海底沉积物作为水下声场的重要边界，其中低频声学参数对浅海复杂环境下声波传播规律和声场结构具有重要影响，在海洋地球物理探测，海洋声场测量与预报、海底埋藏物声学探测、水声通讯等领域均具有重要应用价值。

    本文选取胶州湾平坦潮滩作为大尺度中低频实验场地，利用国家海洋局第一海洋研究所的中低频测量设备、中高频原位测量系统对胶州湾海底浅表层沉积物进行原位声速测量，利用信号发生器、示波器等声学设备对胶州湾海底浅表层柱状沉积物样品进行室内声速测量，利用弯曲元剪切波测量设备对黄海海底柱状沉积物样品进行剪切波速测量，并测定了细粒沉积物（胶州湾柱状沉积物样品和黄海柱状沉积物样品）的孔隙度、密度、粒径等物理力学参数。

    将实验得到的沉积物声速与频率的相关关系进行分析，结果表明：频率越高，沉积物声速越大。频率小于1 kHz时，声速变化范围较小（声速增幅为3.2 %）；频率介于1~20 kHz之间时，声速变化范围较大（声速增幅为7.0 %）；频率大于20 kHz时，声速变化范围较小且趋于定值（声速增幅为3.0 %）。实测数据与指数拟合曲线符合度最好，其次是对数拟合曲线。

    结合Biot理论和Buckingham理论，对实测数据与理论模型的相关性进行分析，结果表明：频率小于20 kHz时，实测数据与Biot模型频散变化趋势一致，但实测声速值低于Biot模型预测值；频率大于20 kHz时，实测数据与Buckingham的GS模型符合度较好。

    结合物理力学参数，分析了剪切波实测数据与GS模型的相关性，结果表明：海底沉积物剪切波速度、孔隙度、平均粒径与GS模型预测趋势较为一致；海底沉积物埋藏深度对剪切波速影响较大，而测量频率（1~5 kHz）对剪切波速影响较小。

    本文对胶州湾海底沉积物进行了中低频（300 Hz~34 kHz）原位声学测量和中高频（25~250 kHz）实验室声学测量，对黄海海底沉积物柱状样品进行了剪切波速（1~5 kHz）测量。分析了细粒沉积物声速与物理性质的相关性，结合声传播理论，阐述了声波与频率的依赖关系。该研究对丰富海底声学理论，促进海底沉积物中低频声学参数及频散特征的深入研究具有一定的借鉴意义。

目录

摘 要... I

Abstract III

第1章 绪论... 1

1.1 选题背景及研究意义... 1

1.2 国内外研究现状... 3

1.2.1 海底沉积物声学特性研究现状与发展动态... 3

1.2.2 海底沉积物剪切波声学特性研究现状... 5

1.2.3 海底沉积物声波频散特性研究现状与发展动态... 6

1.2.4 声传播理论研究现状... 9

1.3 存在的问题... 10

1.4 本文的主要内容及创新点... 10

1.5 论文工作量统计... 11

第2章 实验设备... 12

2.1 中低频大尺度现场声学测量系统... 12

2.2.1 室内控制单元... 12

2.1.2 声学发射单元... 13

2.1.3 声学接收单元... 15

2.1.4 多通道自容式数据采集系统... 17

2.1.5 单通道自容式数据采集系统... 18

2.1.6 实时监控单元... 18

2.2 中高频实验室声学测量系统... 19

2.3 实验室剪切波柱状样品测量系统... 21

第3章 野外实验及数据处理... 24

3.1 野外实验... 24

3.1.1 系统技术路线及工作流程... 24

3.1.2 声源与接收阵列的布设... 26

3.1.3 探杆间距精确测量... 26

3.2 声波实验数据处理... 27

3.2.1 胶州湾低频声信号数据提取... 27

3.2.2 物理性质测试... 30

3.2.3 声学性质... 32

3.3 剪切波实验数据处理... 33

3.3.1 物理性质测试... 33

3.3.2 声学性质测试... 34

第4章 海洋沉积物声传播模型研究... 36

4.1 流体理论... 36

4.2 弹性理论... 37

4.2.1 Gassmann方程... 37

4.2.2 Buckingham理论... 38

4.3 多孔介质弹性理论... 39

4.3.1 Biot模型... 39

4.3.2 EDFM模型... 40

4.4 本文模型输入参数取值... 40

4.4.1 Biot模型输入参数取值... 40

4.4.2 GS模型输入参数取值... 41

第5章 沉积物声学性质与物理性质相关关系... 45

5.1 沉积物中低频声速与物理性质相关关系... 45

5.1.1 不同频率声速与密度相关关系... 45

5.1.2 不同频率声速与孔隙度相关关系... 46

5.1.3 不同频率声速与平均粒径相关关系... 47

5.1.4 不同频率声速与含水量相关关系... 49

5.2 剪切波声学参数与物理性质相关关系... 50

5.2.1 黄海海底沉积物纵横波速比与沉积物类型的相关性... 50

5.2.2 黄海沉积物剪切波速度与孔隙度相关性... 52

5.2.3 黄海沉积物剪切波速度与平均粒径相关关系... 53

第6章 频散特征分析... 56

6.1 实测声速与频率的相关性... 56

6.1.1 中低频声速与频率相关关系及拟合曲线... 57

6.1.2 所有频率声速与频率相关关系及拟合曲线... 59

6.1.3 声速与频率相关关系与预测模型对比... 63

6.2 实测剪切波速度与频率的相关性... 66

第7章 结论... 68

参考文献... 69

致谢... 74

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果... 75