定深炸彈爆炸信號聲源級測量與數據分析

鄒偉仁 趙秋茁

(91388部隊，湛江，524002)

在海洋聲學調查中，聲傳播損失的測量是必不可少的一項重要內容，得到作業(yè)海區(qū)的聲傳播的特征有利于己方艦艇探測敵方，以及尋求己方聲隱蔽。在聲傳播損失調查中，一般采用單船作業(yè)方式，利用浮標或潛標接收投放炸彈水下爆炸產生的爆炸信號[1]。定深炸彈的聲源級采取類似方法測量，采用小艇投放定深炸彈，作業(yè)船尾舷邊布放信號接收水聽器，爆炸與接收位置的水平距離可以利用小艇與舷邊水聽器布放點的GPS坐標計算。在這種水平距離的計算中，爆炸點的位置等效小艇的GPS坐標位置，接收水聽器的位置等效船舷邊布放點的GPS坐標位置，這種等效位置在海流較大時會產生一定距離計算誤差。本文介紹基于單水聽器接收的定深炸彈爆炸信號計算爆炸點與接收點距離的方法，可為海洋調查提供一定的參考。同時也分析了爆炸信號激波與第一氣泡脈沖的聲能量關系。

1 聲源級測量實施方法

1.1 海域的選擇

測量區(qū)域選擇水深>1000 m的開闊海域，測量時海況要求不大于2級，實施示意圖見圖1。

圖1 聲源級測試實施示意圖

為準確測量爆炸信號的聲源級，一般需要選擇深度較大且海流較小的海域，在間隔水聽器10 cm處設置一個溫深測量儀（Temperature-Depth data logger，TD）傳感器，可以在整個測量過程中記錄水聽器的深度信息。海深較大時可減少海底反射對源級測量的影響。在實際測量過程中，定深炸彈投擲出去距離小艇2～3 m，同時因為海流的作用，水聽器不在布放船舷邊點的垂直布放位置，而在水平方向偏離船舷邊布放點。Δr為信號接收點的水平距離偏離值：

式中，h1為信號接收點水深，Δh1為接收點深度變化值。以h1=80 m為例，假如因為海流的作用，實際水聽器布放深度只有 78 m，則在水平方向偏離17 m，說明布放深度的變化會引起水平方向更大的變化。此時接收水聽器的位置等效于船舷邊布放點的GPS坐標位置，這種等效方法會產生一定的誤差。

1.2 水平距離與水聽器布放深度的選擇

定深炸彈的爆炸點與測量水聽器的水平距離是影響兩者之間距離的主要因素。源級測量時兩者不能相距很遠，距離遠時爆炸聲信號受散射與粘滯吸收較大，有一定物理損失能量，產生聲源級測量系統(tǒng)誤差；距離近則水聽器接收信號會限幅。水平距離一般選擇100～250 m之間為宜。為方便提取直達聲信號，準確計算接收信號的聲能級，應在時域區(qū)分激波與其海面的反射聲，直達激波脈沖與海面反射波之間的時間間隔T為[2]

式中，r為爆炸點與信號接收點的水平距離，h2為爆炸點水深。假如爆炸深度為25 m，有效炸藥量為0.1kg，水平距離設計150 m，則T隨接收點的深度變化如圖2所示。圖中，T隨接收深度的增加而增加，同時T必須小于爆炸產生的第一次氣泡脈沖與激波脈沖的時間間隔t[3]：

圖2 時間間隔隨接收點深度的變化

式中，W為有效的爆炸藥量。經計算，t=50.5 ms。因電纜長度限制，選擇接收點80 m水深，滿足T

2 爆炸信號處理與分析

2.1 爆炸信號時域分析

按圖1所示布放設備，設計小艇距離工作母船150 m，水聽器布放深度80 m，投放25 m定深炸彈，有效炸藥量為0.1 kg。信號時域波形如圖3所示。

圖3 信號時域波形

圖3中，標準水聽器接收的信號含有激波脈沖、兩次明顯的氣泡脈沖以及它們的海面反射聲信號。激波的反射聲與直達聲時間間隔T大約為15 ms，與圖2所示設定值大體一致。6組定深炸彈的爆炸信號時域波形如圖4所示。由圖可以看出，波形一致，都出現了典型沖擊信號。

圖4 6組爆炸信號波形

由6組定深炸彈的爆炸信號時域波形得到時間間隔T，由T計算得到爆炸點與接收點之間的水平距離r，如表1所示。

表1 爆炸點與接收點之間的水平距離

2.2 爆炸信號聲源級計算

聲源級的計算首先截取水聽器接收的直達聲部分，去除海面反射部分，計算公式如下[4]。

圖5 截取爆炸信號直達聲波形示例

6組定深炸彈信號的聲源級如圖6所示，信號的源級變化趨勢一致，且低頻能量明顯高于高頻能量；其中在500～2000 Hz范圍內6組信號的源級計算大體一致，誤差很??；2000～4000 Hz之間最大差異在3 dB范圍內，存在一定誤差。

圖6 6組炸彈聲源級計算值

在實際情況應用定深炸彈聲源級計算聲傳播損失時，可以通過計算同一類型炸彈的多組信號源級均值減少誤差。

2.3 爆炸信號聲能級分析

爆炸信號激波與氣泡脈沖的聲能量關系如圖7～8所示。6組炸彈的爆炸信號第一氣泡脈沖與激波聲能級比在500～4000 Hz范圍內大致呈線性遞減的關系；第二氣泡脈沖與激波聲能級比總體都小于第一氣泡脈沖與激波聲能級比。同時，因為第二氣泡脈沖包含了干涉的結果，能級比在 0.72～0.86的范圍內有一定的差異。

圖7 爆炸信號第一氣泡脈沖與激波能級比值

圖8 爆炸信號第二氣泡脈沖與激波能級比值

3 結束語

在海洋調查水下定深炸彈爆炸信號聲源級測試過程中，因爆炸點與信號接收點距離近，由直達聲與海面反射聲到達接收點的時間差計算兩者之間的距離是可行的。建議在海流較大且實際海況較復雜時，按圖1測試方法，采取本文介紹的方法計算爆炸點與信號接收點之間的距離。而且爆炸信號第一氣泡脈沖與激波聲能級比大致呈線性遞減的關系，在低頻段能量比高，高頻段能量比低，炸彈爆炸低頻能量衰減較高頻慢。