Your browser does not support JavaScript!
海下科技研究所海下音傳實驗室
海下科技研究所海下音傳實驗室
繁體
地音反算研究

地音反算研究

    由於海床地音參數對於海洋音傳研究有著高度的影響力,若無法掌握海床表層沉積物特性,則無法正確預估聲波之傳播過程與能量分佈。自2008年開始投入進行地音反算之研究,包含發展地音反算理論與技術、探討海床地形對於地音反算之影響、以及發展海床掃頻聲納系統。在海洋音傳與地音反算兩大研究方向並行之過程中,除了地音反算成果可作為海洋音傳研究之基石以外,海洋音傳研究亦成為地音反算分析過程中強而有力的幫補,使地音反算研究中聲波傳播計算具有更高的正確性與掌握度。

 

Ø   地音反算量測與分析技術發展

     2008-2009年間曾參與我國與美方學者合作之Quantifying, Predicting, and Exploring Uncertainty (QPE)國際合作研究,並參與多趟底質探測實驗,在實驗中運用Boomer以及SB-512I掃頻聲納進行海床之垂直聲波探測(14),其後於2012年開始投入地音反算研究上。      

 

142009QPE底質探測實驗之實驗過程

研發成果

在此研究上,首先投入研究如何以掃頻聲納之量測訊號準確地反算表層沉積物之參數值,包含透水率、孔隙率、粒徑大小,以及對聲波傳播相當重要的聲速、密度、以及吸收係數等,研究成果於2013年刊登於IEEE Journal of Oceanic Engineering上。本研究主要運用掃頻聲納系統於北棉花峽谷附近之探測資料,以量測得之海床正向反射回波進行地音反算,由於反算過程需運用正確的地音聲學模型,因此基於Biot地音聲學模型(多孔彈性體理論),結合其延伸模型Effective Density Fluid Model (EDFM)與遞迴分析法,建置了地音反算模式。在此地音反算模式中,以量測得之正向反射係數與吸收係數為輸入,依序計算孔隙率和透水率,透過地音模型與遞迴分析法的重複計算,在透水率收斂之條件下獲得地音參數值。基於上述反算方法可獲得掃頻聲納探測路徑上之反算聲速與密度。由於此地音參數之線分佈狀況不足以應用在聲學分析上,因此本研究更進一步使用Objective Mapping方式將此線分佈投影至二維平面上,獲得了地音參數之二維分佈。本研究中無論是反算模式之建立或資料之分析與驗證方式,都可直接應用於海床表層沉積物之參數分析上,對於海洋環境資訊蒐集與資料庫建立有幫助。

具體應用績效

本研究對於地音反算與二維網格化技術之發展成果可直接運用於聲學數值分析與資料解讀中,對海洋音傳研究有實質具體的助益,本技術也已開始實際應用於建置我國週邊海域表層沉積物地音參數資料庫,更自今年(2017)起協助我國海軍大氣海洋局建立地音分析模組,用以活化使用我國累積多年的海床掃頻探測資料,為本成果之具體應用績效。

 

Ø   南海海床沙丘之地音反算效應研究

研發成果

此研究成果於201411月發表於Journal of Acoustic Society of America (JASA)上,題目為“Normal incidence measurement in a subaqueous sand dune field in the South China Sea”,本研究利用自行發展之掃頻聲納,於南海陸坡沙丘環境與平坦地形中量測回波訊號以做比較。由實驗資料中可發現沙丘環境的地形型態會使得正向傳遞的聲波碰及沙丘邊界後產生散射與聚焦,使得同樣的底床材質卻因界面的不規則造成了回波能量的不穩定,因此造成了正向反射係數的不穩定。將不穩定的正向反射係數代入多孔彈性體理論的反算流程,最後得到沙丘環境中底床物理與地音參數錯估的結果。

具體應用績效

本期刊論文為第一篇以實驗資料呈現沙丘地形對於掃頻聲納回波影響之論文,此研究發表點出底床樣貌(bedform)對於正向反射係數量測的衝擊性,在工程上正是一般市售底床剖面儀運用會遭遇的問題,促使海床反算研究團體開始思考沙丘海域及其他具有大尺度起伏地形海域之海床研究問題,以在理論、模式、及量測上發展更完整之海床聲學反算方法,為此研究成果之重要應用。

此外,也以自行建置之掃頻聲納系統應用於多次台灣週邊海域之海床探測上,包含台灣西南海域、南海海域、東沙島附近海域、以及台灣東北海域,獲得豐富的海床回波資料,並用以反算出海床地音參數與進行後續分析研究,此為本系統之具體應用績效。