深海會聚區(qū)特征參數計算方法研究

范培勤，笪良龍，李玉陽

（海軍潛艇學院，山東 青島 266071）

深海會聚區(qū)特征參數計算方法研究

范培勤，笪良龍，李玉陽

（海軍潛艇學院，山東 青島 266071）

針對深海會聚區(qū)特征參數計算的問題，分析了深海會聚區(qū)現(xiàn)象的形成機理，建立了會聚區(qū)距離計算模型，通過對某海區(qū)會聚區(qū)距離的統(tǒng)計分析，得到了會聚區(qū)距離與表面聲速、臨界深度之間的對應關系，實現(xiàn)了會聚區(qū)距離的快速預報。該方法物理意義明確、結果簡單、便于應用，較好地反映會聚區(qū)距離與環(huán)境參數的關系。

聲傳播；會聚區(qū)；特征參數；臨界深度

深海會聚區(qū)現(xiàn)象是深海主要的水聲環(huán)境特點之一，利用深海會聚區(qū)現(xiàn)象實現(xiàn)遠程探測已成為聲納最重要的工作方式之一。當會聚區(qū)現(xiàn)象發(fā)生時，聲納的作用距離將發(fā)生質的變化，對目標的隱蔽性帶來巨大的挑戰(zhàn)。艦艇在該海區(qū)的搜索和發(fā)現(xiàn)能力、隱蔽性及戰(zhàn)術動作與淺海環(huán)境存在很大差別。因此，深入研究會聚區(qū)現(xiàn)象的形成機理，建立會聚區(qū)距離特征參數計算模型，實現(xiàn)會聚區(qū)特征參數的快速預報，從而為艦艇利用會聚區(qū)特殊的水聲環(huán)境特點來完成隱蔽自己、遠程發(fā)現(xiàn)目標和導彈攻擊等任務提供有效的會聚區(qū)特征參數保障。

1 會聚區(qū)形成條件及特征參數計算

1.1 會聚區(qū)現(xiàn)象形成條件

深海聲道也稱為SOFAR(Sound Fixing and Ranging)聲道[1]，如圖1所示。這種聲速剖面中，聲速在某一深度zm處有極小值，這一深度就是聲道軸。聲速剖面在聲道軸的上方由于溫度升高聲速增大，在聲道軸的下方由于靜壓力的增大聲速增大。

如果將聲源置于聲道軸上或聲道內，一部分聲能量將被縛于聲道內，這部分能量在傳播過程中將不會觸及海底和海面，因而也不會遭到這兩個邊界的散射和吸收，聲能可以傳播很遠，聲道中的聲線圖如圖1所示。從聲源處以小掠射角（與水平平面的夾角）射出的聲線將一次又一次地返回到聲源深度上，形成一種波導傳播，聲源越靠近聲道軸效果越強。在圖1中，A1，…B1，…，表示影區(qū)，被束縛的聲線將不會透入其中[2]。

圖1 深海聲道聲線示意圖

當聲源移近聲道時，影區(qū)的寬度縮小而亮區(qū)的寬度增大。若聲源深度與聲道軸重合，則在這一深度上的影區(qū)消失，此時如果接收器材離軸不太遠，就會有相當多條聲線到達其上。其中：zm為聲道軸深度；cm和c0分別是軸上和聲道邊界上的聲速。

當聲源靠近海面時，如圖2所示，聲源處以小掠射角射出的聲線將向聲速減小方向(海底)彎曲，聲線通過聲道軸后逐漸向海面彎曲，最后折回海面。聲線在深層上被折射后重返表層時會發(fā)生會聚并形成所謂焦散線，聲線會聚的區(qū)域稱為會聚區(qū)，其最主要的特征是在會聚區(qū)有很高的聲強級。

圖2中入射角為0的聲線反轉深度最小，為形成會聚區(qū)的臨界深度；海區(qū)的海深減去臨界深度即為深度余量（任意聲線的反轉深度與臨界深度的差值）；聲線到達海面的水平距離稱為會聚區(qū)發(fā)生距離（通常指第一會聚區(qū)的距離）。

因此，要形成會聚區(qū)，聲源和接收器兩者必須都置于聲道內，且海水的深度必須足夠大，海區(qū)的深度余量越大，不觸及海底而聚焦在一起的聲線數越多，會聚區(qū)的能量越強。在深度較小的海水中，深處的聲線被海底反射，從而抑制了會聚區(qū)現(xiàn)象的發(fā)生。

1.2 會聚區(qū)特征參數計算模型

在分層介質中，聲線的循環(huán)跨度Sl[3]：

圖2 會聚區(qū)聲線示意圖

圖2中入射角為0的聲線反轉深度最小，聲線到達海面的水平距離為會聚區(qū)發(fā)生距離R：

式中：g1、g2分別為聲道軸上、下兩層的平均聲速梯度；c0為海表面聲速或表面聲道最大聲速；ck為聲道軸處的聲速；θ為聲線初始掠射角。

當θ=0時，聲線到達海表面附近距離最大，即：

會聚區(qū)寬度定義為：

2 會聚區(qū)特征參數統(tǒng)計分析

美國海軍水下系統(tǒng)中心（NUSC)在這方面作過大量的研究，并且制造了專用的計算尺，用來根據海表面處的聲速來計算會聚區(qū)的距離、臨界深度以及會聚區(qū)的寬度，此計算尺適用范圍是北大西洋海、北太平洋海、地中海、挪威海以及澳大利亞水域[4]，如圖3所示。

圖3 表面聲速與臨界深度關系曲線

利用某海區(qū)12個月的平均聲速剖面，通過統(tǒng)計分析得出了該海區(qū)臨界深度與海表面聲速、聲速與第一會聚區(qū)距離、臨界深度與會聚區(qū)距離之間的關系曲線，如圖4～圖7所示。運用線性回歸得出了在這兩個海區(qū)中臨界深度與海表面聲速、聲速與第一會聚區(qū)距離、臨界深度與會聚區(qū)距離之間關系曲線，如圖7所示。

圖4 表面聲速與臨界深度關系曲線

從圖4可以看出，該海區(qū)的臨界深度隨聲速的增加而增加，臨界深度的變化范圍在3 600～5 700 m之間。

圖5 表面聲速與臨界深度關系曲線

從圖5可以看出，該海區(qū)會聚區(qū)距離隨聲速的增大而增大，但變化較平緩，聲速由1 520 m/s變化到1 550 m/s時，會聚區(qū)距離約增大3 nm。

圖6 表面聲速與會聚區(qū)距離關系曲線

從圖6可以看出，該海區(qū)會聚區(qū)距離隨臨界深度的增大而增大，臨界深度對會聚區(qū)距離有較大的影響。

由圖7可以快速分析計算出海區(qū)形成會聚區(qū)的臨界深度、會聚區(qū)距離。如果海深小于臨界深度，則不能形成會聚區(qū)；反之能夠形成會聚區(qū)，且會聚區(qū)的強弱與深度余量密切相關。表1給出了表面聲速與臨界深度、會聚區(qū)距離的對應關系。

圖7 聲速、臨界深度與會聚區(qū)距離之間的關系

表1 會聚區(qū)形成臨界深度及距離表

假設在某深海海區(qū)，表面聲速值為1 530 m/s，根據圖7可得，該海區(qū)形成會聚區(qū)臨界深度為4 370 m，如果該海區(qū)的海深大于4 370 m，則符合形成會聚區(qū)的環(huán)境條件，且第一會聚區(qū)距離大約在33.24 nm，若該海區(qū)的海深為4 000 m，則不符合形成會聚區(qū)的環(huán)境條件。

3 總結

深海會聚區(qū)的形成及其特性與海表聲速、聲道軸深度、海深等參數密切相關。本文利用某海區(qū)海洋環(huán)境數據和會聚區(qū)特征參數計算模型，得到了會聚區(qū)距離與表面聲速、臨界深度之間的對應關系，實現(xiàn)了會聚區(qū)距離的快速預報。

[1] 王德昭，尚爾昌.水聲學[M].北京：科學出版社，1981：5-286．

[2]劉伯勝，雷家煜.水聲學原理[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，1997：138-146．

[3]張仁和，何怡，劉紅.水平不變聲道中的WKBZ簡正波方法[J].聲學學報，1994，19(1)∶1-12．

[4]李訓誥，徐任洲，杜栓平.利用會聚區(qū)隱蔽結算目標運動要素的方法[J].火力與指揮控制，2006，31(8)：36-40．

[5] 李玉陽，笪良龍，晉朝勃，等.海洋鋒對深海會聚區(qū)特征影響研究[J].聲學技術，2010，29（6）Pt2：78-80．

Research on Characteristic Parameter Computation Method of Convergence Zones in Deep Ocean

FAN Pei-qin,DA Liang-long,LI Yu-yang
(Navy Submarine Academy,Qingdao Shandong 266071,China)

Aiming at the problem of convergence zone characteristic parameter computation in deep ocean,the mechanism of convergence zone in deep ocean was analyzed and a convergence zone space computation model was established.Through statistical analysis of convergence zone range in certain sea,the relation of convergence zone space and surface velocity of sound and critical depth was obtained,realizing the quickly prediction of the convergence zone range.This method has the characteristic of physical meaning definitude,simple computation and easy to application,which preferably reflect the relation between convergence zone range and environmental parameters.

acoustic propagation;convergence zones;characteristic parameter;critical depth

P733.2

A

1003-2029（2012）04-0023-03

2012-03-23

總裝預研基金資助項目（51303080302-5）；新世紀優(yōu)秀人才支持計劃資助項目

范培勤（1981-），男，博士，講師，主要研究方向為水聲環(huán)境效應。Email：similaroly05@163.com