梁民贊，孟 華，陳迎春，盧克華

(1．中國人民解放軍91388 部隊(duì)，廣東 湛江524022;2．水聲對(duì)抗技術(shù)國防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 湛江524022)

0 引 言

海洋及其界面(海底和海面)一起形成一個(gè)對(duì)聲波傳播非常復(fù)雜的信道，它具有內(nèi)部的結(jié)構(gòu)及獨(dú)特的上、下表面，能對(duì)聲波傳播產(chǎn)生很大的影響。海水介質(zhì)是一種不均勻的非理想介質(zhì)，由于介質(zhì)本身的吸收、聲傳播中波陣面的擴(kuò)展以及海水中各種不均勻性的散射等原因，使得在聲波傳播過程中，聲波強(qiáng)度在其傳播方向上將會(huì)逐漸減弱。

由于海洋環(huán)境的復(fù)雜多變，使聲信號(hào)在海洋信道中的傳遞存在著強(qiáng)烈的畸變和漲落。因此，海洋環(huán)境的特性決定了聲波的傳播和水聲設(shè)備的性能。

聲吶作用距離與具體的海洋環(huán)境、目標(biāo)和接收深度等密切相關(guān)。同樣一部聲吶，在不同的海洋環(huán)境中其性能往往大相徑庭。對(duì)于探測(cè)潛艇的聲吶來說，要把聲吶放在最有利的位置，發(fā)現(xiàn)目標(biāo);而對(duì)于被探測(cè)潛艇來說，一定要使自己處于敵艦聲吶發(fā)射信號(hào)的聲影區(qū)之中，減少本艇被探測(cè)的可能性。因此，研究聲吶如何根據(jù)海洋水聲環(huán)境進(jìn)行探測(cè)目標(biāo)，對(duì)于提高聲吶的環(huán)境適應(yīng)性、探測(cè)性具有重要意義。

水聲學(xué)把水深200 m 以內(nèi)的海區(qū)劃分為淺海，我國大部分沿海屬于淺海。本文重點(diǎn)介紹淺海水聲環(huán)境的復(fù)雜性，闡述水聲傳播的機(jī)理，分析不同水文條件下聲波的傳播損失，提出聲吶如何根據(jù)實(shí)際水文條件合理使用的方法。

1 水聲環(huán)境復(fù)雜性

海洋是一個(gè)復(fù)雜多變的環(huán)境，而海水中的聲速是研究聲波在海水中傳播以及水聲戰(zhàn)的基本物理量之一。聲速的經(jīng)驗(yàn)公式［1］可表示為:

式中:c 為聲速度，m/s;T 為溫度，℃;S 為含鹽度，‰;Z 為深度，m。

由式(1)可知，由于海水溫度、鹽度及靜壓力的變化，聲速也隨之變化。一般情況下，海區(qū)的垂直聲速分布可以歸納為等聲速、弱正梯度、負(fù)梯度和強(qiáng)躍變4 種類型，如圖1所示。聲速沿垂直方向和水平方向的不同分布決定了聲線在水中的折射，形成了復(fù)雜的聲場(chǎng)分布情況，聲波在海洋中的傳播很大程度上依賴于海水的聲速分布情況。某一區(qū)域水聲環(huán)境隨著季節(jié)的變化會(huì)呈現(xiàn)復(fù)雜多變的特點(diǎn)，并最終嚴(yán)重影響聲吶探測(cè)目標(biāo)的效果。

圖1 淺海4 種典型聲速剖面圖Fig.1 Typical sound-speed profile in shallow water

1.1 季節(jié)性特點(diǎn)

由于日照、氣溫、海流、風(fēng)浪等因素的影響，使得聲速變化具有明顯的季節(jié)性特征。在影響聲速的各類因素中，溫度起著主要作用。

一般情況下，冬季海水表層溫度較低，聲速分布為正梯度，聲線彎向海面。這時(shí)聲吶探測(cè)距離較遠(yuǎn)，探測(cè)效果較好。夏季由于日照充足，海水溫度變化劇烈，情況較為復(fù)雜:一是海水表層溫度較高，并隨著深度增加水溫下降，形成溫度負(fù)梯度層，聲速分布為負(fù)梯度，聲波傳播的路徑(聲線)彎向海底，并出現(xiàn)聲影區(qū);二是海水表層有時(shí)由于臺(tái)風(fēng)等氣候條件的影響，海水充分?jǐn)嚢栊纬傻葴貙?，厚度可達(dá)十幾米至幾十米。在等溫層以下深度內(nèi)，水溫突然大幅度下降，出現(xiàn)溫度躍變層(溫躍層)。此層有時(shí)很薄，可能只有幾米，卻把海水分成上下溫度截然不同的2層，它對(duì)高頻聲波有顯著的屏蔽效應(yīng)，聲線穿過時(shí)發(fā)生急劇彎曲，因而對(duì)聲波傳播影響極大;三是在某些特殊海區(qū)，由于存在深層海流，會(huì)出現(xiàn)含鹽度或溫度的特殊垂直分布，在某一深度上出現(xiàn)聲速極小值，形成所謂淺海水下聲道，這比表面聲道有更好的聲傳播條件，聲吶探測(cè)距離也更遠(yuǎn)。

媳婦緩過點(diǎn)神來。但臉還蠟黃著，噓噓地喘著氣。哥們兒朝洛蒙想媳婦在老家是個(gè)有名的假小伙子。媳婦身體壯碩，冒冒失失，天不怕地不怕。春天敢獨(dú)自一人爬懸崖捋榆錢兒，夏天敢一個(gè)人駕著犟牛去山坡種蕎麥（那可是頂死過人的公牛呵?。?，現(xiàn)在卻被城里小小的蟲子嚇倒了！他下地把媳婦扶起來，替她撣掉身上的土。

此外，有時(shí)由于晝夜水溫的變化也會(huì)影響聲吶探測(cè)效果。白天日照充分，海水表層水溫升高較快，形成負(fù)梯度;到了午夜或凌晨，表層水溫降低形成正梯度。這種聲速梯度的變化，使得聲吶在下午和傍晚的探測(cè)效果明顯比凌晨或上午差，這便是所謂的“午后效應(yīng)”，夏季時(shí)“午后效應(yīng)”更加明顯。

1.2 區(qū)域性特點(diǎn)

在深海海區(qū)，典型的深海聲速分布可分表面層、躍變層、主躍層及深海等溫層，其中主躍層和深海等溫層形成了所謂的深海聲道。聲道軸上方的聲線圍繞聲道軸交替反復(fù)，聲波聚集在這一隔層里傳播，未經(jīng)海底與海面反射，能量損失小，聲波可以傳播很遠(yuǎn)，在聲道軸附近幾千克TNT 當(dāng)量的爆炸聲可以傳至幾千千米遠(yuǎn)。聲道軸的深度可以在幾百米至幾千米的范圍內(nèi)變化，這主要決定于海區(qū)所在的緯度，聲道軸的深度隨緯度增高而升高。

在淺海海區(qū)，海面是聲反射體又是聲散射體，當(dāng)海面不平靜時(shí)，對(duì)聲傳播影響更大;海底也是聲反射體或散射體，不同的海底底質(zhì)(如泥漿、砂礫、巖石等)密度分布不均勻，從而使海底的聲反射特性難以預(yù)估，并嚴(yán)重影響聲傳播特性。由于淺海的海面和海底2 個(gè)界面之間距離很小，聲波經(jīng)過多次反射、散射衰減很大，而且多途徑效應(yīng)使聲信號(hào)發(fā)生畸變。對(duì)于主動(dòng)聲吶而言，淺海的混響干擾也比深海嚴(yán)重得多。

2 淺海聲傳播模型

本文采用射線聲學(xué)理論進(jìn)行聲傳播規(guī)律建模。由于海洋中存在不同深度和不同區(qū)域的聲速分布，聲波傳播不再是直線，但能把聲速剖面分成若干層，在每一區(qū)段內(nèi)，聲速剖面近似地用直線來表示。Snell 定律表明在聲速度連續(xù)變化的分層介質(zhì)中聲線路徑將是曲線［2］。

2.1 射線聲學(xué)理論

2.1.1 聲線傳播軌跡

在分層介質(zhì)條件下，對(duì)于給定聲速度分布函數(shù)c(z)，若點(diǎn)聲源位于(r0，z0)處，聲速度為c0，以初始掠射角為θ0自聲源發(fā)出的聲線上的任意點(diǎn)(r，z)的聲線傳播軌跡計(jì)算表達(dá)式［3］為

其中折射率n(z)=c0/c(z)。

2.1.2 聲強(qiáng)和聲壓

聲源和接收點(diǎn)之間的幾何傳播損失可由聲源處相鄰的2 條聲線間的聲波束管的截面積計(jì)算。接收點(diǎn)處的聲強(qiáng)I 和聲壓A 為:

若考慮由海面、海底引入的損失、聲波的幾何傳播損失和海水介質(zhì)吸收引入的損失，接收點(diǎn)處的聲強(qiáng)［4］為

式中:Ns和Nb為海面和海底的反射次數(shù);Vsi和Vbi為第i 次海面和海底的反射系數(shù);θsi和θbi為第i 次海面和海底反射時(shí)聲線在海面處的掠射角;β 為海水介質(zhì)的吸收系數(shù)，dB/km;S 為聲線到達(dá)接收點(diǎn)傳播的聲程。

在低頻段，海水介質(zhì)的吸收系數(shù)β 可用Thorp給出的經(jīng)驗(yàn)公式［5］得到，即

式中f 的單位為kHz。

傳播損失的定義為

通過式(2)～式(7)便可求得傳播損失TL。

2.2 聲吶作用距離估計(jì)

對(duì)于以海洋環(huán)境噪聲為主要背景干擾的被動(dòng)聲吶方程，DT=SL－TL(r)+GT+GS－NL 或者可寫成FM=TL(r)的形式，其中優(yōu)質(zhì)因子FM 的確定已經(jīng)考慮了目標(biāo)源級(jí)SL、時(shí)間處理增益GT、空間處理增益GS、環(huán)境噪聲級(jí)NL、檢測(cè)閾DT 等因素的影響，反映了聲吶性能的優(yōu)劣。定義優(yōu)質(zhì)因子(FM)與傳播損失(TL)的差值為信號(hào)余量［6］SE，

聲吶最大作用距離rmax由SE(rmax)=0 來確定。對(duì)于給定的發(fā)射和接收深度，可以計(jì)算得到不同距離上的聲傳播損失TL，從而計(jì)算出聲吶的作用距離。

2.3 仿真及實(shí)驗(yàn)分析

本文選取正梯度、負(fù)梯度和躍變層3 種典型水文條件分別對(duì)聲傳播規(guī)律及傳播損失進(jìn)行仿真，其中聲源頻率為3 kHz。仿真結(jié)果如圖2 ～圖6所示。

圖2 正梯度條件下的聲傳播規(guī)律Fig.2 Acoustic propagation under positive gradient

圖3 負(fù)梯度條件下的聲傳播規(guī)律Fig.3 Acoustic propagation under negative gradient

圖4 聲源與接收器處于躍變層以上聲傳播規(guī)律Fig.4 Transmitter and receiver above thermocline

圖5 聲源與接收器在躍變層上下方時(shí)傳播規(guī)律Fig.5 Transmitter and receiver at different thermocline

圖6 不同水文條件下傳播損失曲線Fig.6 Propagation loss curve under three typical conditions

從不同水文條件下的聲傳播規(guī)律及傳播衰減曲線間的比較可以看出:

1)在等聲速層(或若正梯度)條件下，傳播損失最小，聲線向海面彎曲，當(dāng)聲吶搜索敵水面艦艇時(shí)，敵水面艦艇輻射噪聲相對(duì)較大，我潛艇的航行深度應(yīng)盡量接近海面，并以最小噪聲航速航行，以利于對(duì)敵水面艦艇的探測(cè);當(dāng)搜索敵水下潛艇時(shí)，聲吶接收機(jī)應(yīng)在敵潛艇工作深度之上，以利于接收敵潛艇的輻射噪聲，并可降低敵潛艇對(duì)我艇的探測(cè)。

2)在負(fù)聲速梯度條件下，聲傳播損失較大，聲線向海底彎曲。這是因?yàn)樨?fù)聲速梯度下的折射效應(yīng)的緣故，致使聲線折向海底，造成海底處的入射掠角過大。當(dāng)聲吶搜索敵水面艦艇和潛艇時(shí)，我潛艇應(yīng)下潛到水下工作深度并比敵潛艇工作深度深，以利于接收目標(biāo)輻射噪聲;當(dāng)我潛艇規(guī)避敵水面艦艇和潛艇時(shí)，我潛艇的航行深度應(yīng)盡量接近海面，以避開敵水面艦艇和潛艇的搜索跟蹤。

3)在躍變層情況下，當(dāng)目標(biāo)和聲吶分別處于躍變層上下方時(shí)，聲線經(jīng)過躍變層時(shí)會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的折射，使聲強(qiáng)顯著衰減，聲吶的作用距離明顯減小。當(dāng)目標(biāo)和聲吶同處于躍變層上(下)時(shí)，聲傳播條件相對(duì)穩(wěn)定，此時(shí)探測(cè)目標(biāo)相對(duì)較易。當(dāng)我潛艇搜索敵水面艦艇時(shí)，我潛艇的深度應(yīng)在躍變層以上，接近海面附近;當(dāng)我潛艇規(guī)避敵水面艦艇搜索時(shí)，我潛艇的深度應(yīng)在躍變層以下;當(dāng)我潛艇搜索敵潛艇時(shí)，我潛艇的深度應(yīng)與敵潛艇在同一深度層;當(dāng)我潛艇規(guī)避敵潛艇時(shí)，我潛艇的深度應(yīng)接近躍變層，且與敵潛艇不處于同一深度層。

總之，在出現(xiàn)聲速強(qiáng)負(fù)梯度及存在躍變層的情況下，聲傳播損失增大，聲吶探測(cè)距離明顯下降。聲吶的作用距離在良好的水文條件時(shí)與惡劣水文條件時(shí)相差若干倍，如果遇到更惡劣的水下環(huán)境，聲吶探測(cè)效果更差。聲吶在強(qiáng)負(fù)梯度水層或溫躍層這種惡劣環(huán)境中搜索潛艇，難以達(dá)到預(yù)想的效果。

3 結(jié) 語

本文介紹海洋水聲環(huán)境的復(fù)雜性，分析了淺海不同水文條件下的聲傳播規(guī)律，并對(duì)不同水文條件下的聲傳播損失進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真，提出了聲吶根據(jù)不同水文條件進(jìn)行使用的基本原則。

通過對(duì)海區(qū)海洋環(huán)境進(jìn)行調(diào)查研究，掌握其海底聲學(xué)特性、深海聲道位置和海水溫度垂直分布等基本情況，可進(jìn)行海洋環(huán)境預(yù)報(bào)和水聲探測(cè)裝備作用距離預(yù)報(bào)，這對(duì)作戰(zhàn)艦艇來說非常重要。若能在出海之前就估計(jì)出作戰(zhàn)海區(qū)聲吶使用效果，到達(dá)海區(qū)后使用艦艇上水聲設(shè)備再實(shí)地測(cè)試聲速分布、海底聲學(xué)特性或聲道等情況去校正預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，因勢(shì)利導(dǎo)去適應(yīng)環(huán)境，將達(dá)到最佳效果。

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