淺海負(fù)躍層中聲傳播特性研究?

楊 文 馬 亮

（海軍潛艇學(xué)院 青島 266199）

1 引言

夏季時，淺海表面因為受到風(fēng)吹的影響，經(jīng)常容易出現(xiàn)躍變層。由冬季向夏季過渡時，逐漸由等溫層過渡到負(fù)躍層［1］。負(fù)躍層是海水溫度急劇變化的水層，負(fù)躍層下面的溫度和聲速變化都很緩慢［2］。

由于躍變層是聲速急劇下降的水層，根據(jù)射線聲學(xué)基礎(chǔ)中聲線的傳播可知，聲線到達(dá)負(fù)躍層向下彎曲的幅度增大［3］。聲線總是彎向聲速小的方向，聲線經(jīng)過躍變層會發(fā)射強(qiáng)烈的折射，聲強(qiáng)衰減明顯，則噪聲的傳播距離也明顯降低。

潛艇發(fā)射武器的噪聲源從傳統(tǒng)上可以分為機(jī)械噪聲、流體噪聲及空化噪聲［4］。發(fā)射噪聲破壞了潛艇的隱蔽性，它具有持續(xù)時間短，聲源級大的特點(diǎn)。因為潛艇發(fā)射噪聲的這個特點(diǎn)，當(dāng)潛艇發(fā)射魚雷武器時，敵方潛艇探測到魚雷發(fā)射噪聲后，會進(jìn)行一定的規(guī)避，使魚雷的命中概率降低。發(fā)射噪聲主要貢獻(xiàn)頻帶集中在 1kHz以下，以低頻為主［5～7］。本文被動聲吶探測潛艇發(fā)射噪聲研究，對負(fù)躍層位于不同深度以及負(fù)躍層上下的聲速差不同的情況進(jìn)行仿真分析。

2 淺海環(huán)境下發(fā)射噪聲傳播特性

2.1 被動聲吶方程

水下作戰(zhàn)，在目標(biāo)與潛艇進(jìn)行探測和反探測過程中，以被動聲吶為主要探測手段。由被動聲吶工作時的信息流程，可以得到被動聲吶方程［1］為

式中，SL為噪聲聲源級（dB），TL為傳播損失（dB），NL為海洋環(huán)境噪聲級（dB），DI為接收指向性指數(shù)（dB），DT為聲吶設(shè)備的檢測閾（dB）。被動聲吶方程中傳播損失TL是重要的水聲參數(shù)，傳播損失的定義為

傳播損失是被動聲吶方程的重要參量，也是計算淺海聲傳播模型以及淺海負(fù)躍層聲傳播模型計算被動聲吶的探測距離的重要參量。

2.2 淺海聲傳播損失模型

聲波在淺海傳播會受到海底和海面邊界的影響，所以在分析淺海聲場時不僅需要考慮直達(dá)聲，還必須需要考慮經(jīng)過一次和多次海底、海面的反射，直達(dá)聲場與這些反射聲的疊加為總聲場。文獻(xiàn)中Marsh和Schulkin根據(jù)在10Hz～10kHz頻率范圍內(nèi)約10萬次測量，概括得到了三個距離段的傳播損失（TL）的半經(jīng)驗公式［8］。Marsh-Schulkin與Rogers模型的實(shí)測傳播損失數(shù)據(jù)對比分析表明，總的來說這兩個模型模擬結(jié)果基本符合實(shí)際聲學(xué)調(diào)查數(shù)據(jù)［9］。定義距離參數(shù)R，如下。

式中，H為海水深度（英尺）；L為淺海表面的混合層深度（英尺）；R為距離參數(shù)（千碼）。三個傳播損失的半經(jīng)驗公式按距離可分為

式中，r為水平距離（千碼），kL為近場傳播異常，它與海況及海底的類型有關(guān)；αT為淺海衰減系數(shù)（dB），它與海況及海底的類型有關(guān)；α為海水吸收系數(shù)（分貝/千碼）。對低頻段吸收系數(shù)α的計算［10］，使用文獻(xiàn)［10］中的經(jīng)驗公式：

式中，f為頻率（kHz）。

2.3 淺海負(fù)躍層傳播損失模型

聲波穿越負(fù)躍層的傳播損失，不僅要考慮聲波的折射，還需要考慮海底的反射聲。聲線經(jīng)過負(fù)躍層時會發(fā)生強(qiáng)烈的折射，對聲波傳播產(chǎn)生較大的影響。設(shè)海面下等聲速層聲速為c1，厚度為h1；等聲速層下方為負(fù)躍層，其厚度為h；負(fù)躍層下方的等聲速層速度為c2，且c2＜c1，厚度為h2，如圖1所示。

圖1 聲波穿過淺海負(fù)躍層

設(shè)聲源和接收點(diǎn)分別位于負(fù)躍層的上方和下方，水平距離為R，則這種條件下聲強(qiáng)隨距離的變化規(guī)律［3］為

式中， ||V是與掠射角有關(guān)的海底反射系數(shù)，R0為連接距離。由上式可以看出，聲強(qiáng)隨著距離按r-3衰減。聲強(qiáng)隨著躍變層深度h1增大而增大，隨著聲速差的增大而減小。

聯(lián)立式（1）、（2）、（8）、（9），得到

3 仿真及分析

3.1 聲源位于負(fù)躍層不同深度的聲線圖仿真

設(shè)躍變層上層聲速c1=1524m/s，厚度h1為120m；躍層的厚度h為60m，躍變層下層聲速c2等于1484m/s且c2＜c1，躍層下方等聲速差厚度h2為120m。當(dāng)聲源深度為50m、100m、150m、200m時，聲線圖如圖2、3、4、5所示。

圖2 聲源深度為50m

圖3 聲源深度為100m

圖4 聲源深度為150m

圖5 聲源深度為200m

從聲線圖可以明顯地發(fā)現(xiàn)，聲線傳播經(jīng)過負(fù)躍層時，會發(fā)射明顯的折射，聲強(qiáng)很快變?nèi)?，對聲吶的作用距離產(chǎn)生明顯的影響。聲源位于躍變層上方時，大聲線沿近海面，有利于潛艇探測近海面目標(biāo)；聲源位于躍變層下方，極少掠射角較大的聲線才能到達(dá)躍層上方，有利于潛艇進(jìn)行隱蔽機(jī)動。從聲線圖仿真結(jié)果而言，我方潛艇可以機(jī)動到負(fù)躍層下方發(fā)射魚雷武器，發(fā)射噪聲經(jīng)過負(fù)躍層發(fā)生衰減，可以降低敵方聲吶探測到發(fā)射噪聲的概率。

3.2 淺海聲環(huán)境對探測距離的影響

假設(shè)我方潛艇在淺海環(huán)境進(jìn)行魚雷攻擊，海況為3級。設(shè)發(fā)射噪聲的聲源級（SL）為160dB左右，海洋環(huán)境噪聲（NL）為60dB，噪聲檢測閾為15dB（NL），指向性系數(shù)DI為5dB（DI），表面混合層深度（L）為50m，海底深度（H）為300m，則用式（1）計算R約為13km。當(dāng)R≤r≤8R時，則使用式（3）計算聲傳播損失，聯(lián)立式（6），仿真得到不同頻段發(fā)射噪聲強(qiáng)度變化時被動聲吶的探測距離的變化，如圖6所示。表1、表2為仿真計算中用到的參數(shù)［3］。

表1 不同頻率下淺海衰減系數(shù)與近場傳播異常

表2 不同頻率下海水吸收系數(shù)

圖6 淺海中被動聲吶的探測距離隨發(fā)射噪聲強(qiáng)度的變化

圖6 中三條曲線分別代表頻率在0.1kHz，0.2kHz，0.4kHz。由圖中的仿真結(jié)果可知，發(fā)射噪聲強(qiáng)度的增大對被動聲吶探測發(fā)射噪聲的距離有明顯的影響。由于不同頻率段聲吸收系數(shù)（α）、近場傳播損失異常（kL）和淺海衰減系數(shù)（αT）不同，導(dǎo)致了被動聲吶的探測發(fā)射噪聲的距離不同。由仿真結(jié)果圖可以發(fā)現(xiàn)，在淺海環(huán)境下，同一發(fā)射噪聲強(qiáng)度下，被動聲吶探測低頻段的發(fā)射噪聲的距離較遠(yuǎn)。

3.3 負(fù)躍層深度對被動聲吶探測發(fā)射噪聲距離仿真

假設(shè)躍變層上層聲速為c1為1540m/s，躍變層下層聲速為c2為1460m/s，我方潛艇位于躍變層上方發(fā)射魚雷武器，被動聲吶位于躍變層下方，假設(shè)發(fā)射噪聲的聲源級（SL）為160dB左右，海洋環(huán)境噪聲（NL）為60dB，噪聲檢測閾為15dB（NL），指向性系數(shù)為 5dB（DI）。計算 0.1kHz，0.2kHz，0.3kHz，0.4kHz海底反射系數(shù)和海底反射損失如表3所示。

表3 海底反射系數(shù)和海底反射損失

當(dāng)躍變層深度h1從50m～150m變化時，得到被動聲吶探測距離r隨h1變化如圖7所示。

圖7 負(fù)躍層深度對發(fā)射噪聲探測距離的影響

圖 7中，從上到下分別為 0.1kHz，0.2kHz，0.3kHz，0.4kHz的發(fā)射噪聲。由圖7的仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)噪聲強(qiáng)度一定的情況下，被動聲吶探測發(fā)射噪聲的距離隨躍層深度的增加而增加；在頻率越低的頻段，被動聲吶探測低頻段發(fā)射噪聲距離越大，且隨躍變層深度增加探測距離增加越明顯。當(dāng)躍層的聲速差c1-c2一定時，躍變層的深度對被動聲吶探測發(fā)射噪聲的距離有一定的影響，不同頻段的發(fā)射噪聲探測距離不同。

3.4 負(fù)躍層聲速差對被動聲吶探測發(fā)射噪聲距離仿真

假設(shè)躍變層深度h1為100m時，c1為1540m/s，其他仿真參數(shù)與3.1相同，則得到探測距離隨聲速差c1-c2變化，如圖8所示。

圖8 負(fù)躍層聲速差對發(fā)射噪聲探測距離的影響

圖 8中，從上到下分別為 0.1kHz，0.2kHz，0.3kHz，0.4kHz的發(fā)射噪聲。由圖8的仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)噪聲強(qiáng)度一定的情況下，被動聲吶探測發(fā)射噪聲的距離隨躍層的聲速差增大而減??；在頻率越低的頻段，被動聲吶探測低頻段發(fā)射噪聲距離越大，且隨躍變層深度增加探測距離增加越明顯。當(dāng)躍層的深度一定時，躍變層的聲速差變化對被動聲吶探測發(fā)射噪聲的距離有一定的影響，不同頻段的發(fā)射噪聲的探測距離也有所不同。

4 結(jié)語

本文仿真分析淺海中聲波的傳播及發(fā)射噪聲在淺海的傳播特性以及負(fù)躍層對被動聲吶探測發(fā)射噪聲距離的影響。仿真結(jié)果表明淺海環(huán)境下，被動聲吶探測發(fā)射噪聲距離隨發(fā)射噪聲強(qiáng)度增大明顯增大，且在低頻段發(fā)射噪聲的探測距離較大。負(fù)躍層深度和躍層的聲速差對被動聲吶探測發(fā)射噪聲有一定的影響，且發(fā)射噪聲的低頻段對被動聲吶探測距離影響更加明顯。這對潛艇指揮員利用負(fù)躍層隱蔽發(fā)射魚雷武器有一定的指導(dǎo)意義。