然而，仅考虑这些效应在实际应用中属于理想情况。声波在水下环境中传播时，还会出现许多其他机制，其中一些会导致信号的振幅和相位波动。本文主要讨论海洋环境，但这些效应通常也会发生在其他水下环境中。.
混响是必然会出现的一种机制。混响是指声波与介质相互作用（例如声波在表面反射或与水中悬浮颗粒碰撞）导致能量向其他方向扩散的现象。图 7 展示了不同的混响过程示例，其中引起混响的反射信号以虚线表示。.
混响可分为两种类型：体混响和面混响。体混响发生在声波传播的水体内部，主要由悬浮颗粒和海洋生物引起。生物来源的深层散射层对体混响的贡献尤为显著，因为它提供的散射强度高于其他区域[2]。由于其生物来源，深层散射层的深度会随时间变化，这取决于动物的活动，并且它对不同频率声信号的响应也取决于动物的大小，这表明它由多个子层组成。.
海面混响是由声波与附近表面和颗粒物（例如沉积物或波浪或过往船舶带起的气泡层）相互作用引起的散射造成的。在海面，散射强度取决于频率、入射角和海面不规则度，而海面不规则度又取决于海面风速[2]。如果海面还有冰层，混响会更强。在海底，散射强度也取决于海底物质：岩石海底比沙质海底产生更多的混响。海底对混响的贡献最难预测，因为声波与海底的相互作用最难确定。.
此外，水中存在的气泡会参与声波的压缩和稀疏过程，其对声信号的响应强度取决于气泡的频率和大小。在此过程中，声波能量会传递给气泡，气泡会将能量向各个方向辐射，从而产生混响，当气泡发生共振时，混响强度达到最大值[2]。.
除了上述效应之外，虽然并非混响，但值得一提的是，气泡会导致声速在穿过气泡层区域时发生变化。如果气泡尺寸小于信号频率的共振尺寸，则在声波压缩阶段气泡会被压缩，从而降低体积模量，进而降低声速；如果气泡尺寸较大，则在压缩阶段气泡会膨胀，从而增加体积模量，进而提高声速[3]。这些声速的变化会影响翼型的形状，并产生相应的后果。.
一般来说，如果发射正弦脉冲，混响信号会表现为随时间衰减的不规则音调，尽管在某些时刻可能会出现强度峰值。由于悬浮颗粒的运动、海洋生物的活动，以及来自不同方向的混响可能经历不同的多普勒频移等因素，该混响会发生频移和频谱展宽。发射功率越大，声信号发射角度范围越广，混响就越强。.
多普勒效应是另一个需要考虑的机制。考虑到水下环境的特性，在进行测量时，发射器或接收器（或两者）可能处于运动状态，例如在船上（图 8）。在这种情况下，就会发生多普勒效应，即频率偏移。如果信号可以沿不同的路径传播（多径效应），则会出现不同的多普勒频移，从而导致接收器接收到的频谱展宽。.
此外，即使仪器完全静止，由于信号传输过程中水体的运动（例如波浪引起的运动），仍可能发生多普勒展宽，因为波浪会改变反射面。另一个影响因素是内部水流，它会导致水体位移，从而影响声传播。
为了避免这种展宽的影响，信号持续时间必须符合表达式 (18) [7] 给出的关系：
1
__ >> B (18)
T
其中 T 为信号持续时间，B 为多普勒频移。多普勒频移随频率增加而增大，因此在短距离（一公里或更短）传输中尤为重要，此时可使用数十千赫兹的频率 [4]。
多普勒频移与多径延迟同样重要，多径延迟是由于表面反射和光线折射至最低声速而产生的；因此，发射机和接收机的布置至关重要。多径延迟是指第一个信号到达的时间与从最长路径到达的信号到达的时间之差。
沿距离轴传播会因多径传播而导致显著的时间展宽，从而产生符号间干扰 (ISI) 效应。例如，在 1 至 10 公里的浅水信道上，以 10 ksps（千符号/秒）的传输速率传输时，会产生 10 毫秒的多径延迟，导致 ISI 扩展至 100 个符号 [4]。为了避免接收端受到这些多径信号的影响，必须满足公式 (19) [7] 给出的关系：
1
__ >> tL (19)
W
其中 W 为带宽，tL 为多径延迟。所有系统的目标都是使 B·tL 的乘积小于 1；否则，系统被称为过扩展，除非对声信号进行预处理，否则信道无法正确使用。
除了这些影响之外，还必须考虑水下环境的动态性；也就是说，存在各种过程会导致环境变化。这些过程通常根据其空间范围分为大尺度现象（大于 100 公里）、中尺度现象（介于 100 米和 100 公里之间）和小尺度现象（小于 100 米）[19]。
大尺度现象包括水深数百米内的风力驱动环流和温盐环流，后者是由水温和盐度变化引起的密度变化所致。
中尺度现象包括海洋锋面、涡旋和内波。海洋锋面是分隔不同特征（尤其是温度和盐度）水团的过渡带。涡旋是由以圆形模式流动并自身闭合的水团组成，因此可以被视为海洋锋面的一种特殊情况，因为它们展现出与周围环境截然不同的特征。另一方面，内波是沿不同密度流体层之间的界面传播的波，或者在同一流体内部传播的波，但该流体内部存在密度梯度。
最后，在小尺度现象中，温盐阶梯尤为突出。它通常出现在主温跃层中，由几米深的、温度和盐度均匀的区域组成，这些区域被其他温度和盐度存在明显梯度的区域分隔开来。这种现象在淡水和海水混合的区域更为常见。
另一个需要考虑的机制是声速色散（与散射不同）。色散是指信号中不同频率分量的传播速度不同。由于色散通常不存在，文献中的半经验公式并未考虑这种依赖性；然而，在某些情况下，例如穿过气泡层[21]或取决于信道形状（几何色散）[22]时，色散可能会出现。如果声信号经过编码，色散效应可能非常显著，因为信号到达接收器时可能无法识别。.
最后要考虑的机制是环境噪声，即即使所有已知噪声源都被消除后仍然能够接收到的信号。这种环境噪声通常被听作低频嗡嗡声，频率一般在赫兹量级。
在开阔的海洋中，由于可以考虑深水传播，环境噪声的来源有多种：波浪、潮汐和湍流会引起水听器记录到的压力变化；波浪在海面破碎以及水中气泡破碎；地震活动；船舶的存在；以及所谓的分子热噪声。几乎所有这些噪声源的频率都很低，通常低于 100–500 Hz，只有波浪和气泡破碎的频率可达 30 kHz，热噪声的频率可达 100 kHz [2]。
浅水区的环境噪声源虽然也存在，但其空间和时间上的变化更大。这些噪声源包括渔业和工业噪声、风噪声以及来自海洋生物（例如甲壳类动物）的生物噪声。与之前的情况类似，浅水区的环境噪声通常对低频噪声的影响更大。.
还有两种噪声源。一种是深水和浅水区共有的，是由雨滴撞击海面产生的噪声。这种噪声的频率可达 10 kHz [2]。另一种噪声源则特有于极地地区，由于冰盖覆盖，捕鱼和风的影响较小，但冰层破碎会产生显著的噪声，频率可达 1 kHz [19]。.
模拟。
下文展示了使用射线追踪法（文献中最常用的方法）进行的几项模拟。区分了三种基本情况：浅水通道、表层通道和深水声学通道。所有情况下，均考虑密度为 1024 kg·m⁻³ 的水柱，其底部为密度为 1941 kg·m⁻³ 的细沙。底部（如同海面一样）完全光滑，因此未考虑横波的存在。由于假设表面完全光滑，因此所有传输损耗计算均考虑了不同射线的相位（相干计算），信号与这些表面的相互作用不存在不确定性。
浅水环境模拟：
首先展示了浅水环境中的声传播，其特点是水底与水面之间发生多次反射。在本例中，水底位于100米深处，假设在距离位于10米深处的发射源2公里处，每隔5米布置一个接收器网络。
图9给出了声速剖面图，图中显示声速在水中恒定为1500米/秒，在细沙中恒定为1749米/秒。
这些光线以±10º的角度发射，频率为30 kHz。图10显示了这些光线到达接收器的路径，为了便于观察，图中选取了21条光线。该图表明，有些光线无需反射即可到达接收器网络，而另一些光线则会从背景或表面反射，或者多次从两者反射。.
图 11 显示了传输损耗随距离和深度的变化。为了计算这些损耗，算法可以选择它认为合适的射线数量（远大于 21 条射线）。该图表明，信号会根据该区域内会聚信号的相位发生相消干涉，从而导致在靠近发射器的距离处传输损耗显著降低。
图 12 显示了在 2 公里距离处（接收器所在位置），传输损耗和相位随深度的变化。所获得的传输损耗值与 2 公里距离处的几何发散以及吸收贡献的预期值相符，对于 30 kHz 的频率，吸收贡献约为 8 dB·km⁻¹。由于与海面的相互作用以及不同射线之间的干涉，相位也会出现多次波动。
图 13 显示了到达接收器的不同射线，即多径效应。例如，对于位于 5 米处的接收器，检测到第一条射线，其传播时间约为 1.334 秒（与所考虑的距离和声速一致），然后检测到五条非常接近的射线，传播时间约为 1.34 秒，最后检测到另一条射线，其传播时间约为 1.357 秒。
水面通道模拟。
接下来介绍水面通道中声传播的模拟。图 14 显示了声速剖面，水面声速为 1485 m/s，并逐渐增加至 100 m 深度。从该深度开始，声速恒定为 1500 m/s。接收器网络位于距离发射器 2 km 处，发射器位于 50 m 深度，假设每隔 5 m 设置一个接收器。发射频率为 20 kHz，声波以 ±10° 的角度射出，水底深度为 500 m。
图 15 显示了该通道中射线的传播路径，与之前的情况一样，出于相同原因选择了 21 条射线。该图展示了射线向海面弯曲的情况，海面处的声速最低。在这种情况下，接收器距离处的射线与海底没有相互作用；只有海面的反射。
图 16 显示了传输损耗随距离和深度的变化。与浅水情况类似，该图显示了由不同相位射线相互作用形成的干涉图样。在接收器距离处，深度约为 50 米处出现了一个区域，该区域的损耗明显低于周围区域。这是由于射线在该区域集中造成的，如图 15 所示。
图 17 显示了接收器处传输损耗和相位随深度的变化，图中也显示了传输损耗的最小值，突显了该深度处损耗值的明显差异。图 18 展示了该案例中的多径效应，总体而言，除位于 50 米深处的接收器外，每个接收器的探测次数均少于浅水区域。这是因为表面间的反射较少，因此多径效应也较短。
深海声学通道模拟
最后展示的模拟是深海声学通道的模拟。图 19 显示了该案例所考虑的剖面，其中速度从水面到前 100 米保持恒定值 1510 米/秒，然后在位于 1 公里处的声轴处下降到 1485 米/秒；之后速度线性增加，直至在 4 公里深度处再次达到 1510 米/秒。接收器位于 50 公里外，假设每隔 5 米设置一个，与之前的案例相同；发射器位于声轴上。本案例中使用 500 赫兹的频率，以尽可能地模拟实际场景，因为在 30 千赫兹频率下，接收器的损耗将达到约 500 分贝（主要由吸收引起），这使得该频率在实际距离上无法实现有效传输。射线发射范围为 ±10°。
图 20 显示了不同距离和深度下的传输损耗。可以看出，由于声轴附近区域的光线折射并聚集，导致该区域的传输损耗低于其他区域。图 21 显示了接收器处损耗和相位随深度的变化。该图还显示了在声轴深度处获得的最小损耗。.
结论：
本文回顾了水下声传播的基本原理，重点阐述了理解声速分布对于信号在不同通道中传播的重要性。文中探讨了不同通道中声速、吸收和损耗的最重要理论方程，并定性地介绍了可能影响水下声传播的各种因素。此外，还展示了针对三个最重要通道进行的若干仿真结果。
致谢：
这项工作得以完成，要感谢 GCM 通信技术的支持。模拟是使用 Matlab 声学工具箱进行的，该工具箱可从海洋科学与技术中心（澳大利亚科廷科技大学）的网站上获取 [23]。
作者：
华金·阿帕里西奥、恩里克·加西亚；安娜·希门尼斯；费尔南多·阿尔瓦雷斯†； Jesús Ureña
阿尔卡拉大学电子系
†埃斯特雷马杜拉大学电气、电子和自动工程系
参考文献[1] Lawrence E. Kinsler、Austin R. Frey、Alan B. Coppens 和 James V. Sanders， 《声学基础》，John Wiley & Sons 出版社，第 4 版，2000 年。 [2] Robert J. Urick，《水下声学原理》，Peninsula Publishing 出版社，第 3 版，1983 年。 [3] TG Leighton，《水下声学基础》一章，第 373-443 页，载于 Frank Fahy 和 John Walker 主编的《噪声与振动基础》， Taylor and Francis 出版社，第 1 版，1998 年。 [4] Milica Stojanovic，《水下声学通信》，载于John G. Proakis 主编的《Wiley 电信百科全书》， Wiley出版社，第 1998 年。 John Wiley & Sons，第一版，2003 年。 [5] Chauncey S. Miller 和 Carl E. Bohman，“高速率水下遥测实验”，载于 OCEAN 84，第 34-48 页，1972 年。 [6] Azizul H. Quazi 和 William L. Konrad，“水下声学通信”，载于IEEE Communications Magazine，第 20 卷，第 2 期，第 24-30 页，1982 年。[7] Arthur B. Baggeroer，“声学遥测——概述”，载于 IEEE Journal of Oceanic Engineering，第 14 卷，第 1 期，第 1-10 页，1982 年。 [8] M. Suzuki、T. Sasaki 和 T. Tsuchiya，“深海研究潜水器数字声学图像传输系统”，载于 OCEANS'92 会议论文集，第 567-570 页，1992年。 [9] R. Galvin 和 RFW Coates，“水下声学通信系统性能分析及与随机模型的比较”，载于 OCEANS'94 会议论文集，第 478-482 页，1994 年。[10] Milica Stojanovic，“高速水下声学通信的最新进展”，载于 IEEE 海洋工程杂志，第 9 卷，第 4 期，第229-235 页，1984 年。 125-136，1996。 [11] EM Sozer、JG Proakis、M. Stojanovic、JA Rice、A. Benson 和 M. Hatch， “基于直接序列扩频的水下声学通信和信道测量调制解调器”，载于 MTS/IEEE OCEANS'99 会议论文集，第 228-233 页，1999。 [12] Daniel Kilfoyle，“水下声学信道中的空间调制”。由贝尔沃堡国防技术信息中心编辑。页面由麻省理工学院管理，网址为： http://www.ll.mit.edu/asap/asap_04/DAY2/36_PA_KILFOYLE.PDF [13] Ian F. Akyildiz、Dario Pompili 和 Tommaso Melodia，“水下声学传感器网络：研究挑战”，载于 Ad Hoc Networks，第 1 卷。 [14] Milica Stojanovic，“用于水下声学通信的 OFDM：自适应同步和稀疏信道估计”，载于2008 年 IEEE 国际声学、语音和信号处理会议 (ICASSP)，第 5288-5291 页，2008 年。 [ 15] Subhadeep Roy、Tolga M. Duman、Vincent McDonald 和 John G. Proakis，“使用多个发射器和空时编码的水下声学信道高速通信：接收器结构和实验结果”，载于 IEEE 海洋工程杂志，第 663-688 卷，2007 年。 [16] “技术指南：海水中的声速”，由通信技术管理的页面。 [17] Milica Stojanovic，“水下声学通信信道容量与距离的关系”，载于第一届ACM水下网络国际研讨会（WUWNeT'06）/ MobiCom 2006论文集。可访问： http : //www.mit.edu/~millitsa/resources/pdfs/wuw37-stojanovic.pdf [18] Mari Carmen Domingo，“水下无线通信网络信道模型概述”，载于《物理通信》，第163-182卷，2008年。[19] Paul C. Etter，“水下声学建模与仿真”，编者： Taylor and Francis，第3版，2003年。 [20] M. Schulkin 和 JA Mercer，“Colossus 再探： Marsh-Schulkin 浅水传输损耗模型的回顾与扩展”，华盛顿大学应用物理实验室，APL-UW 8508，1985年。 [21] Herman Medwin 和 Clarence S. Clay，“声学海洋学基础”，学术出版社，第1版，1998年。 [22] IB Esipov、OE Popov、VA Voronin 和 SP Tarasov，“浅水中参数阵列信号的色散”，载《声学物理学》，第76-80页，2009年。 [23] 科廷科技大学海洋科学与技术中心，网页由科廷科技大学管理，网址：http://cmst.curtin.edu.au。
