声呐技术及其发展、应用和影响

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声呐技术及其发展、应用和影响

来源: | 作者:pro22606c | 发布时间: 2020-12-15 | 274 次浏览 | 分享到:

水声学是指研究水下声波的产生、辐射、传播、接收和量度，并用以解决与水下目标探测及信息传输有关的各种问题的一门声学分支学科。在海水中声波的衰减远比电磁波为小，故声波是海水中探测目标和传递信息的有效工具，因而水声学的发展对提高现代海军的反潜作战能力起着重要作用。同时水声学在民用如导航、海底地质考察和石油勘探、渔业方面均有广泛应用。

一、水下声道

产生海洋传播声道的条件是海洋边界及特定声速剖面，声速剖面就是海洋的声速分层结构。海水中的声速是温度、盐度和静压力(深度)的函数，它大致分为三层：表面层、主跃变层和深海等温层。
表面层中的声速对温度和风的作用很敏感，有明显的季节变化和日变化。在表面层以下约千米深度内，温度随深度而下降，使声速也随深度下降，具有较强的负声速梯度，称为主跃变层。最下面的称为深海等温层，层中海水处于冷而均匀的稳定状态，声速随着深度的增加而增加。在主跃变层的负声速梯度和深海等温层的正声速梯度之间存在一个定速极小值(声道轴)，形成较稳定的深海声道——声发声道。
在沿岸浅海及大陆架上，声速剖面受较多的因素影响，有较强的地区变异性和短时间不稳定性。但平均而言，仍有比较明显的季节特征。在冬季的典型声速剖面是等温层，在夏季往往是负跃层或负梯度。

在浅海，由海面和海底构成浅海声道，声波在声道中由海面和海底不断反射而传播。海底的声反射特性，特别是小掠射角的海底反射损失，是浅海声场分析和声呐作用距离预报的重要参量，它决定于海底的底质和结构。
当声传播水平距离不特别远(几百千米以内)时，往往把海洋看作分层媒质，分层媒质中的波动理论在60年代已达到较为成熟的阶段。海洋中存在着大量散射体以及起伏不平的界面。当声源发射声波以后，碰到这些散射体，就会引起声能在各个方向上重新分配，即产生散射波，其中返回到接收点的散射波的总和称为混响。
混响是主动式声呐的主要干扰。由产生混响的散射体不同性质，可分为体积混响、海面混响和海底混响。对混响的研究大体上分为能量规律和统计规律两个方面，混响的能量规律的理论分析以声波在海洋中的传播理论和散射理论的结合为出发点，主要涉及混响强度同信号参量和环境因素的联系以及衰减规律。
随着声纳信号处理技术的发展，接收机输出数据率不断提高，靠声纳员来辨认出目标并测定其参量是很困难的，这就发展了机器辅助检测和自动检测的技术。虽然水声信号处理的理论与雷达很相似，但由于水声信道的复杂性，仍有许多不同之处。

01深海中的声传播

通过混合层声道、声发声道和会聚区等方式传播。
①深海混合层声道
它使掠射角小于在混合层底部（即下边界）发生反转的临界角，使声线保持在声道中，从而形成较为良好的声波传播通道。在层的下面产生声影区，由于海面的声散射以及声道下边界引起的衍射，一些能量进入了影区，故影区不是完全无声的。混合层声道的传播损失除了几何扩展和吸收衰减外，还包括泄漏衰减。当频率低于第1号简正波的截止频率时，这种声道作用不复存在。

②深海声发声道
声发(sofar)声道词意来源于SOFAR系统营救坠海失事的飞行员。当声源置于声道轴附近时，由于声线向声速较小处弯曲，使一定掠射角内的声线不触及海面和海底而被保留在声道内。它的传播损失只包括吸收衰减和几何扩展，因此，对于较低频率的声波，由于吸收很小，能够传播得非常远。这种超远传播现象在40年代就已被发现。已经证明，几千克三硝基甲苯的爆炸声能够在海洋中6000km远处被收听到。

③会聚区
越靠近声道轴的声线携带的能量越大，所以接收信号的幅值随时间缓慢上升，到沿声道轴声线到达时取最大值，尔后突然截止。在声道中，由于邻近射线的交会形成声强度较强的焦散区。由交会而构成的包络线称焦散线，焦散线相交海面的区域称会聚区。会聚区中的峰值声强级有超过球面扩展加吸收达25dB的会聚增益，通常取10～15dB。会聚区宽度的数量级约为距离的5%～10%，而第一会聚区宽度约为5.5km。理论预言，在中国南海表面声速小于底部声速的海洋中也存在较强的反转点会聚区，结果已被实验证实。利用会聚区实现远程探测已成为现役声呐的一种重要工作方式。此外，还有相对次要的海底反射束传播方式。

02浅海中的声传播

由于海底参与作用，使浅海声道比深海声道还要复杂。
①均匀层声场
它是浅海声场中最简单、也是最基本的情况。C.L.皮克里斯首先以均匀液态海底模型及两液层海底模型讨论了均匀浅海中爆炸声的传播问题，为水声场的简正波理论作了开创性的工作。

②负梯度声场
在夏季无风天气，由于太阳照射造成声速随深度下降，形成负梯度声速剖面。浅海负梯度的平滑平均场强也存在类似的四个场区，但由于声速负梯度所引起的声线向下弯曲，使声线以较大的角度触及海底，导致声线碰撞海底的次数增加，并且每次碰撞又有较大的反射损失，使声能漏出声道的效应显著地大于均匀层，场强以更快的速度随距离而衰减。当水平距离足够远，在水中反转的声线起主要作用时，会出现明显的声场深度结构，越靠近海底场强越强。

③温跃层声场

在夏季有风天气，浅海表面在风搅混下形成等温层，而海洋下部的海水仍残留有冷水特性，温度会在当中一薄层内由上面较暖的等温层过渡到下面较冷的等温层，使得声速也发生相应的剧烈变化，从而形成夏季的另一种典型浅海声道──温跃层声道。在有温跃层（通常是负跃层）的海洋中，当声源置于温跃层以下时，只有大掠射声线才可以穿透温跃层，小掠射角声线被温跃层反射而保留在下层，这些声线的海底反射损失小，传播衰减一般小于大掠射角的情况。因此，当水平距离足够远时，温跃层下的场强显著地大于温跃层上的场强。反映这种场强深度结构的物理量称为穿透比，它被定义为下发下收的场强与上发下收(或下发上收)的场强之比。另外，由于声线管的扩张，上发上收的场强也大于上发下收的场强。

在浅海声道中，多途效应（参加叠加声场的各号简正波具有不同的群速度，或到达接收点的声线有不同的路径）使得宽带脉冲声信号在传播过程中不断畸变。在均匀层和负梯度情况主要表现为波形的拖散，而在负跃层情况将会有规则的梳状结构出现。

03声场数值预报

由于海洋媒质的时空多变性，在许多实际应用中，利用快速计算机，根据海洋环境参量的测定值或预报值，在建立了能够反映海洋环境因素对声场的制约关系的理论模型基础上，进行海洋声场数值预报成为当前亟待研究的重要课题。

所发展的预报方法有五种：①射线算法；②简正波算法；③抛物方程算法;④快速声场程序(FFP)算法；⑤水平射线－垂直简正波法。每一种算法都各有其优缺点，要针对具体问题的性质作适当选择。

二、水声信号场

水声信号的起伏和散射是由于海洋中存在着随机不均匀体，它们主要可分为三类：①海面和海底的随机不平整；②湍流引起的热微结构；③内波引起的声速变化。这三类不均匀体的前向散射或对声波相位的扰动，则形成信号场的起伏，它们引起的声场起伏的规律也各不相同。水声信号场的起伏和散射是一个十分复杂的问题。到为止，还只有抽取某项主要机理而简化其他因素加以研究。

01海面波浪引起的声起伏

是研究的重要课题，它简化为随机起伏表面所限制的均匀半空间中的声场起伏问题，理论分析方法基本上有两种：①从格林公式和相应的软边界条件出发，再假定表面的不平整性足够平缓，而得到解析解。②直接寻求起伏表面的平均反射系数，它适用于绝对软或绝对硬的界面，同时也只适用界面粗糙度较小，因而散射场的随机分量远小于平均分量的特殊情况。对于一般的情况还待于发展新的理论分析方法。

02湍流引起的声起伏

湍流引起的各向同性分量的温度起伏场对于声速有扰动。声信号相对振幅的起伏同相位起伏的均方值相等，而且正比于波数的二次方、媒质折射率起伏的均方值和相关半径以及传播的距离。内波引起的声起伏内波属于重力波。近年来，关于低频远距离声传播起伏的实验结果表明：声信号在数分钟以至数小时时间尺度上，相位相当稳定，而振幅却有相当快的随机起伏，即振幅起伏与相位起伏具有完全不同的时间尺度，这与由湍流的弱散理论得到的结论完全不同。所以，这个研究课题引起了水声和海洋动力学的很大注意。
研究认为，内波对声场起伏起主要作用的频率范围是惯性频率和韦伊塞莱频率之间，在惯性频率以下，对声场起伏起主要作用的是内潮的活动。对于深海内波已取得不少实验资料，突出地反映在由C.加勒特和W.H.蒙克提出的G-M谱。但是对于浅海内波的研究，在国际上还处于初级阶段。
由中国浅海的内波研究表明，由于存在尖锐的负跃层等因素，它具有与深海内波明显不同的某些特性。①在夏季典型负跃层条件下，声振幅起伏可达20dB，而在同一海区，冬季典型均匀层（无内波）条件下，声振幅起伏一般不大于数分贝；②声振幅起伏与内波的活动程度有很强的关联性；③声相位起伏主要出接收信号振幅出现最小值的附近一段时间；④声相位和振幅起伏谱并非随频率平滑下降，在内波谱出现峰值处，起伏谱也出现相应的峰值，特别是在周期为8～10min处，这种周期成分出现大起大落的现象。
由上所述可见：高频近距离的声场起伏可用于研究海浪和小标度湍流；低频中远距离的声场起伏在惯性频率和韦伊塞莱频率之间的相位和振幅谱可用于研究内波；在惯性频率以下的超低频相位和振幅谱可用于研究内潮。海洋中的大尺度漩涡的运动规律也可用声学方法进行遥测。从而发展成为一种新型的水声学遥感方法，这种以声波传播作为积分探头来探测海洋的问题已日益受到重视。

03目标反射和舰船辐射噪声

主动声呐探测中，目标反射特性与发射信号波形一起构成信号源的特性。在声呐方程中，用目标强度这一参量来描写目标反射能力，目标强度的定义是将距离目标的“声学中心”1m处由目标反射回来的声强与在同一方向上由远处入射的声强之比，取分贝(dB)表示。
潜艇、鱼雷、水雷或鱼等海洋生物等复杂结构的水下目标的反射声的形成过程是多种的，主要有：①镜反射；②表面上有规则性的散射，不规则性就是曲率半径小于波长的棱角、边缘等；③声透入目标内部，引起内反射声波；④共振效应，某些入射波频率和方位可以激起目标不同的振动模式，往往会提高目标强度。

水下目标的反射声与入射声相比，经常具有如下特征：①多普勒频移；②脉冲声信号的持续时间拉长；③回声包络的不规则性；④调制效应，舰船的螺旋桨可调制尾部方向的反射声，同时，船壳和尾流的所合成的回声包络，由于两者频率不同会出现拍频或振幅变化。
对于像潜艇这样形状和结构都非常复杂的反射体，在理论上计算目标强度是非常困难的，虽然作了大量实测研究，但到为止，仍有许多问题有待深入。舰船、潜艇和鱼雷的噪声源可分为三大类：①机械噪声，②螺旋桨噪声，③水动力噪声。在多数情况下，机械噪声和螺旋桨噪声是主要的辐射噪声。这两种噪声中哪一种更重要取决于频率、航速和深度。
但在特殊情况下，如在结构部件或空腔被激励成线谱噪声源时，水动力噪声有可能成为主要噪声源。①机械噪声。主机、辅机、空调设备等机械引起的噪声，它们可以看成是强线谱和弱连续谱的叠加。②螺旋桨噪声。主要由螺旋桨的空化噪声和水流通过螺旋桨产生单频噪声分量所组成。空化噪声谱是连的，并存在一个峰，对舰船、潜艇，这个峰值通常在100～1000Hz范围内。空化噪声的正横方向明显大于船首尾方向。单频噪声分量包括频率较高的叶片共振(千赫范围)和频率较低的“叶片速率”线谱。舰船辐射噪声是一种随机信号，包括有连续谱、线谱以及有规调制的动态谱，因而在频率域－时间域上表现出的特征有：谱、音色、节奏等。