传播损失这一重要声呐参数由海洋环境的声学特性决定。海底沉积物作为海洋环境的重要组成部分,其声速和衰减系数对海洋中的声传播有重要影响。由于微生物活动等因素的影响,原本水饱和海底沉积物内部生成了一定量的气体,显著影响了某些频段下饱和沉积物的声速和衰减系数,改变了声波在海洋中及海底沉积物内部的传播规律。针对含气沉积物的声传播问题,本文基于水饱和沉积物中的声传播理论—Biot理论,考虑到气泡在声波激励下产生振动这一问题,将气泡体积振动引入到渗流连续性方程中,创新建立了考虑气泡振动的三相介质渗流连续性方程。在此基础上,结合多孔介质的运动方程和本构关系,首次得到考虑气泡体积振动的Biot方程。在小振幅波近似下,分别将气泡在水中和粘弹性介质中的线性振动近似解引入气泡体积振动的Biot方程,创新建立了第一类(孔隙气泡)和第三类(沉积物位移气泡)含气海洋沉积物声速频散与衰减理论模型。在本文建立的模型中,气泡对沉积物声速和衰减的影响规律分三个频段。当声场驱动频率低于气泡谐振频率时,气泡随着低频声波的激励振动,此时气泡的存在使海洋沉积物的压缩系数减小,然而微量的气泡几乎不改变海洋沉积物的密度,从而导致含气沉积物低频段的相速度低于水饱和沉积物的相速度。此外,由于气泡的振动引发了附加的衰减机制,导致含气沉积物在该频段的衰减要明显高于饱和沉积物的衰减;当驱动频率在气泡共振频率附近时,介质呈现高频散,且衰减系数急剧增大,与含气泡水介质声学参数的频率变化特性相似;当驱动频率高于气泡的共振频率后,在声波的激励下,气泡不会随激励信号作振动,因此体现不出气体的可压缩性,含气海洋沉积物的压缩性与水饱和沉积物的压缩性基本相当,故在此频段下其相速度趋于饱和沉积物的声速,但由于气泡散射的缘故,其衰减高于饱和沉积物的衰减。应用本文模型可从理论上预报多孔介质中两类压缩波和一类剪切波的声速和衰减系数,同时也可同时利用声速和衰减数据进行沉积物相关参数反演。模型中计及的频散机制包括气泡振动的频散机制以及多孔介质中孔隙水与固体框架相对运动的频散机制。进一步地,论文基于建立的含气沉积物声学模型推导得到了声波从水入射到水/含气沉积物界面的反射系数,数值分析了气泡的存在对水/含气沉积物界面声反射特性的影响。当入射波频率在气泡共振频率附近时,水/含气沉积物界面的反射系数很大,呈现极低的声穿透特性。注意到Biot模型中的框架弹性模量相比于固体颗粒和孔隙水的弹性模量小得多这一特点,借鉴等效密度流体近似模型(EDFM)的思想对本文模型进行近似,应用微扰理论推导得到了气泡空间分布不均匀时介质的等效波数,从而实现了气泡空间分布不均匀对海洋沉积物声传播特性影响的分析。值得注意的是,随机分布气泡的声散射导致形成了高于气泡共振频率处附加的共振峰。针对含气海洋沉积物内部气泡尺寸分布获取问题,本文提出了基于B-样条和含气沉积物等效密度流体近似模型的反演方法。该方法将积分方程的求解转化为线性方程组的求解,极大简化了运算的复杂度,但要求已知一定频带内沉积物的声速和衰减信息。当仅有衰减数据时,本文进一步提出了基于修正高斯函数的反演方法,并通过500-3000 Hz水池含气沙质沉积物的衰减数据成功进行气泡分布反演,验证了方法的有效性。为了验证上述含气沉积物声学模型,论文分别开展了水箱实验、水池实验及海上实验。在实验室条件下,应用医用针管往水箱中的饱和沉积物注射气体,实现了不同气体含量下含气沉积物衰减系数的获取,数据频段为50-170 kHz。在80 kHz附近,因气泡共振,衰减出现起伏;在高于100 kHz的频段,气泡太大而未发生振动,衰减系数随频率增大而增大,与本文模型计算结果相符;多次注射气体后,沉积物内部气体含量升高,衰减系数增大。在水池低频含气沉积物实验中,500-3000 Hz频带内出现4个由于气泡共振引起的衰减系数峰值。采用本文提出的修正高斯函数的反演方法,获取了沉积物内部的气泡半径分布,气泡半径在1-4 mm的范围。海上原位测量实验中,涨潮期间含气沉积物声衰减系数的变化表明,静压力变化引起了气泡共振频率的改变,导致沉积物衰减系数峰值在频率轴上发生偏移。