Mid-frequency sound propagation under a rough sea-ice cover

Abstract

I denne masteravhandlingen studeres forplantning av lyd i sjøvann under en isflate, med formål om kommunikasjon under is. Dette kan anvendes til navigasjon under is, klimaovervåking og havmodellering. For å adressere dette brukes en modell for forplantning av lyd sammen med en modell for refleksjon av lyd fra en overflate som består av havis med ruhet. Refleksjonsmodellen består av Brekhovskikhs analytiske modell for homogen glatt is kombinert med en modell for ru is basert på Kirchhoff-tilnærming. Forplantningen er modellert av raytracing-programmet Bellhop, og refleksjonsmodellen er kodet i MATLAB og videre integrert i Bellhop. Resultatene sammenlignes med målinger utført i Framstredet av Forsvarets forskningsinstitutt (FFI).

Basert på en simuleringsstudie med modellen blir det vist at frekvensen og RMS-høyden for ruheten til isen er parametere som i høy grad påvirker lydutbredelsen. Lavere frekvenser gir bedre signal til støyforhold, og ruheten påvirker om det kommer frem noen overflatereflekterte stråler til mottakeren. Sammenligning med de målte dataene illustrerer at simuleringen forutsier ankomsttiden med høy nøyaktighet. Lydtrykknivået ved mottakeren har imidlertid et avvik på maksimalt 20dB ved sammenligning av simulering og data. Derfor er det hensiktsmessig å videreutvikle modellen for å få bedre estimat av lydtrykknivået. Modellen kan forbedres i fremtidig arbeid ved å videreutvikle modelleringen av havbunnen og ved å modellere overflaten som diskontinuerlig is for mer realistisk modellering av havisen.

This thesis studies propagation of sound in seawater beneath an ice surface, for the purpose of under ice communication. This is applicable for under ice navigation, climate monitoring and ocean modeling. The method used to address this is a propagation model expanded with a model for reflection of sound from a sea ice surface with roughness. The reflection model consists of Brekhovskikh’s analytical model for homogeneous smooth ice combined with a model for ice-roughness based on Kirchhoff approximation. The propagation is modelled by the raytracing program Bellhop, and the reflection model coded in MATLAB is integrated in this program. The results are compared to measurements in the Fram Strait area provided by Norwegian Defence Research Establishment (FFI).

The main conclusion of a simulation study with the model is that the frequency and the RMS height of the ice roughness are parameters that highly affects the sound propagation. Lower frequencies yield larger SNR, and the roughness determines whether there are surface reflected rays arriving at the receiver. The comparison with the measured data illustrates that the simulation predicts the arrival time with high accuracy. The arrived sound pressure level at the receiver has however a discrepancy of 20dB at the most when comparing the simulation and measurements. This motivates further development of the model for improving the accuracy of the predicted sound pressure level. The model could be refined in future work by improving the bottom model and by modelling the surface with discontinuous ice for more realistically modelling of sea ice.