在已有外场获取的大量海底沉积物声速频散和衰减数据中，低频（1kHz以下）时的声速及高频（100kHz以上）时的衰减均与Biot-Stoll模型预报结果不一致，究竟是数据问题还是模型问题，其原因至今未知。由于这些数据既不能用于验证沉积物声学模型的适用性，也不能准确反映沉积物的声学特性，考虑到实际海洋环境的不确定性及海底沉积物的非均匀性，在实验室可控条件下开展海底沉积物声速频散和衰减特性研究具有重要意义。根据不同频段海底沉积物声学特性实验研究对沉积物尺度的要求不同，本文构建了三个实验平台，减小了环境不确定性对数据的影响，有效获取了30-170kHz、2-120kHz和300Hz-3kHz三个频段内沙质沉积物的声速和衰减，为沉积物声学模型验证和声学特性研究提供了重要数据。在此基础上，结合沉积物声学模型部分实测特征参数，完成了模型的数据验证。在实验室内首次观测到了含气沉积物声速峰和衰减峰的一一对应关系，揭示了气泡对沉积物声学特性的影响规律。本文的具体研究内容如下:
　　1、30-170kHz沙质沉积物的声速频散和衰减研究
　　在实验室玻璃水箱中设计了高频段30-170kHz实验平台，采用高温煮沸的方法进行除气，通过窄带测量和宽带测量两种方法获取了30-170kHz频段内沉积物中的声速和衰减。为了降低由于发射换能器工作带宽窄以及发送电压响应不平坦对实验数据的影响，本文提出了利用发射换能器发送电压响应补偿驱动信号的沉积物声速和衰减测量方法。仿真和实验研究结果均表明，驱动信号经补偿之后，有效解决了单频窄脉冲声信号的谱峰频率偏移、宽带脉冲声信号的带宽变窄问题，并且宽带方法获取的声速和衰减起伏明显减弱，窄带方法的测量带宽得到了有效保持;窄带和宽带数据吻合更好，提高了数据的准确性。该方法为可靠获取沉积物的声速和衰减数据，开展沉积物声学特性研究奠定了坚实的基础。
　　通过反演得到模型的特征参数，将Biot-Stoll理论和等效密度流体近似模型(EDFM)的预报结果与实验数据进行对比表明，50kHz以上的声速数据与模型吻合较好，但30kHz以上的衰减数据均大于模型预报结果。
　　2、2-120kHz沙质沉积物的声速频散和衰减研究
　　根据沉积物声学测量实验对沉积物尺度的要求，在实验室信道水池中设计了2-120kHz实验平台，仍采用高温煮沸的方法对约3.15m3的沉积物进行除气处理。实验采用透射法，通过不同的信号处理方法获取了2-120kHz频段内沉积物的声速和衰减。实验结果表明，沉积物中依然存在少量气泡，导致沉积物中声速和衰减随频率的变化曲线存在峰值。通过含气沉积物声学模型Anderson&Hampton、修正的Biot-Stoll以及修正的EDFM的仿真分析发现，声速峰值的频率总是小于对应衰减峰值的频率，这与实验数据的特征吻合;随着气泡体积分数的增大，在气泡共振频率附近，沉积物的声速和衰减的过渡区域逐渐增大，而远低于气泡共振频率上的声速逐渐降低，衰减逐渐增高。
　　通过10-120kHz频段内测量结果的进一步分析发现，实验观测到四个一一对应的声速峰和衰减峰，这是首次在实验室实验中观测到这一现象。采用五个连续的修正高斯函数表示气泡半径分布，首次同时利用声速和衰减数据验证了修正EDFM，并且反演得到了沉积物中的气泡半径分布。首次获取的该频段含气沙质沉积物的声速和衰减数据为含气沉积物声学特性研究以及声学模型的验证提供了极其重要的数据支撑。
　　3、300Hz-3kHz沙质沉积物的声速频散研究
　　根据沉积物声学测量实验对沉积物尺度的要求，在实验室信道水池中设计了低频段300Hz-3kHz实验平台，沉积物的设计尺寸为长4.1m、宽2.44m、高1.13m。提出了在有界空间中通过双水听器直接测量和多水听器间接反演方法获取300Hz-3kHz频段内沉积物声速的方法，并通过声源和水听器水平距离的连续变化实验，验证了声波传播路径的正确性以及声速数据的可靠性。直接测量获取的声速为112-121m/s，间接反演获取的声速为79-142m/s，两种方法得到的声速量级吻合良好，但是沉积物不同区域的声速呈现明显的不均匀现象。
　　当声波频率远低于气泡共振频率时，本文基于等效介质理论，将孔隙中的水和气泡等效为一种均匀流体，用这种等效流体的体积弹性模量和密度替换EDFM中孔隙水的体积弹性模量和密度，仿真结果表明，气泡的存在会导致低频条件下沉积物声速的降低。通过对沉积物中不同区域的气泡体积分数进行分析，再次验证了实验获取声速数据的可靠性，解释了沉积物中声速不均匀的现象。