淺海負躍層中聲傳播特性研究?

楊 文 馬 亮

（海軍潛艇學院 青島 266199）

1 引言

夏季時，淺海表面因為受到風吹的影響，經常容易出現躍變層。由冬季向夏季過渡時，逐漸由等溫層過渡到負躍層［1］。負躍層是海水溫度急劇變化的水層，負躍層下面的溫度和聲速變化都很緩慢［2］。

由于躍變層是聲速急劇下降的水層，根據射線聲學基礎中聲線的傳播可知，聲線到達負躍層向下彎曲的幅度增大［3］。聲線總是彎向聲速小的方向，聲線經過躍變層會發射強烈的折射，聲強衰減明顯，則噪聲的傳播距離也明顯降低。

潛艇發射武器的噪聲源從傳統上可以分為機械噪聲、流體噪聲及空化噪聲［4］。發射噪聲破壞了潛艇的隱蔽性，它具有持續時間短，聲源級大的特點。因為潛艇發射噪聲的這個特點，當潛艇發射魚雷武器時，敵方潛艇探測到魚雷發射噪聲后，會進行一定的規避，使魚雷的命中概率降低。發射噪聲主要貢獻頻帶集中在 1kHz以下，以低頻為主［5～7］。本文被動聲吶探測潛艇發射噪聲研究，對負躍層位于不同深度以及負躍層上下的聲速差不同的情況進行仿真分析。

2 淺海環境下發射噪聲傳播特性

2.1 被動聲吶方程

水下作戰，在目標與潛艇進行探測和反探測過程中，以被動聲吶為主要探測手段。由被動聲吶工作時的信息流程，可以得到被動聲吶方程［1］為

式中，SL為噪聲聲源級（dB），TL為傳播損失（dB），NL為海洋環境噪聲級（dB），DI為接收指向性指數（dB），DT為聲吶設備的檢測閾（dB）。被動聲吶方程中傳播損失TL是重要的水聲參數，傳播損失的定義為

傳播損失是被動聲吶方程的重要參量，也是計算淺海聲傳播模型以及淺海負躍層聲傳播模型計算被動聲吶的探測距離的重要參量。

2.2 淺海聲傳播損失模型

聲波在淺海傳播會受到海底和海面邊界的影響，所以在分析淺海聲場時不僅需要考慮直達聲，還必須需要考慮經過一次和多次海底、海面的反射，直達聲場與這些反射聲的疊加為總聲場。文獻中Marsh和Schulkin根據在10Hz～10kHz頻率范圍內約10萬次測量，概括得到了三個距離段的傳播損失（TL）的半經驗公式［8］。Marsh-Schulkin與Rogers模型的實測傳播損失數據對比分析表明，總的來說這兩個模型模擬結果基本符合實際聲學調查數據［9］。定義距離參數R，如下。

式中，H為海水深度（英尺）；L為淺海表面的混合層深度（英尺）；R為距離參數（千碼）。三個傳播損失的半經驗公式按距離可分為

式中，r為水平距離（千碼），kL為近場傳播異常，它與海況及海底的類型有關；αT為淺海衰減系數（dB），它與海況及海底的類型有關；α為海水吸收系數（分貝/千碼）。對低頻段吸收系數α的計算［10］，使用文獻［10］中的經驗公式：

式中，f為頻率（kHz）。

2.3 淺海負躍層傳播損失模型

聲波穿越負躍層的傳播損失，不僅要考慮聲波的折射，還需要考慮海底的反射聲。聲線經過負躍層時會發生強烈的折射，對聲波傳播產生較大的影響。設海面下等聲速層聲速為c1，厚度為h1；等聲速層下方為負躍層，其厚度為h；負躍層下方的等聲速層速度為c2，且c2＜c1，厚度為h2，如圖1所示。

圖1 聲波穿過淺海負躍層

設聲源和接收點分別位于負躍層的上方和下方，水平距離為R，則這種條件下聲強隨距離的變化規律［3］為

式中， ||V是與掠射角有關的海底反射系數，R0為連接距離。由上式可以看出，聲強隨著距離按r-3衰減。聲強隨著躍變層深度h1增大而增大，隨著聲速差的增大而減小。

聯立式（1）、（2）、（8）、（9），得到

3 仿真及分析

3.1 聲源位于負躍層不同深度的聲線圖仿真

設躍變層上層聲速c1=1524m/s，厚度h1為120m；躍層的厚度h為60m，躍變層下層聲速c2等于1484m/s且c2＜c1，躍層下方等聲速差厚度h2為120m。當聲源深度為50m、100m、150m、200m時，聲線圖如圖2、3、4、5所示。

圖2 聲源深度為50m

圖3 聲源深度為100m

圖4 聲源深度為150m

圖5 聲源深度為200m

從聲線圖可以明顯地發現，聲線傳播經過負躍層時，會發射明顯的折射，聲強很快變弱，對聲吶的作用距離產生明顯的影響。聲源位于躍變層上方時，大聲線沿近海面，有利于潛艇探測近海面目標；聲源位于躍變層下方，極少掠射角較大的聲線才能到達躍層上方，有利于潛艇進行隱蔽機動。從聲線圖仿真結果而言，我方潛艇可以機動到負躍層下方發射魚雷武器，發射噪聲經過負躍層發生衰減，可以降低敵方聲吶探測到發射噪聲的概率。

3.2 淺海聲環境對探測距離的影響

假設我方潛艇在淺海環境進行魚雷攻擊，海況為3級。設發射噪聲的聲源級（SL）為160dB左右，海洋環境噪聲（NL）為60dB，噪聲檢測閾為15dB（NL），指向性系數DI為5dB（DI），表面混合層深度（L）為50m，海底深度（H）為300m，則用式（1）計算R約為13km。當R≤r≤8R時，則使用式（3）計算聲傳播損失，聯立式（6），仿真得到不同頻段發射噪聲強度變化時被動聲吶的探測距離的變化，如圖6所示。表1、表2為仿真計算中用到的參數［3］。

表1 不同頻率下淺海衰減系數與近場傳播異常

表2 不同頻率下海水吸收系數

圖6 淺海中被動聲吶的探測距離隨發射噪聲強度的變化

圖6 中三條曲線分別代表頻率在0.1kHz，0.2kHz，0.4kHz。由圖中的仿真結果可知，發射噪聲強度的增大對被動聲吶探測發射噪聲的距離有明顯的影響。由于不同頻率段聲吸收系數（α）、近場傳播損失異常（kL）和淺海衰減系數（αT）不同，導致了被動聲吶的探測發射噪聲的距離不同。由仿真結果圖可以發現，在淺海環境下，同一發射噪聲強度下，被動聲吶探測低頻段的發射噪聲的距離較遠。

3.3 負躍層深度對被動聲吶探測發射噪聲距離仿真

假設躍變層上層聲速為c1為1540m/s，躍變層下層聲速為c2為1460m/s，我方潛艇位于躍變層上方發射魚雷武器，被動聲吶位于躍變層下方，假設發射噪聲的聲源級（SL）為160dB左右，海洋環境噪聲（NL）為60dB，噪聲檢測閾為15dB（NL），指向性系數為 5dB（DI）。計算 0.1kHz，0.2kHz，0.3kHz，0.4kHz海底反射系數和海底反射損失如表3所示。

表3 海底反射系數和海底反射損失

當躍變層深度h1從50m～150m變化時，得到被動聲吶探測距離r隨h1變化如圖7所示。

圖7 負躍層深度對發射噪聲探測距離的影響

圖 7中，從上到下分別為 0.1kHz，0.2kHz，0.3kHz，0.4kHz的發射噪聲。由圖7的仿真結果可以看出，當噪聲強度一定的情況下，被動聲吶探測發射噪聲的距離隨躍層深度的增加而增加；在頻率越低的頻段，被動聲吶探測低頻段發射噪聲距離越大，且隨躍變層深度增加探測距離增加越明顯。當躍層的聲速差c1-c2一定時，躍變層的深度對被動聲吶探測發射噪聲的距離有一定的影響，不同頻段的發射噪聲探測距離不同。

3.4 負躍層聲速差對被動聲吶探測發射噪聲距離仿真

假設躍變層深度h1為100m時，c1為1540m/s，其他仿真參數與3.1相同，則得到探測距離隨聲速差c1-c2變化，如圖8所示。

圖8 負躍層聲速差對發射噪聲探測距離的影響

圖 8中，從上到下分別為 0.1kHz，0.2kHz，0.3kHz，0.4kHz的發射噪聲。由圖8的仿真結果可以看出，當噪聲強度一定的情況下，被動聲吶探測發射噪聲的距離隨躍層的聲速差增大而減小；在頻率越低的頻段，被動聲吶探測低頻段發射噪聲距離越大，且隨躍變層深度增加探測距離增加越明顯。當躍層的深度一定時，躍變層的聲速差變化對被動聲吶探測發射噪聲的距離有一定的影響，不同頻段的發射噪聲的探測距離也有所不同。

4 結語

本文仿真分析淺海中聲波的傳播及發射噪聲在淺海的傳播特性以及負躍層對被動聲吶探測發射噪聲距離的影響。仿真結果表明淺海環境下，被動聲吶探測發射噪聲距離隨發射噪聲強度增大明顯增大，且在低頻段發射噪聲的探測距離較大。負躍層深度和躍層的聲速差對被動聲吶探測發射噪聲有一定的影響，且發射噪聲的低頻段對被動聲吶探測距離影響更加明顯。這對潛艇指揮員利用負躍層隱蔽發射魚雷武器有一定的指導意義。