近日，bat365在线平台官方网站、水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室刘胜兴教授团队以“Theoretical and numerical study on transient acoustic wave propagation across ice layers in the Arctic Ocean”为题在美国声学杂志Journal of the Acoustical Society of America上发表最新研究成果，揭示了北极海洋中声波跨冰层传播特性。

近年来，随着全球年平均气温的快速上升和人类活动范围的不断扩大，北极成为一个研究热点。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，导致北极开发和研究过程中通信难度显著增大，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。

图1 北极海洋冰–水耦合系统

该研究构建了北极海洋“冰-水耦合系统”模型（图1），导出了冰-水耦合系统中导波频散方程，进一步利用本征函数展开法（Eigenfunction Expansion Method, EEM）导出了声波跨冰层传播的瞬态响应解析解。通过与有限元仿真结果进行对比，验证了理论推导和数值计算程序的正确性（图2）。数值分析了声源置于海水中，检波器置于冰层上表面时北极声波的跨冰层传播特性，并探讨了传播距离、冰层厚度以及激励源位置对径向和轴向瞬态波形的影响（图3）。数值结果表明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。相关研究成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  不同传播距离与冰层厚度时跨冰层传播瞬态波形的频域分布

该论文第一作者为bat365在线平台官方网站硕士研究生曾启天，通讯作者为刘胜兴教授，共同作者还包括汤立国教授和中山大学海洋工程与技术学院李整林教授。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。

论文来源: 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.

论文链接：https://doi.org/10.1121/10.0025982

撰稿：刘胜兴团队

编辑：苏颖

审核：汤立国、徐鹏、陈向柳