0 引言

海底沉积物的声学特性通常指穿过海底沉积物的声波传播速度和能量衰减特性，及其随声波频率、介质物理性质的变化规律(Jackson and Richardson, 2007；Jackson and Richardson, 2014).声波在海底沉积物中的传播受到沉积物的结构和组成等性质的影响，当环境因素和物理性质(温度、压力、密度和孔隙度等)发生了较大的改变时，沉积物声速、声衰减等性质也会产生大的变化.作为海洋声场的下边界，海底沉积物的密度、声速和声衰减系数等声学特性参数，是海底地球物理场的关键参数(胡高伟等，2012)，也是水下声传播的重要边界参数(李整林等，2000).深入研究海底沉积物的声学特性，可以为浅地层结构精细解释提供必要的基础信息，为水声传播研究提供准确的地声参数，在声场预报、海底探测等领域具有广泛的应用前景(陈瀚等，2019).目前，获取海底沉积物声学特性参数的手段主要包括直接测量、经验方程预报(邹大鹏，2018)、理论模型预测(于盛齐等，2014)和地声反演(李凡等，2014)等.其中，直接测量方法一直是获取海底沉积物声学特性的有效手段.

为了准确获取海底沉积物的声学特性，许多研究开展了包括实验室环境和海底原位在内的、测量频率范围广泛的、测量方法和系统多样的海底沉积物声学特性测量试验.最具代表性的是在墨西哥湾东北部开展的SAX99试验(Williams et al., 2002).随着海底沉积物声学特性研究的深入，呈现出一系列具有各自技术特点的沉积物声学测量技术，主要包括海底原位测量技术和取样测量技术(侯正瑜等，2015).由于方法简单且可重复测量，取样测量是沉积物声学特性测量的常用手段.然而，取样过程中压力和温度等环境因素会发生变化，沉积物的结构也会受到扰动，尤其是深海软质沉积物，导致测量结果与真实值具有较大的偏差，由环境因素产生的声速变化通常利用温压校正模型进行校正(邹大鹏等，2012).自20世纪90年代始，国际上已研发了多种海底沉积物声学原位测量技术，主要包括美国海军研究局研制的沉积物声学现场测量系统ISSAMS(Griffin et al., 1996)，夏威夷大学研制的声学长矛Acoustic Lance(Gorgas et al., 2002)、德克萨斯州立大学奥斯汀分校ARL实验室研发的底质取样同步声学测量系统ACS(Ballard and Lee, 2016)和华盛顿大学研制的SAMS系统(Yang and Tang, 2017).国内也相继研发了多种声学原位测量技术，主要包括自然资源部第二海洋研究所研制的多频海底声学原位测试系统MFISGAMS(李红星，2008)，中国科学院海洋研究所研制的海底沉积物声学性质原位测量系统DISAMS(郭常升等，2007；王景强等，2013)，自然资源部第一海洋研究所研制的基于液压驱动贯入的海底沉积物声学原位测量系统HSISAMS(阚光明等，2010)，便携式海底沉积物声学原位测量系统(阚光明等，2012)等.目前现有技术大多针对浅海海域，设备的耐压和水密性能以及换能器的耐压性能等有待改进，尚不能适用于深水区开展海底声学原位测量，这限制了深海海底声学特性的深入研究.

近几年，自然资源部第一海洋研究所对海底声学原位测量系统进行技术优化和产品化，采用外支撑机构与驱动贯入机构分离式设计，兼顾坐底稳定性与坐底判断功能，提升了设备整体的水密耐压性能，成功研制出压载式海底沉积物声学原位测量系统BISAMS，并在南海和东海海域进行了示范性应用(Wang et al., 2018；Li et al., 2019).本研究利用该系统于2018年冬季在西太平洋深水区(大于5000 m)开展了海底声学原位测量试验，目的是检验深海型声学原位测量技术的性能，并结合温压校正模型和声速频散模型，分析原位测量与取样测量的结果之间的差异性.

1 原位测量系统 1.1 系统原理

本研究在西太平洋开展了4个站位的原位测量试验，采用了压载式声学原位测量系统(BISAMS，图 1)，系统工作原理如下(Wang et al., 2018)：系统坐底后，活动压盘在自身重量带动下顺势向下运动，依靠其自重(空气中重量为1100 kg，水中重量为1000 kg)和快速着底的冲击力将四个换能器探杆和小型柱状取样器贯入沉积物中.该系统轻便、易操作、对调查船起吊条件要求低，配装的小型取样器可同时采集柱状沉积物样品，还可搭载小型SVP或CTD以同步采集海水声速剖面.该系统具备声学发射采集子系统、姿态监控子系统、控制和数据传输子系统等三部分，兼具自容和在线两种工作模式，可以自容式记录声学数据和姿态状态数据，也可在线监测系统在水中和海底的姿态、传感器状态、贯入深度等，通过同轴缆将数据实时上传回甲板控制单元.

该系统包括四个声学换能器探杆，采用1发3收的工作方式，四根探杆呈矩形排布.声学换能器的频带为20~35 kHz，中心频率约为28 kHz，并可扩展至120 kHz.换能器采用充油耐压设计，能够在最深6000 m的海域测量沉积物的声速和声衰减系数，探杆最大贯入深度0.8 m.表 1列出了该系统的详细技术指标.短柱状取样器安装在压载贯入式沉积物声学特性原位测量系统的活动压盘上，与声学换能器探杆同步贯入沉积物中，待活动压盘提升时沉积物被取样器下端的花瓣封口保存于取样管内，随设备被采集至科考船甲板.搭载式取样器的功能在于进行沉积物声学特性原位测量的同时，采集同一位置的沉积物柱状样品，以用于后期实验室声学测试和物理性质测试.

本次原位试验采用自容测量模式，由触底传感器判断设备触底状态，发布命令控制声学系统在海底70 s内重复工作2次，每次工作激发和接收12组声波信号，用以叠加降噪.当设备离底后，触底传感器判断设备离底状态，发布命令控制声学系统在底层海水中工作1次.在接收到触底传感器命令后，声学发射电路激发发射换能器产生声波信号，信号主频为30 kHz，单次激发的信号波形具备5个正弦波周期，发射电压30 V；声波信号穿过沉积物后分别被3个接收换能器所接收，存储于采集电路，采样率为10 MHz.图 2分别显示了本次试验在海底沉积物和底层海水中采集的一组声波数据，分别包括三道声波信号，采集自三个不同接收距离的换能器.从这些波形可以看到，随着接收距离的增大，声波走时近似线性增加，且声波幅值逐渐变弱.采用相同的发射和接收参数，对应通道的水中信号明显强于沉积物中的声波信号，这表明穿过沉积物的声波具有能量衰减现象.

1.2 数据处理

海底沉积物声速计算需要声波传播时间和传播距离，而通过直接测量或读取方法难以得到精确的时间和距离参数，利用单一距离和时间计算的声速值具有较大的误差.目前通常采用差距法原理(Buckingham and Richardson, 2002)，利用不同接收位置的距离差和传播时间差计算声速，利用不同接收位置的信号幅值和距离差计算声衰减系数，其中海底沉积物声速计算公式为

(1)

式中，V_p为沉积物的声速，单位m·s^-1；V_w为底层海水的声速，采用SVP海水声速剖面仪测量确定，单位m·s^-1；d为发射换能器与不同接收换能器的间距差，单位m；t_p为声波在沉积物中到达3个不同接收换能器的时间差，t_w为声波在海水中到达3个不同接收换能器的时间差，单位s，时间差t_p和t_w采用峰-峰值差法或互相关法计算，本文采用互相关法计算信号的走时差.

海底沉积物的声衰减系数计算公式为

(2)

式中，α_p为沉积物声衰减系数，单位为dB·m^-1；l为发射换能器到接收换能器的距离，单位为m；发射换能器到3个接收换能器探杆的设计间距l分别是AB=0.6 m，AD=0.8 m，AC=1 m；A_p和A_w分别为同一通道采集的沉积物与海水中信号的振幅峰值.

声速和声衰减系数的精度与换能器收发间距的测量精度有关，BISAMS系统设计了六脚外框架来承载设备重量和触底碰撞，避免运输和装配过程中对4个换能器探杆造成挤压或碰撞，从而保持探杆间距与原设计尺寸一致.为了对探杆间距进行精确校准，首先利用SVP声速剖面仪同步测量了海水的声速，利用该水声速与原位系统采集的信号时差，可计算得到换能器收发间距差.将SVP声速剖面仪测量的海水声速作为基准声速，根据系统测量的声时差反演计算安装有换能器的4支探杆的间距差，计算公式为

(3)

(4)

(5)

式中，AB，AC，AD分别为发射到接收换能器R1、R2、R3的距离，V_w为SVP声速剖面仪测量的海水声速.t_w1=t_wAD－t_wAB，t_w2=t_wAC－t_wAD，t_w3=t_wAC－t_wAB，其中t_wAB，t_wAC和t_wAD分别是海水中声波到达接收换能器R1、R2、R3的时间.

2 实验室测试与数据处理 2.1 声学测试

声波信号发射采集系统主要包括数字信号发生器、功率放大器、WSD-3数字声波仪、发射和接收换能器、柱状样品声学测试平台等.信号发生器和功率放大器用以驱动发射换能器激发声波信号，声波信号穿过沉积物样品后到达接收换能器，WSD-3声波仪用来采集和存储声波信号.声学测试平台的样品长度测量精度为0.1 mm，声波仪采样率为10 MHz，采样点数为4096个点.换能器的设计中心频率分别为50 kHz，100 kHz，200 kHz.在实验室采用轴向测试方法，首先将样品分割成约30 cm长度的样品段，放置在声学测试平台上进行测试，发射换能器T和接收换能器R分别放置在柱状样品两端，基于走时法(TOF)测量获取声波在样品中的传播时间，并结合样品长度计算声速.然后将柱状样品切割成两段，基于同轴差距衰减测量法(Hou et al., 2015)，测量样品全长状态和分段状态的声波传播能量差(用声压表示)及传播路径长度差计算声衰减系数.沉积物声速和声衰减系数计算公式如下：

(6)

(7)

式中，α为声衰减系数，单位dB·m^-1；L为柱状样品长度，单位mm；t为声信号初至时间，单位μs；t₀为换能器零声时修正值，单位μs.L₁、L₂分别为两段沉积物的长度，单位mm；E₁、E₂、E_w1和E_w2分别为穿过不同长度沉积物和水的声信号幅值，单位V.利用有机玻璃棒进行的标定结果显示，声速测量精确度均小于±0.1%.

2.2 实验室声速校正

在实验室测量声速时，沉积物孔隙水对温度和压力的变化敏感性较强，其声速值易受到影响，进而改变沉积物的声速.因此需要将实验室测试环境下得到的沉积物声速值，利用声速比校正模型进行校正，尽量还原至沉积物在海底原位条件下的声速值(邹大鹏等，2012).海底沉积物声速比校正方法模型可以将实验室环境下测量得到的声速校正为声速比，也可校正为海底原位条件下的沉积物声速值，通过这种校正方法可消除掉温度和压力改变对声速的影响.定义沉积物声速与同等温度压力条件下的水声速的比值为声速比R，声速比通常被认为是保持不变的(Hamilton, 1971；邹大鹏等，2012)，进而可以根据不同温压条件下的海水声速对沉积物声速测试值进行校正.声速比R为

(8)

式中，V_pi为海底原位温压环境下的沉积物声速；V_wi为海底原位温压条件计算得到的水中声速.周丰年等(2001)研究表明Mackenzie公式具有很高的海水声速计算精度，本研究采用该公式计算水声速：

(9)

式中，T为温度(℃)；D为深度(m)；S为盐度(‰)，深度与压力相对应.为简化，海底沉积物的盐度统一采用35‰.

2.3 物理性质测试

声学测试结束后，对样品进行了物理性质测试，获取了颗粒组分、平均粒径、密度、含水量等参数，并且根据颗粒密度、含水量等计算了样品的孔隙度.其中，样品密度测试采用环刀法(内径6 cm，高度2 cm).含水量采用烘干法测试，是样品烘干前后减少的质量与烘干后的样品的质量比值.孔隙度利用颗粒比重和含水量进行计算.颗粒组分采用了筛分试验法，利用图解法对样品进行分类定名.绘制出颗粒分布曲线后，将d16，d50和d84对应的3个粒径值取平均作为平均粒径，将d50对应的粒径值作为中值粒径.按照分类标准: GB/T12763.8-2007，对沉积物进行定名，给定沉积物类型.

3 结果分析 3.1 区域概况与物理性质

试验区位于西北太平洋边缘，属于西菲律宾海，其中盆地分布面积较广，岛弧和海沟呈南北向展布.沉积类型为半远洋—远洋沉积，通常认为该海区沉积物主要来自周边岛弧的火山物质，也包含来自东亚地区的风尘物质，而来自大陆以及周边岛弧的陆源碎屑对本区的现代沉积作用影响较小.

根据现场初步判断，测试区底质样品为深海软泥，以黏土质粉砂和中粉砂为主；无刺激性气味，以褐黄色为主；具有可塑性，含水量较高，结构均匀，个别站位含有少量微小结核.物理性质指标测试结果显示(表 2)：湿密度为1.29~1.49 g·cm^-3，平均值为1.39 g·cm^-3；孔隙度为0.739~0.845，平均值为0.778.颗粒组分测试结果显示，大部分站位不含砾石成分；砂含量为0.4%~4.3%，平均值为3.60%；粉砂含量为71.8%~89.5%，平均值为81.9%；黏土含量为9.5%~26.7%，平均值为16.3%；平均粒径ϕ为6.53~6.98，平均值为6.76.总体上，该试验区沉积物呈孔隙度高、密度低、颗粒细等特征.

3.2 声速和声衰减系数

在该试验区原位测量了4站位的海底沉积物声学特性，测量频率为30 kHz，位移传感器记录显示换能器探杆贯入深度约60 cm.结果显示(表 3)：沉积物原位声速比范围为0.974~0.978，平均值为0.976；原位声衰减系数为2.25~4.04 dB·m^-1，平均值为2.90 dB·m^-1.由于海水声速不存在频散现象，因此在计算不同频率的沉积物声速比时，采用相同的海水声速值.实验室测量沉积物声速与相同温度下海水声速的比值(声速比)结果显示：50 kHz声速比范围为0.983~0.985，平均值为0.984；100 kHz声速比范围为0.983~0.986，平均值为0.984；200 kHz声速比范围为0.985~0.989，平均值为0.987.

实验室声衰减系数结果显示：50 kHz声衰减系数范围为10.48~21.68 dB·m^-1，平均值为15.97 dB·m^-1；100 kHz声衰减系数范围为21.83~29.96，平均值为25.10 dB·m^-1；200 kHz声衰减系数范围为29.06~59.09，平均值为40.37 dB·m^-1.测试结果表明：(1)原位和实验室测量的海底沉积物声速比均小于1，属于低声速特征(邹大鹏等，2012)；(2)实验室测量声衰减系数明显高于原位测量的声衰减系数，且随频率呈显著增加的变化特征，表明沉积物的声衰减系数具有明显的频率依赖特性.作为固液双相介质，具有多孔性的沉积物在声波激励下，液相和固相呈现不一致的振动特征.随着频率的增加，孔隙流体的黏滞损失导致衰减增大，因此呈现声衰减系数随频率增大的现象.

4 讨论 4.1 实验室声速与原位声速差异性

由于实验室环境条件(约23 ℃，1个大气压)与深海底原位环境(约2 ℃，500个大气压)存在显著的差别，而声速比通常被认为在实验室和原位环境保持一致.然而，通过对比沉积物50 kHz实验室声速比和30 kHz海底原位声速比(图 3a)，结果表明实验室测量值高于相同站位的原位测量值.同时，与东海陆架区的研究结果对比(图 3b)，通过温压校正后，浅海沉积物的实验室声速比更接近与原位声速比：一方面，由于水深较浅，浅海沉积物本身受温度和压力的变化影响较小；另一方面，深海沉积物结构更为软弱，其结构更容易受长时间采样和运输过程的扰动.Jackson和Richardson(2007)曾指出实验室结果与原位结果的差异至少部分由多孔弹性理论预测的声速频散造成，但该研究的实验室测量频率400 kHz明显高于原位测量频率38 kHz，因此这种解释是否适用于本研究，需要结合数据频散-多孔弹性模型对比系统分析.

4.2 多孔弹性模型曲线构建

Biot-Stoll理论模型是表述声波在多孔饱和介质中传播特征的重要模型，声速频散特征是对理论模型有效性的验证依据(朱祖扬等，2012).由于Biot-Stoll模型涉及13个参数，如何准确获取这些参数，是构建模型需要解决的问题.在这些输入参数中，除孔隙度、颗粒密度之外的参数难以直接测量.其中，孔隙流体体积模量和颗粒体积模量可以采用文献经验值，其余参数需要进行计算或推断.Stoll(1998)通过分析参数取值对Biot模型预测结果的影响，总结了模型达到有效匹配时砂质和泥质沉积物的参数取值，即Stoll参数.Badiey等(1998)结合土工测试对部分参数的取值范围进行了约束.Schock(2004)在Stoll参数的基础上，总结了难以实测参数的计算方法，包括渗透率、孔隙曲折度、孔隙大小、框架剪切模量和框架体积模量等，将这些参数看作孔隙度、颗粒粒径和沉积物埋深的函数，提高了海底参数反演的精度.表 4详细列出了本文所采用的参数计算和取值方法.表 5详细列出了不同站位沉积物的模型输入参数.

表 4中，符号*代表参数取值参照文献.K_g为经验常数，通常设定为5.d为样品埋深，单位m.重力加速度g=9.8 m·s^-2.S₀为表面系数，单位m^-1，计算公式为

(10)

其中u_g为颗粒粒径，单位为mm.σ为泊松比，计算式为

(11)

(12)

4.3 数据-模型对比

图 4和图 5分别绘制了声速数据、声衰减数据与Biot-Stoll模型预测曲线的对比情况.红色、蓝色、黑色和绿色曲线分别代表四个站位的模型预测曲线，圆点分别代表四个站位的实测数据.不同声速曲线对比表明，在测试频率范围(30~200 kHz)内，声速预测曲线随频率呈缓慢增加的趋势，其中站位2的声速频散特征最为明显，站位1和站位4次之，站位3的声速频散程度较弱，其中站位2沉积物的孔隙度最小且颗粒相对较粗，站位3沉积物的孔隙度较大且颗粒较细，这表明沉积物声速的频散特征与孔隙度、颗粒粒径有关系.

类似于声速曲线对比情况，在频率30~200 kHz范围，理论模型预测的声衰减特性对频率的依赖关系较为一致，随频率呈显著增加的变化特征.声衰减曲线对比表明，孔隙度小且颗粒相对较粗的站位2沉积物具有较高的声衰减，而孔隙度大且颗粒较细的站位3沉积物具有相对较低的声衰减特性，这表明声衰减特性与沉积物的孔隙度和颗粒粒径相关.

综合分析图 4和图 5所展现的数据-模型对比结果，原位测量声速比和声衰减系数(30 kHz)明显低于预测曲线，而实验室测量数据接近和高于预测曲线.在4.1节中已经讨论了原位声速比与实验室声速比存在的差异，这种差异通常被认为与两种测量方法的测量频率有关.然而，数据-模型对比表明这种差异不仅与测量频率有关，还受到了其他因素的影响.究其原因，沉积物采样与运输过程对沉积物结构造成了扰动，沉积物的密度、孔隙度、含水率和饱和度等物理性质均可能发生了变化，从而改变沉积物的声学特性.李官保等(2013)曾对比了原位测量结果、甲板测量结果和实验室测量结果，发现甲板测量值更接近于原位测量值，其认为由于沉积物运输至实验室后其物理性质发生了变化，造成实验室测量值具有较大的误差.由于结构扰动对沉积物声学特性造成的改变具有随机性，尚不能建立一种校正方法进行有效消除，对沉积物声学实验室结果的校正仍需依赖温压校正模型和频散模型.

5 结论

通过对压载式海底沉积物声学原位测量系统BISAMS进行技术优化和深海功能拓展，该系统具备了在深海底开展作业的能力.本文利用该系统在西太平洋深水区开展了试验性应用，获取了海底沉积物的声速和声衰减系数并采集了沉积物样品进行实验室测试分析.通过对比原位测量数据和实验室测量数据，结果表明实验室声速和声衰减系数明显高于原位测量结果.结合温压校正模型和频散模型表明，造成实验室声速与原位声速存在较大差异的原因，除与温度和压力等环境因素的改变和测量频率的差异有关，还与沉积物样品结构扰动对声学特性的影响有关.尽管温压模型和频散模型可以校正实验室测量结果的部分误差，但还没有校正方法可以有效消除结构扰动影响.目前为了尽可能避免样品受到扰动，本文建议可以在甲板实验室开展测试，减少沉积物搬运运输过程的扰动.关于沉积物结构扰动对声学特性测量结果的影响，需要进一步深入研究.本文认为在利用实验室测量结果时，尤其针对深海沉积物，需要谨慎使用，在深海声学调查中原位测量技术比取样测量具有明显优势.该研究标志着我国海底沉积声学研究由浅海走向深海，对推动海底声学的深入研究具有重要意义.

致谢  感谢航次首席科学家吕连港博士、首席助理刘宗伟博士等在实验中的帮助，感谢自然资源部第一海洋研究所科考队的辛苦工作，以及“向阳红01号”全体船员的努力和配合.