曹 亮，韓引海，謝 輝

(91388 部隊(duì)45 分隊(duì)，廣東湛江524022)

0 引 言

為提高海洋水聲環(huán)境調(diào)查效率，在海洋水聲傳播調(diào)查過(guò)程中，大量地使用大功率、寬頻帶、機(jī)動(dòng)方便、無(wú)指向性的定深爆炸聲源[1-2]。該聲源級(jí)的準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)聲傳播損失的確定至關(guān)重要。

由于定深爆炸聲源的聲信號(hào)經(jīng)過(guò)聲信道的多途傳播，遠(yuǎn)程(>10 km)獲取的爆炸聲信號(hào)難以分離出沖擊波及后續(xù)氣泡脈沖，導(dǎo)致沖擊波的傳播損失難以獲取。因此，測(cè)量爆炸聲信號(hào)總聲能量的傳播損失成為一種替代手段。

爆炸聲信號(hào)的總聲能量應(yīng)當(dāng)只包含爆炸聲源的直達(dá)波，不包含海面、海底等聲信道導(dǎo)致的反射波。然而，由于實(shí)際測(cè)量條件的限制或者采用了不合理的測(cè)量方法，導(dǎo)致獲取的爆炸聲信號(hào)直達(dá)波和反射波交織在一起，難以分離，為爆炸聲源級(jí)的準(zhǔn)確測(cè)量帶來(lái)了困難。肖勇兵等[1]、劉清宇等[3]通過(guò)截取主要能量段的方法來(lái)近似計(jì)算聲源級(jí)。庫(kù)爾[4]曾對(duì)混合炸藥爆炸的能量分配進(jìn)行了試驗(yàn)研究，獲得了不同階段的能量分配情況，但未將其應(yīng)用于爆炸聲源級(jí)的測(cè)量。

本文通過(guò)合理設(shè)計(jì)測(cè)量方案，在某次海上試驗(yàn)中，獲取了理想的水下爆炸聲信號(hào)，以此為基礎(chǔ)計(jì)算了不同階段內(nèi)聲信號(hào)的能量分配情況，并分析了不同信號(hào)截取方式帶來(lái)的聲源級(jí)測(cè)量誤差。

1 水下爆炸聲信號(hào)的特性

水下爆炸會(huì)產(chǎn)生壓力巨大的沖擊波，峰值Ps(單位：μPa)為[1]

式中：ω 為炸藥的有效藥量，單位為kg；R 為測(cè)量點(diǎn)至爆炸點(diǎn)的距離，單位為m。

沖擊波離開(kāi)后，爆轟產(chǎn)物在水中以氣泡的形式存在。氣泡內(nèi)部壓力遠(yuǎn)大于周圍靜水壓力，氣泡以較大速度膨脹，并迫使周圍的水體向外運(yùn)動(dòng)，氣泡內(nèi)部壓力逐漸降低，當(dāng)膨脹到內(nèi)部壓力與靜水壓力平衡時(shí)，氣泡膨脹速度達(dá)到最大，此后，因慣性作用氣泡繼續(xù)向外膨脹直至體積最大，氣泡停止膨脹；此時(shí)，靜水壓力大于氣泡內(nèi)部壓力，氣泡開(kāi)始收縮，直至體積變成最小，氣泡內(nèi)部壓力大于外部壓力，氣泡又開(kāi)始膨脹，如此反復(fù)膨脹、收縮，形成氣泡脈動(dòng)[5]。水下爆炸聲信號(hào)示意圖如圖1 所示。

圖1 水下爆炸聲信號(hào)示意圖Fig.1 Schematic diagram of underwater explosion sound signal

爆炸產(chǎn)生的沖擊波和一次氣泡脈動(dòng)之間的時(shí)間間隔(單位：s)為[1]

二次氣泡脈動(dòng)與一次氣泡脈動(dòng)之間的時(shí)間間隔為

三次氣泡脈動(dòng)與二次氣泡脈動(dòng)之間的時(shí)間間隔為

式(2)～(4)中：H 為爆炸聲源離海面的深度，單位為m，該深度由壓力引信控制。由式(2)～(4)可知，氣泡脈動(dòng)的時(shí)間間隔由炸藥的有效藥量和爆炸深度決定。

盛振新經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算，發(fā)現(xiàn)水下爆炸沖擊波在傳播至距離爆炸中心90 倍藥包半徑處，其傳播速度降到1 500 m·s-1左右，和聲信號(hào)在水中的傳播速度相近，可以認(rèn)為沖擊波經(jīng)過(guò)一定距離傳播后，可作為水下聲信號(hào)來(lái)研究[6]。因此，文中將水聽(tīng)器接收到的沖擊波作為水下爆炸聲信號(hào)的一部分。

理想的水下爆炸聲信號(hào)應(yīng)由無(wú)邊界的水域中爆炸聲源所產(chǎn)生。但現(xiàn)實(shí)環(huán)境中難以找到無(wú)邊界的水域進(jìn)行測(cè)量，只能盡可能將爆炸聲信號(hào)的界面反射波與直達(dá)波在時(shí)間上進(jìn)行分離。考慮爆炸聲信號(hào)的實(shí)際能量分配，認(rèn)為沖擊波的界面反射波在三次氣泡脈動(dòng)后到達(dá)的聲信號(hào)為理想的水下爆炸聲信號(hào)。

2 理想水下爆炸聲信號(hào)測(cè)量限定條件

海上定深爆炸聲源的聲源級(jí)測(cè)量系統(tǒng)示意圖如圖2 所示。系統(tǒng)采用雙船作業(yè)，測(cè)量船停主輔機(jī)漂泊，將溫深傳感器固定在接收水聽(tīng)器上，再將水聽(tīng)器布放入水中一定深度，用導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Positioning System, GPS)實(shí)時(shí)記錄入水點(diǎn)位置，水聽(tīng)器信號(hào)接入錄音機(jī)；定深爆炸聲源在投彈船上投入水中，到達(dá)一定深度時(shí)會(huì)自動(dòng)觸發(fā)引信爆炸，用手持GPS 實(shí)時(shí)記錄聲源入水點(diǎn)位置。圖2 中，定深爆炸聲源爆炸深度為H，接收水聽(tīng)器深度為h，二者的水平距離為L(zhǎng)，直線距離為r1，爆炸聲源聲波經(jīng)海面反射到達(dá)接收水聽(tīng)器的距離為r2+ r3。

由于試驗(yàn)海區(qū)選在水深大于5 000 m 的深海區(qū)域，海底反射波到達(dá)測(cè)量水聽(tīng)器的時(shí)間將遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于海面反射波，因此，本文不予討論。

圖2 定深爆炸聲源聲源級(jí)測(cè)量系統(tǒng)的示意圖Fig.2 Schematic diagram of explosion sound source level measurement

2.1 反射波在三次氣泡脈動(dòng)后到達(dá)(條件1)

沖擊波的界面反射波是在三次氣泡脈動(dòng)后到達(dá)的聲信號(hào)，即

式中，c 表示聲波在海水中的傳播速度。將式(2)、(3)、(4)代入式(5)，可得：

2.2 信號(hào)不限幅(條件2)

搭建的測(cè)量系統(tǒng)使用BK8105 標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器，靈敏度LM為?220.0 dB，數(shù)字錄音機(jī)量程UM最大為20 V，為確保沖擊波峰值不限幅，應(yīng)滿足式(7)：

式中，Ps表示沖擊波峰值，P0為聲壓基準(zhǔn)值，P0=1 μPa，將式(1)代入式(7)，得

2.3 信噪比足夠(條件3)

在水聲傳播關(guān)心的20Hz～10kHz 頻段內(nèi)，對(duì)于航運(yùn)中等，風(fēng)速11～16 kn，可根據(jù)深海平均環(huán)境噪聲譜[7]，計(jì)算得到海洋環(huán)境噪聲寬帶聲壓級(jí)約為98 dB，對(duì)于所搭建的測(cè)量系統(tǒng)，采集獲取的環(huán)境噪聲電壓有效值略小于1 μV。

由式(1)可知，對(duì)于有效藥量大于100 g 的爆炸聲源，在接收距離小于2 km 時(shí)，其沖擊波的峰值壓力大于6.95×108μPa。該壓力導(dǎo)致測(cè)量系統(tǒng)產(chǎn)生的電壓響應(yīng)為16.8 mV，遠(yuǎn)大于環(huán)境噪聲電壓的有效值。

3 數(shù)值計(jì)算

圖3 B300 聲源級(jí)測(cè)量時(shí)水平距離和水聽(tīng)器深度的取值范圍Fig.3 Value range of honrizontal distance and hydrophone depth for B300 explosion sound source level measurement

圖4 B100 聲源級(jí)測(cè)量時(shí)水平距離和水聽(tīng)器深度的取值范圍Fig.4 Value range of honrizontal distance and hydrophone depth for B100 explosion sound source level measurement

取有效藥量為1 kg 的炸藥、深度分別為300、100 和50 m 的三型定深爆炸聲源(后面分別簡(jiǎn)稱為B300、B100 和B50)。接收水聽(tīng)器電纜總長(zhǎng)度為200 m，考慮風(fēng)、流的影響，以及測(cè)量船上預(yù)留部分用于連接采集設(shè)備，水聽(tīng)器的實(shí)際深度將不大于150 m。

將各參數(shù)代入式(5)和式(8)，經(jīng)計(jì)算，對(duì)不同型號(hào)的爆炸聲源，投彈船與測(cè)量船的水平距離L 與水聽(tīng)器深度h 在圖3～5 中陰影處取值時(shí)，可獲得符合條件1～3 的聲信號(hào)。

圖5 B50 聲源級(jí)測(cè)量時(shí)水平距離和水聽(tīng)器深度的取值范圍Fig.5 Value range of honrizontal distance and hydrophone depth for B50 explosion sound source level measurement

4 試驗(yàn)驗(yàn)證及能量分配計(jì)算

4.1 試驗(yàn)驗(yàn)證

在某次海洋調(diào)查中，在圖3 中的陰影區(qū)域選擇一個(gè)點(diǎn)(水平距離L 為260 m，水聽(tīng)器深度h 為57 m)，設(shè)計(jì)了B300 爆炸聲源的測(cè)量方案，對(duì)11枚該型聲源進(jìn)行了測(cè)量，水聽(tīng)器接收到的典型爆炸聲信號(hào)如圖6 所示。由圖6 可知：三次氣泡脈動(dòng)峰值時(shí)刻為0.121 s，在沖擊波的水面反射波(到達(dá)時(shí)刻為0.137 s)之前到達(dá)。因此，根據(jù)第3 節(jié)所限定條件設(shè)計(jì)的測(cè)量方案能獲取理想的爆炸聲信號(hào)。

圖6 實(shí)測(cè)B300 爆炸聲信號(hào)Fig.6 The measured B300 explosion sound signal

4.2 能量分配計(jì)算

對(duì)圖6 中的電壓波形，從沖擊波電壓響應(yīng)起，電壓波形出現(xiàn)5 個(gè)零點(diǎn)，依次將該波形劃分為t1～t5時(shí)間段，之后至沖擊波水面反射波電壓響應(yīng)到達(dá)前的時(shí)間段為t6，之后的信號(hào)為海面反射波。分別計(jì)算各時(shí)間段能量分配情況，具體結(jié)果如表1 所示。

表1 B300 爆炸聲信號(hào)能量分配表Table 1 Energy distribution of the B300 explosion sound signal

由表1 可知：

(1) t1～t6各時(shí)間段的能量分配基本穩(wěn)定，說(shuō)明：爆炸聲源重復(fù)性好，沖擊波及氣泡脈動(dòng)過(guò)程能量分配基本穩(wěn)定；

(2) 沖擊波正脈沖能量(t1時(shí)間段)約占聲源總能量的53.8%，一次氣泡脈動(dòng)正脈沖能量約占聲源總能量的32.4%(t3時(shí)間段)，t1+ t3時(shí)間段合計(jì)占總能量的86.3%；

(3) 二次氣泡脈動(dòng)正脈沖能量約占聲源總能量的2.2%(t5時(shí)間段)，t1+ t3+ t5時(shí)間段合計(jì)占總能量的88.5%。

4.3 爆炸聲源級(jí)計(jì)算

爆炸聲源級(jí)的計(jì)算公式為

式中，E 為選取時(shí)間段的信號(hào)能量。根據(jù)文獻(xiàn)[1]的信號(hào)選擇方式，截取圖6 中的t1和t3時(shí)間段信號(hào)計(jì)算爆炸聲源級(jí)，由此帶來(lái)的誤差為0.64 dB；根據(jù)文獻(xiàn)[3]的信號(hào)選擇方式，選取t1、t3和t5時(shí)間段信號(hào)計(jì)算爆炸聲源級(jí)，信號(hào)截取帶來(lái)的誤差為0.53 dB。

5 結(jié) 論

在定深爆炸聲源的聲源級(jí)測(cè)量中，若未能合理設(shè)計(jì)測(cè)量方案或者擔(dān)憂船體受損等因素，會(huì)導(dǎo)致水聽(tīng)器接收的信號(hào)不是理想的爆炸聲信號(hào)。

為獲取理想的爆炸聲信號(hào)，本文給出了測(cè)量方案設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的三個(gè)條件：界面反射波在三次脈動(dòng)后到達(dá)、信號(hào)不限幅以及足夠的信噪比?；谌齻€(gè)限制條件，對(duì)B300、B100、B50 三型爆炸聲源的聲源級(jí)測(cè)量時(shí)，對(duì)投彈船與測(cè)量船的水平距離L 與水聽(tīng)器深度h 的取值范圍進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。以B300為例，選取取值范圍中的一點(diǎn)，設(shè)計(jì)了海上測(cè)量方案，并進(jìn)行了海上試驗(yàn)驗(yàn)證。測(cè)量結(jié)果表明：基于這三個(gè)條件限制進(jìn)行測(cè)量，能獲取理想的爆炸聲信號(hào)。

對(duì)實(shí)測(cè)的11 組B300 爆炸聲信號(hào)各階段的能量分配進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明：該型爆炸聲源重復(fù)性好，沖擊波及氣泡脈動(dòng)過(guò)程能量分配基本穩(wěn)定；在對(duì)聲源級(jí)近似計(jì)算時(shí)，僅截取信號(hào)的沖擊波和一次氣泡脈動(dòng)正峰值時(shí)，帶來(lái)的誤差為0.64 dB；截取信號(hào)的沖擊波正峰值、一次氣泡脈動(dòng)和二次氣泡脈動(dòng)正峰值時(shí)，帶來(lái)的誤差為0.53 dB。

在后續(xù)的海洋調(diào)查中，對(duì)同一批次、同一型號(hào)的爆炸聲源，可根據(jù)本文給出的限制條件，設(shè)計(jì)測(cè)量方案，以獲取理想爆炸聲信號(hào)，準(zhǔn)確計(jì)算爆炸聲源級(jí)。