掩埋水雷在不同海底和掩埋深度的聲衰減建模

李通旭,張效民,韓沖,陳瑜

(1.西北工業大學航海學院,陜西西安 710072;2.浙江大學城市學院,浙江杭州 310015）

掩埋水雷在不同海底和掩埋深度的聲衰減建模

李通旭1,張效民1,韓沖1,陳瑜2

(1.西北工業大學航海學院,陜西西安 710072;2.浙江大學城市學院,浙江杭州 310015）

采用Biot-Stoll海底模型分別預測了聲波在粗沙、沙質泥和粘土質泥3種典型海底的聲衰減系數與聲透射系數,通過研究多種海底的聲傳播特性,建立了掩埋條件下水雷在不同海底和不同掩埋深度的聲衰減模型,分析了掩埋對水雷聲引信性能的影響。研究結果表明:不同的海底底質、不同的掩埋深度和不同的引信工作頻段都會在不同程度下影響水雷聲引信的工作性能,在相同的掩埋深度下,10 Hz～5 kHz引信頻帶內,粗沙海底對聲引信的影響最大,粘土質泥對聲引信的影響最小,隨著海底底質平均顆粒直徑的減小和孔隙度的增加,掩埋對聲引信的影響有逐漸減小的趨勢。

兵器科學與技術;掩埋水雷;Biot-Stoll模型;聲衰減;聲引信

0 引言

水聲場是水雷引信探測識別系統應用的物理場之一,艦船輻射噪聲對水雷目標探測識別具有十分重要的意義。然而,沉底雷被布放一段時間后,由于受海況、潮流、海底底質及雷體形狀等因素的影響,會產生被泥沙等海底沉積物掩埋的現象。掩埋對水雷武器的影響是雙重的,一方面它能使敵方的反水雷作戰特別是獵雷行動難度增加,目前獵雷基本采用獵雷聲納為主要手段,而掩埋水雷改變了自身的聲納特性,影響了獵雷的作戰效果;另一方面掩埋水雷在隱蔽自身不被發現的同時也減弱了其探測信號的能力,如果掩埋過深甚至會讓水雷完全失效,從而降低水雷的作戰效能。因此需要深入研究掩埋對水雷引信性能的影響,探索新技術、新方法,以確保并提升掩埋條件下水雷對目標的探測能力,確保雷區的戰斗可靠性。

我國在水雷掩埋的探測上缺乏對水雷掩埋尤其是水雷掩埋預測及其相關問題的系統性、專項性的研究。無論是在水雷掩埋過程的基礎物理研究,還是研究方法工具上,我國與西方國家都有較大的差距。掩埋條件下水雷利用被動聲引信探測目標,艦船噪聲必須要穿透掩埋物才能被接收水聽器接收。由于聲波透射到沉積層會產生能量損失,而且聲波在海底沉積物中衰減大,因此針對掩埋條件下水雷在不同海底和不同掩埋深度的聲衰減進行建模具有重要意義。

在以往的沉積層聲衰減研究中,通常是將海底沉積物當作流體或粘彈固體,如Hamilton模型[1-2]。這種模型在物理上無法解釋實驗測量的聲波速度和衰減隨頻率的變化(即頻散)特點。為了解釋這種頻散現象,Stoll等[3-4]應用Biot孔隙介質理論[5-6]并引入骨架損耗建立了沉積物的Biot-Stoll模型,該理論預測了在無限均勻的孔隙介質中存在3類波(快縱波、慢縱波和橫波)。近期的海底沉積物聲學實驗(SAX99)研究表明[7],以Biot-Stoll模型模擬的海底沉積物的聲學性質(如速度、衰減等)在頻率小于50 kHz時與測量結果符合較好。由于,艦船噪聲的功率譜可以表示為疊加有線譜的連續譜,10 Hz～5 kHz或10 Hz～10 kHz的大約3個10倍頻程的頻率范圍基本覆蓋了目前沉底水雷工作的頻率范圍。因此,可以采用Biot-Stoll模型預測聲波在不同海底的聲衰減系數和聲透射系數,建立掩埋條件下水雷在不同海底和不同掩埋深度的聲衰減模型。

1 理論模型

1.1 Biot-Stoll模型

Biot-Stoll模型所需的輸入參數有:孔隙度β、顆粒密度ρs、孔隙流體密度ρf、顆粒體變模量Kr、流體體變模量Kf、流體粘滯系數η、滲透率κ、彎曲度α、孔隙尺度a、骨架體變模量Kb、骨架剪切模量μ.Biot-Stoll模型的3類聲速[7]為

式中:c1、c2和ct分別為快縱波、慢縱波和橫波的復速度;變量與輸入參數之間的關系為

1.2 模型參數

Hamilton通過大量實驗給出9種海底的介質參數[8],這里取粗沙、沙質泥和粘土質泥3種海底,介質參數如表1.

表1 海底介質參數Tab.1 Parameters of seafloor sediments

表1中的數據是在海底的液態模型或粘彈性模型假設下測量的,不足以提供多孔介質模型使用,下面利用表1中的數據和Biot-Stoll模型參數的計算經驗公式[9]計算相應的多孔介質參數,如表2所示。對于其他類型海底的Biot-Stoll模型參數都可以根據平均顆粒直徑、孔隙度以及經驗公式(5)式推導得出。式中:φ為對數顆粒尺寸;d為平均顆粒直徑。

式中:σ為動態泊松比;τa(z)為掩埋深度為z時的平均總壓力。

表2 3種海底的模型參數Tab.2 Model parameters of three types of sediments

2 不同海底的聲衰減模型

2.1 3種不同海底的快縱波聲速與聲衰減計算

圖1和圖2給出了Biot-Stoll模型在3種不同海底的快縱波聲速與聲衰減曲線。對比3種不同海底的快縱波聲速可看出,粗沙的快縱波聲速最高,粘土質泥的快縱波聲速最低,且都有隨頻率增加而逐漸增大的趨勢。不同的底質類型對快縱波的聲衰減也有不同程度的影響,隨著沉積物平均顆粒直徑的減小和孔隙度的增加,快縱波的聲衰減曲線逐漸向高頻處移動,且在頻帶1～10 kHz內,3種海底的快縱波衰減大小會有較明顯的過渡變化。當頻率為10 kHz時,粗沙海底的聲衰減系數為3 dB/m、沙質泥海底的聲衰減系數為7 dB/m、粘土質泥海底的聲衰減系數為2 dB/m.

圖1 3種不同海底的快縱波聲速曲線Fig.1 Velocity curves of sound in three types of sediments

圖2 3種不同海底的快縱波聲衰減系數曲線Fig.2 Attenuation coefficient curves of sound in three types of sediments

2.2 3種不同海底界面聲透射系數計算

假設所研究海底為平面模型,聲波在不同介質海底的分界面將產生不同的聲反射和透射。圖3和圖4給出了頻率為1 kHz、10 kHz時,Biot-Stoll模型在3類不同海底的快縱波透射損耗隨入射角變化的曲線。可以看出快縱波的透射損耗隨入射角的變化曲線都有一個頂點,定義該點對應的角度為準臨界入射角。對于不同類型海底,準臨界入射角會隨著孔隙度的增大而增大;對于同一海底,由于Biot-Stoll模型的速度頻散特性,隨著頻率的增高準臨界入射角逐漸減小。對于3類海底界面當入射角小于50°時,透射損耗隨入射角的變化很小。

圖5和圖6給出了當入射角為50°和60°時,Biot-Stoll模型在3種不同海底界面的快縱波透射損耗隨頻率變化的曲線。當入射角為50°時,3種海底界面的聲透射損耗都隨著頻率的增加逐漸增大,且粗沙海底界面的聲透射損耗最大,粘土質泥海底界面的聲透射損耗最小。但當入射角為60°時,由于粗沙海底的準臨界入射角在60°附近,粗沙海底界面的聲透射損耗則出現隨著頻率的增加而減小的現象,且粗沙海底界面的聲透射損耗最小,沙質泥海底界面的聲透射損耗則最大。

圖3 3種不同海底界面的聲透射系數曲線(頻率1 kHz)Fig.3 Transmission coefficient curves of sound in three types of sediments(frequency of 1 kHz)

圖4 3種不同海底界面的聲透射系數曲線(頻率10 kHz)Fig.4 Transmission coefficient curves of sound in three types of sediments(frequency of 10 kHz)

圖5 3種不同海底界面的聲透射系數曲線(入射角50°)Fig.5 Transmission coefficient curves of sound in three types of sediments(arrival angle of 50°)

2.3 掩埋水雷在不同海底和不同掩埋深度的聲衰減建模

圖6 3種不同海底界面的聲透射系數曲線(入射角60°)Fig.6 Transmission coefficient curves of sound in three types of sediments(arrival angle of 60°)

通過預測聲波在不同海底的聲衰減系數和聲透射系數,可以建立掩埋條件下水雷在不同海底底質和掩埋深度的聲衰減模型。如圖7所示,水雷被泥沙等海底沉積物掩埋時,假設掩埋深度用h表示,快縱波在海底中的衰減系數用A表示,入射角為θ的海底界面透射損失用T表示,快縱波從海底界面透射到深度為h的總損失為S,則掩埋條件下水雷在不同海底底質和掩埋深度的總聲衰減可表示為S= T+h×A.

圖7 水雷在掩埋條件下的目標探測示意圖Fig.7 Target detection of buried mine

假設θ=50°,h=2 m,圖8為當水雷被掩埋在粗沙、沙質泥和粘土質泥3類海底時,采用Biot-Stoll模型預測的3類不同海底的總聲衰減曲線。由圖8可知,當頻率小于1 kHz時,聲波在3種不同海底的總聲衰減隨頻率的增加而緩慢增大;當頻率大于1 kHz時,聲波在3種典型海底的總聲衰減有隨著頻率增加而明顯增大的趨勢;在10～100 kHz頻段內,沙質泥的總聲衰減最大,粗沙的總聲衰減最小。

3 掩埋對聲引信性能影響分析

針對水雷在不同海底地質、不同掩埋深度和不同頻段的聲衰減進行理論分析計算,可評估掩埋對不同頻段聲引信性能的影響。

圖8 Biot-Stoll模型預測的3類海底的總聲衰減曲線Fig.8 Attenuation coefficient curves of sound in three types of sediments predicted by Biot-Stoll model

根據本文建立的掩埋水雷在不同海底底質和不同掩埋深度的聲衰減模型可以計算掩埋后頻帶能量的變化,表3給出了水雷被掩埋在3種不同類型海底,當掩埋深度分別為1 m和2 m時,掩埋對10 Hz～5 kHz頻帶能量的影響。經計算分析可得,在相同的掩埋深度下,聲引信在3類海底的信噪比都會降低,降低了檢測概率。其中粗沙海底對聲引信的影響最大,粘土質泥海底對聲引信的影響最小,隨著海底底質平均顆粒直徑的減小和孔隙度的增加,掩埋對聲引信的影響有逐漸減小的趨勢。

表3 掩埋對10 Hz～5 kHz頻帶能量的影響Tab.3 Effect of burial on 10 Hz～5 kHz frequency band energies

4 結論

通過研究3種海底底質聲傳播特性,建立了不同海底底質和不同掩埋深度的聲衰減模型,計算并分析了掩埋對水雷聲引信的影響,為提出掩埋條件下水雷探測技術,提高掩埋條件下水雷對目標的探測能力和將來新型沉底水雷、自掩埋水雷設計提供技術參考。

References)

[1] Hamilton E L.Compressional-wave attenuation in marine sediments[J].Geophysics,1972,37(4):620-646.

[2] Hamilton E L.Geoacoustic modeling of the sea floor[J].The Journal of the Acoustical Society of America,1980,68(5): 1313.

[3] Stoll R D,Bryan G M.Wave attenuation in saturated sediments [J].The Journal of the Acoustical Society of America,1970, 47(5):1440.

[4] Hampton L.Physics of sound in marine sediments[M].New York:Springer,1974:19-39.

[5] Biot M A.Theory of propagation of elastic waves in a fluid-saturated porous solid.I.low-frequency range[J].The Journal of the A-coustical Society of America,1956,28(4):168-178.

[6] Biot M A.Theory of propagation of elastic waves in a fluid-saturated porous solid.I.low-frequency range[J].The Journal of the A-coustical Society of America,1956,28(4):179-191.

[7] Williams K L,Jackson D R,Thorsos E I,et al.Comparison of sound speed and attenuation measured in a sandy sediment to predictions based on the Biot theory of porous media[J].IEEE Journal of Oceanic Engineering,2002,27(3):413-428.

[8] Hamilton E L.Compressional-wave attenuation in marine sediments[J].Geophysics,1972,37(4):620-646.

[9] Schock S G.A method for estimating the physical and acoustic properties of the sea bed using chirp sonar data[J].IEEE Journal of Oceanic Engineering,2004,29(4):1200-1217.

Acoustic Attenuation Modeling of Buried Mines in Different Sediments and Depths

LI Tong-xu1,ZHANG Xiao-min1,HAN Chong1,CHEN Yu2
(1.School of Marine Science and Technology,Northwestern Polytechnical University,Xi'an 710072,Shaanxi,China;2.College of City,Zhejang University,Hangzhou 310015,Zhejiang,China)

Biot-Stoll model is used to predict the attenuation and transmission coefficients of sound in coarse sand,sandy clay and clay mud.A sound attenuation model for buried mines in different sediments and depths is established by studying the acoustic propagation characteristics of various sediments,and the effect of burial on buried mine is analyzed.The result shows that the different sediments,the buried depth and the operating frequency of fuze have different impacts on the functions of mine fuze.In the same depth and the frequency range of 10 Hz～5 kHz,the coarse sand has the greatest influence on the acoustic fuze,and the clay mud has the least influence on the acoustic fuze.The effect of burial on acoustic fuze is decreased with the increase in porosity and the decrease in average particle diameter.

ordnance science and technology;buried mine;Biot-Stoll model;acoustic attenuation; acoustic fuze

TJ61+1.2

:A

1000-1093(2014)03-0428-05

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.03.021

2013-06-18

李通旭(1986—),男,博士研究生。E-mail:litongxu@gmail.com;

張效民(1963—),男,教授,博士生導師。E-mail:xmzhang@nwpu.edu.cn