近日，水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室（厦门大学）刘胜兴教授团队一项最新研究成果被美国声学杂志《Journal of the Acoustical Society of America》（简称JASA）接收发表，题为“Theoretical and numerical study on transient acoustic wave propagation across ice layers in the Arctic Ocean”。
由于海面冰盖阻碍了北极海洋与大气间通过无线电进行信息交互，这给北极开发和研究带来了很大困难，因此迫切需要一种全新的通信手段。利用声波跨冰层传播可实现北极海洋与大气间高效的信息传输，但其前提是必须充分掌握声波的跨冰层传播特性。出于此背景，该研究将北极海洋建模为冰-水耦合系统，导出了冰-水耦合系统中导波频散方程，利用本征函数展开法（Eigenfunction Expansion Method, EEM）导出了声波跨冰层传播瞬态响应解析解。通过与有限元（Finite Element Method, FEM）仿真结果进行对比，验证了理论推导和数值计算程序的正确性。而后，分别从时域和频域分析了系统中跨冰层声波的传播特性。数值结果显示径向波形畸变较为严重，呈现出更为明显的频散特征，适合用于冰层声学参数反演；而轴向波形较为稳定，更适合用于跨冰层通信。该研究所获结果可为跨冰层声通信系统的设计和仿真提供重要理论支撑。
图1 北极海洋冰–水耦合系统，其中声源换能器（transducer）置于海水中，检波器（geophone）架设在冰面上
图2解析解计算（EEM）与有限元仿真（FEM）获得的跨冰层传播瞬态波形对比
图3 不同传播距离时跨冰层传播瞬态波形频域分布
图4 不同冰层时跨冰层传播瞬态波形频域分布
图5 不同激励源位置时跨冰层传播瞬态波形频域分布
该论文作者有曾启天（第一作者，厦门大学海洋与地球学院海洋物理专业在读硕士研究生）、刘胜兴（通信作者，厦门大学海洋与地球学院教授）和汤立国（厦门大学海洋与地球学院教授），上述三人均来自水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室（厦门大学），共同作者还包括李整林（中山大学海洋工程与技术学院教授）。该研究获得国家自然科学基金（U22A2012）和中国科学院声学研究所开放基金(SKLA202101、SKLA202309)的联合资助。
论文信息：
Zeng, Q., Liu, S., Tang, L., and Li, Z. (2024). “Theoretical and numerical study on transient acoustic wave propagation across ice layers in the Arctic Ocean,” J. Acoust. Soc. Am. 155(5), 3132–3143. https://doi.org/10.1121/10.0025982
