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海下科技研究所海下音傳實驗室
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海洋音傳研究

海洋音傳研究

    本實驗室在海洋音傳研究上主要聚焦於探討聲波受海洋物理環境作用之二/三維傳播效應,長期研究南海與台灣東北海域之音傳現象,南海為內波活躍地區,同時也是現今世界上熱門的軍事與科學研究焦點,從過去的研究計畫與成果發現南海除了有大振幅內波經常性通過以外,東北區域大陸坡上(Continental slope),存在有由非線性內波引起的沙丘群(Sand dunes),其尺度度可達16米高及350米寬,無論是非線性內波、大陸斜坡地形、或沙丘群均對聲波傳遞(Sound Propagation)影響極大。本實驗室基於過去在南海的海洋物理研究成果與資料收集,針對南海內波與大陸斜坡交互作用區以及東北區域界定沙丘存在的可能地點,研究種種真實存在的海洋物理現象對於音傳物理特性與應用層面的衝擊,研究方法包括理論分析、模擬計算、以及實驗量測,結合理論與模式之結果討論各海洋物理條件下之音傳物理特性、聲能之空間分佈結構與模態耦合情況,研究成果可實際運用於水下偵測、定位、以及通訊方面,成為未來南海區域音傳研究的先導指標與實海域量測的重要依據,更可作為未來反算研究之立基。 

 

1.非線性內波與大陸斜坡邊緣地形對於聲波模態耦合之交互作用

 

  國際合作對象:Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI)

     --Dr. James F. Lynch

     Naval Postgraduate School (NPS)

     --Prof. Ching-Sang Chiu

     --Prof. Davis B. Reeder

 

本實驗室研究內容主要以理論推導、數值模擬、以及實驗資料驗證等方式解釋說明當聲波遇到斜坡邊緣(Shelf break)與內波同時存在之環境( 1)時所將產生之模態耦合效應。由於在南海海域中存在有許多坡度相當大的斜坡邊緣,並且有大型內波固定通過其上方,過去美方學者針對亞洲海域國際聲學實驗(Asian Seas International Acoustics Experiment, ASIAEX)南海實驗之研究成果,僅以數值模擬方式提出此環境下之模態耦合現象,但卻無法加以說明劇烈模態耦合之成因。本實驗室利用非耦合條件之推導以及數值模擬方式,針對此環境下之聲學模態耦合過程進行詳細說明解釋,並利用實驗資料加以驗證比對。研究結果發現內波與斜坡交互作用明顯提高聲學模態間之耦合強度並產生強烈的非鄰近模態耦合效應,而由數值模擬結果與實驗資料亦驗證了此理論發現,原本於海床附近傳播之聲能經內波與斜坡共同作用後,能量將耦合發散至接近海面處( 2(a)),因此在陸棚上觀測內波傳播過程之聲能變化,可發現在內波接近斜坡時,接近海面之接收聲能顯著提高( 2(b)),此能量分佈變動為相當重要之現象。此篇論文受到Editor以及Reviewer的高度讚賞,認為此研究題目為原發性、創新之研究,且研究成果對於水下聲學的研究有重要的貢獻。

本期刊論文是國際上第一篇針對斜坡邊緣地形與內波交互作用環境之音傳效應進行討論的論文,由於台灣周邊海域(尤其是南海、西南海域、與東北海域)均存在有大坡度之斜坡邊緣地形,也有大量內波,本篇論文之研究成果可分析預估其聲學模態耦合情形,對於該類型海域之聲學應用上有重大影響,因此此研究成果為本實驗室之重要貢獻。

 

 1、南海北緣斜坡邊緣之單音束探測回波圖,可見大型非線性內波逐漸接近斜坡邊緣,為此海域常見海洋波導現象。

 

(a)

(b)

 2、聲學模態耦合造成之能量分佈變化。 (a)數值模擬結果,(b)實驗資料分析結果,在12:45時非線性內波接近陸坡邊緣,造成接收能量提升。

 

2.沙丘地形對於聲波模態耦合之作用

 

  國際合作對象:Naval Postgraduate School (NPS)

     --Prof. Davis B. Reeder

 

本實驗室於2013年及2015年,分別就沙丘波高與沙丘波長討論其聲波模態耦合作用。在沙丘波高部分,本實驗室利用原有的非耦合條件,以理論推導方式擴展至沙丘地形環境,成功推導出包含沙丘地形起伏之非耦合條件式,並以數值模擬方式進行驗證。本研究發現在沙丘波長不變之條件下,現沙丘波高變化之作用在於模態耦合強度,但不改變將發生耦合之聲學模態數,亦即沙丘波高變化主要在同樣的聲能空間分佈下造成聲場強弱改變。

在沙丘波長部分,本實驗室成功以聲學共振效應理論建立耦合強度函數,可用於預估任兩聲學模態間是否產生耦合效應,數值模擬結果也證實此預估方式之準確度。為驗證此理論預測結果,本研究以數值模擬方式計算各種沙丘波長條件下聲場,並將此轉換至模態域上,為各種沙丘波長條件下之聲學模態強度圖,比較數值模擬結果( 3(b))與理論預測結果( 3(a)),可發現透過共振理論分析可準確預估沙丘波長主要作用之模態數,因而可進一步透過聲學模態函數預估聲能分佈情形。

由於國際上尚無其他關於沙丘聲學效應之具體研究成果被發表,本實驗室在沙丘地形之聲學模態耦合效應研究上居於領先地位,尤其是沙丘聲學共振效應之研究成果可準確預估聲學模態耦合狀況,亦即可準確預估沙丘環境中之聲能結構,對於水下定位、偵測、以及通訊之運用均是重要的技術突破。

 

 3、數值模擬各沙丘波長作用下之(a)模態耦合預估和(b)模態強度分佈。

 

本實驗室在海洋音傳研究上與美國WHOINPS建立了長期且友好的國際合作關係,合作模式為雙方投入各自的儀器資源,共同進行實驗分享資料,定期舉行國際研討會討論各自的研究進度與成果,並共同發表研究成果。 4為今年(105)1月由本實驗室主辦之「南海沙丘環境之海洋與聲學研究國際會議」留影, 4(a)為會議過程,(b)則為參與人員合照。

 

(a)      

(b)

 4、今年(105)1月由本實驗室主辦之「南海沙丘環境之海洋與聲學研究國際會議」留影,(a)為會議過程,(b)則為參與學者合照。