深海會(huì)聚區(qū)特征參數(shù)計(jì)算方法研究

范培勤，笪良龍，李玉陽(yáng)

（海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266071）

深海會(huì)聚區(qū)特征參數(shù)計(jì)算方法研究

范培勤，笪良龍，李玉陽(yáng)

（海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266071）

針對(duì)深海會(huì)聚區(qū)特征參數(shù)計(jì)算的問題，分析了深海會(huì)聚區(qū)現(xiàn)象的形成機(jī)理，建立了會(huì)聚區(qū)距離計(jì)算模型，通過(guò)對(duì)某海區(qū)會(huì)聚區(qū)距離的統(tǒng)計(jì)分析，得到了會(huì)聚區(qū)距離與表面聲速、臨界深度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了會(huì)聚區(qū)距離的快速預(yù)報(bào)。該方法物理意義明確、結(jié)果簡(jiǎn)單、便于應(yīng)用，較好地反映會(huì)聚區(qū)距離與環(huán)境參數(shù)的關(guān)系。

聲傳播；會(huì)聚區(qū)；特征參數(shù)；臨界深度

深海會(huì)聚區(qū)現(xiàn)象是深海主要的水聲環(huán)境特點(diǎn)之一，利用深海會(huì)聚區(qū)現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程探測(cè)已成為聲納最重要的工作方式之一。當(dāng)會(huì)聚區(qū)現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，聲納的作用距離將發(fā)生質(zhì)的變化，對(duì)目標(biāo)的隱蔽性帶來(lái)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(shù)動(dòng)作與淺海環(huán)境存在很大差別。因此，深入研究會(huì)聚區(qū)現(xiàn)象的形成機(jī)理，建立會(huì)聚區(qū)距離特征參數(shù)計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)會(huì)聚區(qū)特征參數(shù)的快速預(yù)報(bào)，從而為艦艇利用會(huì)聚區(qū)特殊的水聲環(huán)境特點(diǎn)來(lái)完成隱蔽自己、遠(yuǎn)程發(fā)現(xiàn)目標(biāo)和導(dǎo)彈攻擊等任務(wù)提供有效的會(huì)聚區(qū)特征參數(shù)保障。

1 會(huì)聚區(qū)形成條件及特征參數(shù)計(jì)算

1.1 會(huì)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(nèi)，一部分聲能量將被縛于聲道內(nèi)，這部分能量在傳播過(guò)程中將不會(huì)觸及海底和海面，因而也不會(huì)遭到這兩個(gè)邊界的散射和吸收，聲能可以傳播很遠(yuǎn)，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(dǎo)傳播，聲源越靠近聲道軸效果越強(qiáng)。在圖1中，A1，…B1，…，表示影區(qū)，被束縛的聲線將不會(huì)透入其中[2]。

圖1 深海聲道聲線示意圖

當(dāng)聲源移近聲道時(shí)，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(shí)如果接收器材離軸不太遠(yuǎn)，就會(huì)有相當(dāng)多條聲線到達(dá)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(dāng)聲源靠近海面時(shí)，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(guò)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(shí)會(huì)發(fā)生會(huì)聚并形成所謂焦散線，聲線會(huì)聚的區(qū)域稱為會(huì)聚區(qū)，其最主要的特征是在會(huì)聚區(qū)有很高的聲強(qiáng)級(jí)。

圖2中入射角為0的聲線反轉(zhuǎn)深度最小，為形成會(huì)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(zhuǎn)深度與臨界深度的差值）；聲線到達(dá)海面的水平距離稱為會(huì)聚區(qū)發(fā)生距離（通常指第一會(huì)聚區(qū)的距離）。

因此，要形成會(huì)聚區(qū)，聲源和接收器兩者必須都置于聲道內(nèi)，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(shù)越多，會(huì)聚區(qū)的能量越強(qiáng)。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(huì)聚區(qū)現(xiàn)象的發(fā)生。

1.2 會(huì)聚區(qū)特征參數(shù)計(jì)算模型

在分層介質(zhì)中，聲線的循環(huán)跨度Sl[3]：

圖2 會(huì)聚區(qū)聲線示意圖

圖2中入射角為0的聲線反轉(zhuǎn)深度最小，聲線到達(dá)海面的水平距離為會(huì)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(dāng)θ=0時(shí)，聲線到達(dá)海表面附近距離最大，即：

會(huì)聚區(qū)寬度定義為：

2 會(huì)聚區(qū)特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析

美國(guó)海軍水下系統(tǒng)中心（NUSC)在這方面作過(guò)大量的研究，并且制造了專用的計(jì)算尺，用來(lái)根據(jù)海表面處的聲速來(lái)計(jì)算會(huì)聚區(qū)的距離、臨界深度以及會(huì)聚區(qū)的寬度，此計(jì)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(guān)系曲線

利用某海區(qū)12個(gè)月的平均聲速剖面，通過(guò)統(tǒng)計(jì)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(huì)聚區(qū)距離、臨界深度與會(huì)聚區(qū)距離之間的關(guān)系曲線，如圖4～圖7所示。運(yùn)用線性回歸得出了在這兩個(gè)海區(qū)中臨界深度與海表面聲速、聲速與第一會(huì)聚區(qū)距離、臨界深度與會(huì)聚區(qū)距離之間關(guān)系曲線，如圖7所示。

圖4 表面聲速與臨界深度關(guān)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(guān)系曲線

從圖5可以看出，該海區(qū)會(huì)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(shí)，會(huì)聚區(qū)距離約增大3 nm。

圖6 表面聲速與會(huì)聚區(qū)距離關(guān)系曲線

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

由圖7可以快速分析計(jì)算出海區(qū)形成會(huì)聚區(qū)的臨界深度、會(huì)聚區(qū)距離。如果海深小于臨界深度，則不能形成會(huì)聚區(qū)；反之能夠形成會(huì)聚區(qū)，且會(huì)聚區(qū)的強(qiáng)弱與深度余量密切相關(guān)。表1給出了表面聲速與臨界深度、會(huì)聚區(qū)距離的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖7 聲速、臨界深度與會(huì)聚區(qū)距離之間的關(guān)系

表1 會(huì)聚區(qū)形成臨界深度及距離表

假設(shè)在某深海海區(qū)，表面聲速值為1 530 m/s，根據(jù)圖7可得，該海區(qū)形成會(huì)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(huì)聚區(qū)的環(huán)境條件，且第一會(huì)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(huì)聚區(qū)的環(huán)境條件。

3 總結(jié)

深海會(huì)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(shù)密切相關(guān)。本文利用某海區(qū)海洋環(huán)境數(shù)據(jù)和會(huì)聚區(qū)特征參數(shù)計(jì)算模型，得到了會(huì)聚區(qū)距離與表面聲速、臨界深度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了會(huì)聚區(qū)距離的快速預(yù)報(bào)。

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

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

[3]張仁和，何怡，劉紅.水平不變聲道中的WKBZ簡(jiǎn)正波方法[J].聲學(xué)學(xué)報(bào)，1994，19(1)∶1-12．

[4]李訓(xùn)誥，徐任洲，杜栓平.利用會(huì)聚區(qū)隱蔽結(jié)算目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素的方法[J].火力與指揮控制，2006，31(8)：36-40．

[5] 李玉陽(yáng)，笪良龍，晉朝勃，等.海洋鋒對(duì)深海會(huì)聚區(qū)特征影響研究[J].聲學(xué)技術(shù)，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(yù)研基金資助項(xiàng)目（51303080302-5）；新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃資助項(xiàng)目

范培勤（1981-），男，博士，講師，主要研究方向?yàn)樗暛h(huán)境效應(yīng)。Email：similaroly05@163.com