为发现和理解环境规律提供了有力工具，同时极大地拓展了环境信息源。