聲吸收系數對聲自導魚雷作用距離影響的仿真分析?

劉志浩 施建禮 趙祚德

（海軍潛艇學院 青島 266071）

1 引言

魚雷自導作用距離受多種因素制約，其中海水的聲吸收作用對自導距離有著重要影響。在理想水文條件中，聲傳播損失主要由波陣面的擴展而引起的幾何衰減，介質粘滯、熱傳導及其他弛豫過程引起的吸收損失，海水中泥沙、氣泡、浮游生物等懸浮粒子以及介質不均勻性引起的散射損失三部分組成。通過改變聲吸收系數可以改變聲信號的傳播損失，進而改變魚雷的自導作用距離。

2 海水對聲信號的吸收

引起聲強在介質中的衰減可以歸納為以下三個方面：擴展損失、吸收損失和散射［1～3］。理想介質中，沿矢徑r方向傳播的球面波TL可表示為

在介質中，由于吸收和散射引起的傳播損失經常同時出現，當平面波傳播微元距離dx后，聲強降低為dI，dI應和聲強I和dx成正比。聲吸收引起的傳播損失等于吸收系數乘上傳播距離，在聲球面擴散模型中，總的傳播損失為

只考慮均勻介質中的經典吸收時，吸收有兩種原因引起：α＝αη＋αk。αη為介質切變粘滯的聲吸收系數；αk為介質的熱傳導聲吸收系數。實際中吸收數值遠大于經典吸收系數αη＋αk，它們之間差值為超吸收。由于超吸收主要與海水中鹽離子的弛豫頻率有關，經驗公式中衰減與聲波頻率的平方成正比，此文中不對超吸收因素作深入描述。

3 自導魚雷捕獲目標概率

對于聲自導魚雷，自導作用距離是影響其性能的一個重要指標。在其他因素不變的情況下，自導作用距離越大，魚雷的捕獲概率越高。并且相關文獻已經仿真證明了自導作用距離對魚雷捕獲概率的影響［4～5］。

目標運動到命中點時，由于運動要素存在誤差，將會散布在命中點一定范圍內。同樣，由于魚雷運動也存在一定的散布，其自導半徑邊緣也會散布在命中點附近。在命中點做垂直于目標和魚雷相對移動線的垂線PP′軸，魚雷扇面邊緣點（相當于魚雷）的散布在PP′軸上呈正態分布，用概率誤差可表示為

同樣，目標在軸上的散布為：

將PT（X）和Pm（X）兩個正態分布進行綜合相當于對兩者概率誤差進行綜合，有

這樣可以把扇面邊緣上的點看做沒有散布，只是目標具有概率誤差為Es的散布。把扇面與目標接觸點左右兩側的扇面投影到PP′軸上，得到S1、S2即為相對搜索寬度。顯然只要目標出現在S1、S2遮蓋的范圍內，自導扇面就能發現目標。因此自導魚雷水平面內的捕獲概率就是目標出現在［S1，S2］中的概率，即有

其中ρ＝0.47694。

該式即為求解自導魚雷是平面內捕獲概率的基本關系式［6～7］。垂直面內捕獲概率計算公式與水平面內相似，但由于自導魚雷垂直面內搜索寬度很寬，魚雷和目標在垂直面上散布誤差有限，因此魚雷在垂直面內捕獲概率一般為100%。在許多要求不是很嚴格的地方，考核自導魚雷捕獲概率往往只需計算水平面的捕獲概率即可，這樣的處理結果與實際情況差別不大［8］。

4 聲吸收系數對捕捉概率及自導作用距離影響的仿真分析

在聲源級、檢測閾等參量不變的條件下，魚雷自導系統的作用半徑與傳播損失有關，傳播過程中損失越大，則魚雷自導的作用距離越短。假設只改變海水聲吸收系數，其他因素保持不變，若使自導系統能檢測到信號，則根據聲納方程可知傳播過程中聲信號的衰減應保持不變。

經實驗測量，海水中聲吸收系數為0.13dB／km［9～10］。仿真過程中α取值由0.13dB／km～10.13dB／km，模擬通過添加鹽類、混濁物等因素增大聲吸收系數；在α＝0.13dB／km條件下，自導作用距離為r1，在聲吸收系數為α2的條件下，其自導作用半徑應滿足

由魚雷捕捉目標概率公式知其捕捉概率受自導半徑影響，自導半徑變化對目標捕捉概率情況如圖1所示。

由前文論述知，仿真聲吸收系數對捕捉概率影響應保持傳播損失不變，假設α1為0.13，改變聲吸收系數α2取值由0.13dB／km～10.13dB／km，初始自導作用距離分別為r＝1km，r＝2km，r＝3km，則隨著吸聲系數α2的變化，衰減損失的變化為圖2所示。

圖1 捕捉概率隨自導半徑變化關系

圖2 自導距離衰減損失隨聲吸收系數和初始自導距離變化關系

由圖1可知，自導半徑在500m～1300m范圍內對目標捕捉概率影響較大，超出該范圍后影響較小。由圖2可知，由于聲吸收系數的改變，魚雷自導作用距離衰減隨聲吸收增大而不斷增大，在3dB／km處衰減速度相對降低。且自導半徑越大，衰減損失越大。

5 結語

影響魚雷捕捉目標概率的因素有很多，作戰中魚雷的實際自導距離和捕捉效果根本無法獲得。本文通過仿真聲吸收系數對聲自導魚雷作用距離影響，得到的結論對實際作戰有有一定意義，尤其是對水下平臺的防御有著較大參考價值，當作戰平臺受敵來襲聲自導魚雷攻擊時，可以通過技術手段改變局部地區海水聲吸收系數，降低其自導半徑，從而達到“隱身”效果［11］。雖然文中部分數據是通過相關實驗獲得，但是仿真過程仍存在假定的參數，文中結論還需試驗進一步驗證。

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［3］丁文強，李本江，鄒侃.聲自導魚雷蛇形彈道搜索模型及捕獲概率計算方法分析［J］.潛艇學術研究，2009（2）：49－56.

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［7］Biot M Theory of propagation of elastic waves in a fluid－saturated porous solid，Ⅱ：higher frequency range［J］.Journal of the Acoustical Society of America，1955，28（2）：179－191.

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