混響(reverberation)為主動聲納系統中，由聲納所輻射的聲波，會因為非主要目標物的散射傳播而產生混響的背景噪音。此種混響效應常在波導中產生，造成主動系統中主要訊號受干擾甚至被掩蓋的問題。由於混響的存在直接影響訊號品質，因此瞭解環境混響特性非常重要。近年陸續於西子灣海洋進行多項實驗，包括環境調查、噪音特性、水聲傳播、港區防衛、地聲反算及水下網絡通訊等，但有關混響性質之主題尚未進行探討。造成混響的因素分為兩類：其一是由水體中非主要目標物所產生的體積混響(volume reverberation)，另一類則是由海洋邊界，包括海面與海床，所造成的表面混響(surface reverberation)。有關體積混響的部份，本團隊於2009年6月及8月間，在高雄港真愛碼頭及美國 Woods Hole Oceanographic Institute (WHOI) 實驗碼頭進行水下反入侵偵測實驗。雖然該實驗目的並非探討混響，但由於該實驗使用主動聲納系統，資料顯示有明顯受到混響干擾。因此，本研究藉由該實驗資料來探討體積混響的問題。研究結果顯示，港區內之混響由體積混響所主導，體積逆散射強度 (VBSS) 大約介於-40 ~ 5 dB之間，主要原因可能來自港區邊界、船舶、潮流水團、生物群、水體懸浮物等；體積逆散射分析方面，去除傳輸損失的因素，強度仍隨著距離增加有遞減之情形，原因可能來自水體懸浮物質的分佈。有關表面混響部份，本研究以數值模擬方式，搭配 2011 年 4 月間於高雄第二港區外表面混響實驗分析結果進行探討。數值模擬實驗結果顯示均方根高、相關長度以及頻率均會影響混響強度，但實海域資料並未辨識出混響之現象，主因是聲源強度不足。本研究結合實驗設計、數值模擬、資料處理、結果分析等，對西子灣海洋實驗場域混響之性質，有概觀性的瞭解，亦提供後續研究的參考。

Reverberation is the phenomenon when the sound source transmits and causes scattering in active sonar system. This kind of effects often produced in the waveguide, resulting signal interference and signal mask issues. Reverberation can affect the signal to noise ratio, thus understanding the characteristic of environmental reverberation is important. In recent years, there were many studies for the Sizihwan Bay Marine Test Field (MTF), including environmental surveys, Harbor defense and acoustic inversion, however the issue related to reverberation has not been explored. The purpose of this study is to research reverberation in the MTF and focusing on volume reverberation and surface reverberation. In the past, the experiment of Underwater Intruder Detection with active sonar system demonstrated the reverberation in Kaohsiung second harbor. Therefore, this research is about using the experimental data to questions about volume reverberation. Results show, volume reverberation in the port area caused by ship, boundaries, current, impurities in water and biota. On the other hand surface reverberation, this study focusing on numerical simulation, match the results of experimental. Numerical results of RMS height, correlation length and frequency affect the reverberation intensity, but it does not identify the phenomenon of reverberation in experimental results, mainly is the intensity of the source is not enough. This study combined with simulation and experiment, and overviewed the reverberation properties in MTF. Also provided suggestions for following studies.

第一章 緒論 1
1.1 研究主題與研究動機 1
1.2 西子灣海洋實驗場相關實驗之回顧 2
1.2.1 環境調查分析 3
1.2.2 高雄第一港區水下噪音特性研究 4
1.2.3 水聲傳播實驗 5
1.2.4 港區內水下反入侵偵測實驗 7
1.2.5 地聲反算實驗 10
1.2.6 水下網絡通訊及聲層析 11
1.3 研究方法 12
1.4 論文範疇 12
第二章 基本觀念與理論模式 14
2.1 混響之基本觀念 14
2.1.1 體積混響 15
2.1.2 表面混響 18
2.2 粗糙面散射理論模式 20
2.2.1 聲波方程式的解 20
2.2.2 邊界攝動法 22
2.2.3 粗糙界面所產生的混響聲場 23
2.2.4 表面聲源所產生之混響 24
2.3 結語 25
第三章 數值模擬與分析 26
3.1 OASES聲學模組 26
3.1.1 運算模組 26
3.1.2 操作步驟 27
3.1.3 實際範例 29
3.2 表面混響模擬 31
3.2.1 模擬環境設定 32
3.2.2 頻率對混響的影響 32
3.2.3 均方根高對混響的影響 34
3.2.4 相關長度對混響的影響 34
第四章 體積混響實驗 40
4.1 實驗架構與設計 40
4.2 實驗儀器 42
4.3 資料處理 43
4.4 資料分析 45
4.5 混響成因探討 53
第五章 表面混響實驗 59
5.1 實驗儀器介紹 59
5.1.1 資料擷取系統 60
5.1.2 水下麥克風 62
5.1.3 水下拖曳式聲源 63
5.1.4 操作軟體介面 64
5.2 實驗架構 66
5.3 資料分析 66
第六章 結論與建議 73
6.1 結論 73
6.2 建議 74
附錄A 西子灣海洋實驗場混響性質之研究 77

[1] 許登壹、劉金源，“西子灣海洋實驗場環境調查分析之研究”，國立中山大學海下技術研究所碩士論文，民96。
[2] T.C. Yang, J. Schindall, C.-F. Huang and J.-Y Liu (2010) “Underwater-intruder detection in harbor environments using Doppler-sensitive waveforms,” (submitted to IEEE J. Oceanic Eng.)
[3] 趙尊憲、劉金源，“高雄港第一港口水下噪音特性之研究”，國立中山大學海下技術研究所碩士論文，民96。
[4] 蕭名亨、劉金源，“西子灣極淺海域水聲傳播實驗”，國立中山大學海下科技暨應用海洋物理研究所碩士論文，民98。
[5] 郭晉麟、黃千芬、劉金源，“都卜勒頻譜於港區環境中水下目標物偵測之應用”，國立中山大學海下科技暨應用海洋物理研究所碩士論文，民99。
[6] 張舜傑、劉金源，“西子灣海洋實驗場水聲傳播及地聲反算之研究”，國立中山大學海下科技暨應用海洋物理研究所碩士論文，民99。
[7] 劉金源，《水中聲學 - 水聲系統之基本操作原理》，國立編譯館，民90。
[8] Urick, R. J., 1983. Principles of underwater sound, 3rd edition, McGraw-Hill, Washington DC.
[9] 劉金源，《海洋聲學導論 – 海洋聲波傳播與粗糙面散射之基本原理》，中山大學出版社，民91。
[10] W. A. Kuperman and H. Schmidt, 1989, “Self-consistent perturbation approach to rough surface scattering in stratified elastic media,” J. Acoust. Soc. Am., 86, pp. 1511-1522.
[11] Liu, J.-Y., H. Schmidt, and W.A. Kuperman (1993) “Effect of a rough seabed on the spectral composition of deep ocean infrasonic ambient noise,” J. Acoust. Soc. Am., 93, pp. 753-769.
[12] Liu, J.-Y. and J.L. Krolik (1994) “The spatial correlation of rough seabed scattering of surface-generated ambient noise,” J. Acoust. Soc. Am., 96(5), pp. 2876-2886.
[13] Schmidt H. and Kuperman W. A., 1995, “Spectral representations of rough interface reverberation in stratified ocean waveguides,” J. Acoust. Soc. Am., 97(4), pp. 2199-2209.
[14] W.A. Kuperman and F. Ingenito, 1980, “Spatial correlation of surface generated noise in a stratified ocean,” J. Acoust. Soc. Am., 67, pp. 1988-1996.
[15] Schmidt H., 1988, SAFARI: User's Guide, SACLANT Undersea Reasearch Centre, La Spezia, Italy.
[16] Schmidt H., 2002, SAFARI: User's Guide and Reference Manual, Version 3.1,Department of Ocean Engineering, Massachusetts Institute of Technology.
[17] C. F. Huang and W.S. Hodgkiss (2004) “Match field geoacoustic inversion of low frequency source tow data from the ASIAEX East China Sea experiment,” (submitted to IEEE J. Oceanic Eng.)
[18] Yves Doisy, Laurent Deruaz, Sander P. van IJsselmuide, S. Peter Beerens, and Robert Been, 2008, “Reverberation Suppression Using Wideband Doppler-Sensitive Pulses,” (submitted to IEEE J. Oceanic Eng.)
[19] Kinsler, L.E., A.R. Frey, A.B. Coppens and J.V. Sanders, 1982, Fundamental of Acoustics, 3rd edition, Wiley.
[20] Klein Associates, Inc., Side Scan Sonar Record Interoretation, (Klein side scan training manual).
[21] Maclennan, D.V. and E.J. Simmonds, 1992, Fisheries Acoustics, Chapman & Hall.
[22] 交通部運輸研究所，“高雄港港池淤沙調查研究”，交通部高雄港務局，民99。