会聚区传播方式是声波在深海中基本的传播方式之一，当声源与接收器不在声道轴而在表面附近时，则有明显的会聚区现象^[1]。会聚区的声场特性研究对深海声信号的传输和探测具有重要意义，国内外学者开展了大量的相关试验和研究工作。如2010-2011年，美国牵头开展了菲律宾海联合试验，在深海测量声传播和环境噪声，持续记录时间长达1 年，通过试验研究了菲律宾海声速起伏、声传播和环境噪声特性，试验海域最大水深超过6 000 m，通过试验获得了典型的深海会聚区和深海声道轴声传播结果^[2-4]。国内国家海洋局第三海洋研究所基于Argo数据分析了吕宋海峡东部海域的会聚区特征研究，得到不同季节的深海声道特征以及会聚区分布特征^[5]。中国海洋大学开展了基于深海会聚区声强匹配处理的声源定位方法研究，根据深海声道中声场的会聚现象，提出了一种基于深海会聚区声强匹配处理的深海声源定位方法^[6]。此外，还有学者开展了深海声速剖面结构变化对会聚区偏移特性的影响以及声速跃层结构变化对深海会聚区传播特性的影响等会聚区相关研究工作^[7-8]。本文主要就深海中声信号会聚区传播特征进行仿真研究，分析其分布特征，进而分析其对声信号传播的影响。

仿真采用的深海声速剖面如图1所示，典型的三层结构，海面至90 m深处为混合层，混合层内温度为等温分布，声速随深度增加而增大，混合层以下为声速跃层，跃层以下声速呈正梯度分布，声道轴深度约1 000 m。对声源频率300 Hz，声源深度分别为20 m，50 m，100 m，200 m，300 m，500 m和1 050 m时的声场分布进行仿真计算，声源深度分别位于混合层内、跃层顶部、跃层内和声道轴上。计算中深度范围0～5 000 m，深度步长10 m，水平范围100 m～200 km，水平步长75 m。仿真采用的海底为无限空间，海底密度1.8 g/cm³，声速1 732 m/s，海底衰减系数0.2分贝/波长，仿真计算软件为RAM软件。

图 1 深海声速剖面 Fig. 1 SSP in deep sea

在上述条件下进行声场仿真计算，仿真结果如图2～图6所示。对仿真结果进行分析可以得到：不同声源深度的声场分布中都形成了明显的会聚区分布，会聚区的个数、深度范围、水平跨度等与声源深度有关。图2中声源深度20 m，位于混合层内，在水平200 km内的声场中形成了2个完整的会聚区，第一会聚区位于63.6 km处，第二会聚区位于127.1 km处，第三会聚区出现在190.5 km处，会聚区深度范围4 700 m。图3（a）中声源深度50 m，位于混合层内，在水平200 km内的声场中出现了2个完整的会聚区，第一会聚区位于63.6 km处，第二会聚区位于127 km处，第三会聚区出现在190.3 km处，会聚区深度范围4 640 m。图3（b）中声源深度100 m，在水平200 km内的声场中也是形成了2个完整的会聚区，其中第一会聚区出现在62.3 km处，第二会聚区出现在125.9 km处，第三会聚区出现在188.8 km处，会聚区深度范围4 420 m。图4（a）中声源深度200 m，在水平200 km内的声场中形成了3个完整的会聚区，其中第一会聚区出现51.3 km处，第二会聚区出现在102.3 km处，第三会聚区出现在153.4 km处，会聚区深度范围3191m。图4（b）中声源深度300 m，在水平200 km内的声场中形成了3个完整的会聚区，其中第一会聚区出现47.1 km处，第二会聚区出现在94.5 km处，第三会聚区出现在142 km处，第四会聚区出现在188.8 km处，会聚区深度范围2631m。图5（a）中声源深度500 m，在水平200 km内的声场中形成了4个完整的会聚区，其中第一会聚区出现44.2 km处，第二会聚区出现在88.1 km处，第三会聚区出现在133.1 km处，第四会聚区出现在177.6 km处，会聚区深度范围1 921 m。图5（b）中给出了声源位于声道轴附近时的声场分布，声源位于声道轴附近时，由于海面海底反射作用，声波主要集中在声道轴上下很窄的范围内向远处传播，能够传播更远的距离。

图 2 声源深度20 m声场分布 Fig. 2 Sound field distribution at 20 m of sound source depth

图 3 声源深度50 m和100 m时的声场分布 Fig. 3 Sound field distribution at 50 m and 100 m of sound source depth

图 4 声源深度为200 m和300 m时的声场分布 Fig. 4 Sound field distribution at 200 m and 300 m of sound source depth

图 5 声源深度为500 m和1 050 m时的声场分布 Fig. 5 Sound field distribution at 500 m and 1050 m of sound source depth

图 6 第一会聚区距离、会聚区跨度和会聚区深度范围 Fig. 6 The range, span and depth scope of the first convergence zone

对不同声源深度时的声信号会聚区传播特征进行分析，如图6所示。从仿真结果可以得到：随着声源深度的增加，会聚区的水平跨度逐渐减小，由声源深度20 m时的63.5 km变化到声源深度500 m时的43.9 km；同等水平范围内会聚区个数逐渐增加，由2个完整会聚区增加到4个完整会聚区；深度方向，随着声源深度的增加，会聚区的深度范围逐渐减小，由4 700 m减小到1 921 m。声源位于混合层内如20～100 m深度范围时，各会聚区出现的距离变化很小，基本一致；100 m以下，随着声源深度加大，各会聚区出现的距离快速减小。可以想见，随着声源深度持续增加，一定水平范围内的会聚区个数越来越多，会聚区深度范围越来越小，直至声源位于声道轴附近时，各会聚区水平方向上基本聚集在一起，深度方向集中在声道轴上下一定范围内传播。此外，从声场分布中可以得到很强的海底反射的存在，这使得在海面接收不到的信号，在海底附近反而能接收到。

图6（a）中为第一会聚区出现位置随声源深度的变化，横坐标为第一会聚区出现位置，纵坐标为声源深度。随着声源深度增加，会聚区出现的水平距离逐渐减小，声源深度从20 m增加到500 m时，第一会聚区出现位置从63.6 km减小到44.2 km。图6（b）为会聚区跨度（不同会聚区间的距离）随声源深度的变化，横坐标为会聚区跨度，纵坐标为声源深度。随着声源深度增加，会聚区跨度逐渐减小，声源深度从20 m变化到500 m，会聚区跨度从63.5 km减小到43.9 km。图6（c）为会聚区深度范围随声源深度的变化，横坐标为会聚区深度范围，纵坐标为声源深度。随着声源深度增加，会聚区深度范围逐渐减小，也就是说，声源深度越深，形成会聚区所需的海深越小。

通过对声信号会聚区传播特征的仿真分析可以得出结论：声源深度与声场会聚区的分布特征直接相关，声源深度越深，第一会聚区出现的距离越小，会聚区跨度越小，会聚区深度范围也越小；随着声源深度持续增加直至声道轴附近，各会聚区出现的距离及会聚区跨度不断减小，直至无法区分各会聚区，深度方向上，会聚区深度范围不断减小直至集中在声道轴上下一定深度范围内传播，声信号在声道轴附近传播时，声信号损失最小，信号可以传到更远的距离上；第一会聚区附近的海底反射信号很强，可用于信号检测。