近淺海條件下被動聲吶浮標使用深度分析與研究

張飛飛，趙申東，劉朝暉，梁佐堂

(海軍航空工程學院 青島校區，山東 青島 266041)

0 引 言

聲吶浮標的作用距離與具體的海洋環境、潛艇的目標特性以及聲吶浮標的工作深度等密切相關[1]。在不同的聲速剖面下，聲吶浮標工作深度不同，其對潛艇的探測距離不同。因此，研究聲吶浮標如何根據海洋水聲環境進行探測目標，對于提高其環境適應性、探測性具有重要意義。水聲學通常把水深200 m以內的海域劃分為淺海，而我國近海最顯著的特點是200 m以內的淺海水域比較多，多在60～80 m，南海近海海域也鮮有超過100 m的區域。因此，本文重點介紹淺海水文環境的聲傳播特性、潛艇的目標特性，分析不同水文條件下的聲傳播損失，提出聲吶浮標如何根據實際水文條件合理使用的方法。

1 潛艇輻射噪聲模型

潛艇的輻射噪聲來源于許多方面，主要包括機械噪聲和螺旋槳噪聲。當潛艇達到一定航速時螺旋槳表面會形成氣泡，產生螺旋槳空化噪聲，這時，潛艇的輻射噪聲急劇增大。該速度稱為臨界速度。隨著潛艇的下潛，臨界速度逐漸增大，計算公式如下[2]：

式中：Vc為臨界速度，kn；H為潛艇航行深度，m；Vc100為潛艇航行在100 m深度時的臨界速度，kn；p為海平面上的標準大氣壓力，Pa；pd為潛艇航行深度處水的飽和蒸汽壓力，Pa，其值遠遠小于標準大氣壓力，計算時可忽略；pd100為100 m深度時水的飽和蒸汽壓力，Pa，其值遠遠小于標準大氣壓力，計算時可忽略；ρ為海水密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2。

本文采用文獻[3]中的潛艇輻射噪聲仿真模型，如下式：

式中：Vm為潛艇的航速，kn；a為潛艇類別，a=1表示極安靜潛艇，a=2表示安靜潛艇，a=3表示潛艇速度超過臨界航速后輻射噪聲隨航速的變化，按潛艇類型取1.5～2；Δ為潛艇速度超過臨界航速后輻射噪聲聲源級的增量，按潛艇類型取25～50 dB。

以安靜型潛艇為例，令b=1.7，Δ=35，通過仿真計算得到潛艇的輻射噪聲隨航行深度和航行速度的變化規律，如圖1所示。從圖中可以看出，當潛艇的航速超過其臨界速度時，輻射噪聲會急劇增大，不利于潛艇的隱蔽，所以潛艇通常都會根據其所處的深度，選擇在臨界速度以下航行。

圖1 潛艇的輻射噪聲與航深和航度的關系Fig.1 The relationship of the submarine’s radiated noise and the depth and speed

2 海洋環境噪聲模型

淺海環境噪聲主要源于海面，主要受海況或海面風速影響[4–5]，可以通過下式估算噪聲譜級。

式中：f為頻率，kHz；S為海況等級（S=0，1，…，9）。則環境噪聲級為：

3 基于射線理論的淺海傳播損失計算方法

淺海聲場的計算一直是水聲領域研究的難點問題，目前國內外都有若干技術比較成熟的聲場計算模型，不同的海區條件和聲吶參數需要采用不同的模型。本文采用BELLHOP模型來計算水聲場。與傳統射線模型相比，該模型能夠較好地處理聲線能量焦散和完全影區等問題，其可靠性在近年來的研究中得到了較充分的驗證。

假設一聲線的聲壓p為：

式中：ω為圓頻率；A為沿聲線方向的振幅；?為垂直于聲線方向的影響函數；s為沿聲線方向的弧長；n為垂直于聲線中心方向的位移；τ為沿聲線的傳播時間。

在柱面坐標系下，控制方程為：

式中：r和z分別表示水平距離和深度；ξ和ζ為與掠射角有關的2個中間變量，

在射線追蹤過程中，通過引入2個變量u和v來控制高斯射線束的能量分布：

式中：cnn為聲線法線方向的二階微分。由此，?，A可表示為高斯聲線寬度W的函數：

式中，δα為臨近聲線夾角的微分。

傳播時間τ可表示為聲速倒數的積分：

式中，N為特征聲線的個數。

4 典型聲速剖面下的聲傳播及聲傳播損失

4.1 正梯度聲速剖面

聲速正梯度條件下，聲線向海面彎曲，如圖2所示。

圖2 正梯度聲速剖面時的聲傳播特性Fig.2 Acoustic propagation characteristic existing positive gradient sound speed profile

傳播損失如圖3所示。

圖3 正梯度聲速剖面時的聲傳播損失Fig.3 Transmission loss existing positive gradient sound speed profile

4.2 負梯度聲速剖面

聲速負梯度條件下，聲線向海底彎曲，如圖4所示。

圖4 負梯度聲速剖面時的聲傳播特性Fig.4 Acoustic propagation characteristic existing negative gradient sound speed profile

傳播損失如圖5所示。

4.3 反聲道聲速剖面

該聲速梯度條件下，在躍變層以上，聲線向海面彎曲，在躍變層以下，聲線向海底彎曲，如圖6所示。

傳播損失如圖7所示。

圖5 負梯度聲速剖面時的聲傳播損失Fig.5 Transmission loss existing negative gradient sound speed profile

圖6 反聲道聲速剖面時的聲傳播特性Fig.6 Acoustic propagation characteristic existing negative sound channel sound speed profile

圖7 反聲道聲速剖面時的聲傳播損失Fig.7 Transmission loss existing negative sound channel sound speed profile

5 被動聲吶浮標的探測距離仿真分析

被動聲吶方程為

式中：SL為目標聲源級，dB；NL為海洋環境噪聲，dB；TL為傳播損失，dB；DT為檢測閾，dB；DI為接收指向性指數，dB；SE為信號余量，dB，通常當SE＞0時，認為能檢測到目標[4,7]。

潛艇在海中航行，出于對自身安全的考慮，通常不會距離海面和海底太近，以安靜型潛艇為例，假設海區深度為80 m，3級海況，海底平坦，沉積層為砂-泥-粘土，沉積層厚度為20 m，被動全向聲吶浮標的接受指向性指數為0，工作帶寬為10 Hz～10 kHz，檢測閾為10 dB，潛艇航行速度為4 kn，在海區深度上每5 m選一個點，分別仿真計算在3種聲速剖面下，潛艇航行深度在20 m（臨界速度為4.2 kn）、30 m（臨界速度為4.8 kn）、40 m（臨界速度為5.4 kn）、50 m（臨界速度為5.9 kn）、60 m（臨界速度為6.4 kn）時被動聲吶浮標在不同深度的探測距離，進而分析聲吶浮標的最佳使用深度。如圖8～圖10所示。

圖8 正梯度聲速剖面下被動聲吶浮標探測距離Fig.8 The detection range of passive sonobuoy when positive gradient sound speed profile

圖9 負梯度聲速剖面下被動聲吶浮標探測距離Fig.9 The detection range of passive sonobuoy when negative gradient sound speed profile

從圖8～圖10中可以得出一致的結論，即當浮標與潛艇處于同一深度時，均能達到最佳的探測距離。

但通常情況下，潛艇在海中的航行深度未知，從圖8中可以看出，當浮標深度處于20 m和30 m時，探測效果最好，最大探測距離能夠達到4.3 km。這是由于在正梯度聲速剖面下，海面附近會形成表面聲道，有利于聲信號的遠距離傳播，因此，在正梯度聲速剖面下，可以選擇將浮標置于20～30 m之間。

從圖9中可以看出，當浮標深度處于50 m和60 m時，探測效果最好，最大探測距離能夠達到3.3 km。這是由于負梯度聲速剖面下，聲線向海底彎曲，經過海底反射后向遠距離傳播，但聲信號經過海底的反射會損失一部分能量，所以在此條件下取得的探測效果不如在表面聲道下的探測效果好。因此，在負梯度聲速剖面下，可以選擇將浮標置于50～60 m之間。

圖10 反聲道聲速剖面下被動聲吶浮標探測距離Fig.10 The detection range of passive sonobuoy when negative sound channel sound speed profile

從圖10中可以看出，當浮標深度處于20 m，30 m和50 m，60 m時，都能取得較好的探測效果，唯獨在40 m時，探測距離較近，這是由于在躍變層以上，聲速呈正梯度分布，會在海面附近形成表面聲道，有利于聲信號的傳播，而在躍變層以下，聲速呈負梯度分布，聲線向海底彎曲，經過海底的反射，向遠距離傳播。因此，在反聲道聲速剖面下，可以選擇將浮標置于20～30 m之間或者50～60 m之間。

6 結 語

本文利用BELLHOP模型計算了淺海水聲場。在充分考慮潛艇輻射噪聲、海洋環境噪聲的情況下，對被動聲吶浮標在不同深度的探測效果進行了仿真分析，結果表明，聲吶浮標處于不同深度時，對潛艇的探測效果有明顯差別，找到浮標的最佳的探測深度，能夠充分發揮裝備自身的性能，得到最佳的探測效果。

[1]張紀鈴, 胡鵬濤.淺海聲速剖面對聲吶作用距離的影響研究[J].電聲技術, 2014, 38(10): 36–38.

[2]高守勇, 王升, 馬力, 等.潛艇輻射噪聲近場特性研究[J].聲學技術, 2011, 30(3): 7–9.

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[4]劉伯勝, 雷家煜.水聲學原理[M].哈爾濱: 哈爾濱工程大學出版社, 2010.

[5]孟春霞, 李桂娟, 張 亮.淺海環境噪聲垂直指向性獲取與分析[J].聲學技術, 2013, 32(5): 37–39.

[6]劉盂庵, 連立民.水聲工程[M].杭州: 浙江科學技術出版社,2002: 72–73.

[7]梁民贊, 孟華, 陳迎春, 等.水聲環境復雜性對聲吶探測距離的影響[J].船舶科學技術, 2013, 35(4): 45–48.