聲吶技術(shù)及其發(fā)展、應(yīng)用和影響
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作者:proc903e2
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發(fā)布時(shí)間: 2020-12-15
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水聲學(xué)是指研究水下聲波的產(chǎn)生、輻射、傳播、接收和量度，并用以解決與水下目標(biāo)探測(cè)及信息傳輸有關(guān)的各種問題的一門聲學(xué)分支學(xué)科。在海水中聲波的衰減遠(yuǎn)比電磁波為小，故聲波是海水中探測(cè)目標(biāo)和傳遞信息的有效工具，因而水聲學(xué)的發(fā)展對(duì)提高現(xiàn)代海軍的反潛作戰(zhàn)能力起著重要作用。同時(shí)水聲學(xué)在民用如導(dǎo)航、海底地質(zhì)考察和石油勘探、漁業(yè)方面均有廣泛應(yīng)用。
表面層中的聲速對(duì)溫度和風(fēng)的作用很敏感，有明顯的季節(jié)變化和日變化。在表面層以下約千米深度內(nèi)，溫度隨深度而下降，使聲速也隨深度下降，具有較強(qiáng)的負(fù)聲速梯度，稱為主躍變層。最下面的稱為深海等溫層，層中海水處于冷而均勻的穩(wěn)定狀態(tài)，聲速隨著深度的增加而增加。在主躍變層的負(fù)聲速梯度和深海等溫層的正聲速梯度之間存在一個(gè)定速極小值(聲道軸)，形成較穩(wěn)定的深海聲道——聲發(fā)聲道。
在沿岸淺海及大陸架上，聲速剖面受較多的因素影響，有較強(qiáng)的地區(qū)變異性和短時(shí)間不穩(wěn)定性。但平均而言，仍有比較明顯的季節(jié)特征。在冬季的典型聲速剖面是等溫層，在夏季往往是負(fù)躍層或負(fù)梯度。
在淺海，由海面和海底構(gòu)成淺海聲道，聲波在聲道中由海面和海底不斷反射而傳播。海底的聲反射特性，特別是小掠射角的海底反射損失，是淺海聲場(chǎng)分析和聲吶作用距離預(yù)報(bào)的重要參量，它決定于海底的底質(zhì)和結(jié)構(gòu)。
當(dāng)聲傳播水平距離不特別遠(yuǎn)(幾百千米以內(nèi))時(shí)，往往把海洋看作分層媒質(zhì)，分層媒質(zhì)中的波動(dòng)理論在60年代已達(dá)到較為成熟的階段。海洋中存在著大量散射體以及起伏不平的界面。當(dāng)聲源發(fā)射聲波以后，碰到這些散射體，就會(huì)引起聲能在各個(gè)方向上重新分配，即產(chǎn)生散射波，其中返回到接收點(diǎn)的散射波的總和稱為混響。
混響是主動(dòng)式聲吶的主要干擾。由產(chǎn)生混響的散射體不同性質(zhì)，可分為體積混響、海面混響和海底混響。對(duì)混響的研究大體上分為能量規(guī)律和統(tǒng)計(jì)規(guī)律兩個(gè)方面，混響的能量規(guī)律的理論分析以聲波在海洋中的傳播理論和散射理論的結(jié)合為出發(fā)點(diǎn)，主要涉及混響強(qiáng)度同信號(hào)參量和環(huán)境因素的聯(lián)系以及衰減規(guī)律。
隨著聲納信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，接收機(jī)輸出數(shù)據(jù)率不斷提高，靠聲納員來辨認(rèn)出目標(biāo)并測(cè)定其參量是很困難的，這就發(fā)展了機(jī)器輔助檢測(cè)和自動(dòng)檢測(cè)的技術(shù)。雖然水聲信號(hào)處理的理論與雷達(dá)很相似，但由于水聲信道的復(fù)雜性，仍有許多不同之處。
①深?；旌蠈勇暤?br /> 它使掠射角小于在混合層底部（即下邊界）發(fā)生反轉(zhuǎn)的臨界角，使聲線保持在聲道中，從而形成較為良好的聲波傳播通道。在層的下面產(chǎn)生聲影區(qū)，由于海面的聲散射以及聲道下邊界引起的衍射，一些能量進(jìn)入了影區(qū)，故影區(qū)不是完全無聲的。混合層聲道的傳播損失除了幾何擴(kuò)展和吸收衰減外，還包括泄漏衰減。當(dāng)頻率低于第1號(hào)簡正波的截止頻率時(shí)，這種聲道作用不復(fù)存在。
②深海聲發(fā)聲道
聲發(fā)(sofar)聲道詞意來源于SOFAR系統(tǒng)營救墜海失事的飛行員。當(dāng)聲源置于聲道軸附近時(shí)，由于聲線向聲速較小處彎曲，使一定掠射角內(nèi)的聲線不觸及海面和海底而被保留在聲道內(nèi)。它的傳播損失只包括吸收衰減和幾何擴(kuò)展，因此，對(duì)于較低頻率的聲波，由于吸收很小，能夠傳播得非常遠(yuǎn)。這種超遠(yuǎn)傳播現(xiàn)象在40年代就已被發(fā)現(xiàn)。已經(jīng)證明，幾千克三硝基甲苯的爆炸聲能夠在海洋中6000km遠(yuǎn)處被收聽到。
③會(huì)聚區(qū)
越靠近聲道軸的聲線攜帶的能量越大，所以接收信號(hào)的幅值隨時(shí)間緩慢上升，到沿聲道軸聲線到達(dá)時(shí)取最大值，爾后突然截止。在聲道中，由于鄰近射線的交會(huì)形成聲強(qiáng)度較強(qiáng)的焦散區(qū)。由交會(huì)而構(gòu)成的包絡(luò)線稱焦散線，焦散線相交海面的區(qū)域稱會(huì)聚區(qū)。會(huì)聚區(qū)中的峰值聲強(qiáng)級(jí)有超過球面擴(kuò)展加吸收達(dá)25dB的會(huì)聚增益，通常取10～15dB。會(huì)聚區(qū)寬度的數(shù)量級(jí)約為距離的5%～10%，而第一會(huì)聚區(qū)寬度約為5.5km。理論預(yù)言，在中國南海表面聲速小于底部聲速的海洋中也存在較強(qiáng)的反轉(zhuǎn)點(diǎn)會(huì)聚區(qū)，結(jié)果已被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。利用會(huì)聚區(qū)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程探測(cè)已成為現(xiàn)役聲吶的一種重要工作方式。此外，還有相對(duì)次要的海底反射束傳播方式。
①均勻?qū)勇晥?chǎng)
它是淺海聲場(chǎng)中最簡單、也是最基本的情況。C.L.皮克里斯首先以均勻液態(tài)海底模型及兩液層海底模型討論了均勻淺海中爆炸聲的傳播問題，為水聲場(chǎng)的簡正波理論作了開創(chuàng)性的工作。
②負(fù)梯度聲場(chǎng)
在夏季無風(fēng)天氣，由于太陽照射造成聲速隨深度下降，形成負(fù)梯度聲速剖面。淺海負(fù)梯度的平滑平均場(chǎng)強(qiáng)也存在類似的四個(gè)場(chǎng)區(qū)，但由于聲速負(fù)梯度所引起的聲線向下彎曲，使聲線以較大的角度觸及海底，導(dǎo)致聲線碰撞海底的次數(shù)增加，并且每次碰撞又有較大的反射損失，使聲能漏出聲道的效應(yīng)顯著地大于均勻?qū)?，?chǎng)強(qiáng)以更快的速度隨距離而衰減。當(dāng)水平距離足夠遠(yuǎn)，在水中反轉(zhuǎn)的聲線起主要作用時(shí)，會(huì)出現(xiàn)明顯的聲場(chǎng)深度結(jié)構(gòu)，越靠近海底場(chǎng)強(qiáng)越強(qiáng)。
③溫躍層聲場(chǎng)
水聲信號(hào)的起伏和散射是由于海洋中存在著隨機(jī)不均勻體，它們主要可分為三類：①海面和海底的隨機(jī)不平整；②湍流引起的熱微結(jié)構(gòu)；③內(nèi)波引起的聲速變化。這三類不均勻體的前向散射或?qū)β暡ㄏ辔坏臄_動(dòng)，則形成信號(hào)場(chǎng)的起伏，它們引起的聲場(chǎng)起伏的規(guī)律也各不相同。水聲信號(hào)場(chǎng)的起伏和散射是一個(gè)十分復(fù)雜的問題。到為止，還只有抽取某項(xiàng)主要機(jī)理而簡化其他因素加以研究。
是研究的重要課題，它簡化為隨機(jī)起伏表面所限制的均勻半空間中的聲場(chǎng)起伏問題，理論分析方法基本上有兩種：①從格林公式和相應(yīng)的軟邊界條件出發(fā)，再假定表面的不平整性足夠平緩，而得到解析解。②直接尋求起伏表面的平均反射系數(shù)，它適用于絕對(duì)軟或絕對(duì)硬的界面，同時(shí)也只適用界面粗糙度較小，因而散射場(chǎng)的隨機(jī)分量遠(yuǎn)小于平均分量的特殊情況。對(duì)于一般的情況還待于發(fā)展新的理論分析方法。
湍流引起的各向同性分量的溫度起伏場(chǎng)對(duì)于聲速有擾動(dòng)。聲信號(hào)相對(duì)振幅的起伏同相位起伏的均方值相等，而且正比于波數(shù)的二次方、媒質(zhì)折射率起伏的均方值和相關(guān)半徑以及傳播的距離。內(nèi)波引起的聲起伏內(nèi)波屬于重力波。近年來，關(guān)于低頻遠(yuǎn)距離聲傳播起伏的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：聲信號(hào)在數(shù)分鐘以至數(shù)小時(shí)時(shí)間尺度上，相位相當(dāng)穩(wěn)定，而振幅卻有相當(dāng)快的隨機(jī)起伏，即振幅起伏與相位起伏具有完全不同的時(shí)間尺度，這與由湍流的弱散理論得到的結(jié)論完全不同。所以，這個(gè)研究課題引起了水聲和海洋動(dòng)力學(xué)的很大注意。
研究認(rèn)為，內(nèi)波對(duì)聲場(chǎng)起伏起主要作用的頻率范圍是慣性頻率和韋伊塞萊頻率之間，在慣性頻率以下，對(duì)聲場(chǎng)起伏起主要作用的是內(nèi)潮的活動(dòng)。對(duì)于深海內(nèi)波已取得不少實(shí)驗(yàn)資料，突出地反映在由C.加勒特和W.H.蒙克提出的G-M譜。但是對(duì)于淺海內(nèi)波的研究，在國際上還處于初級(jí)階段。
由中國淺海的內(nèi)波研究表明，由于存在尖銳的負(fù)躍層等因素，它具有與深海內(nèi)波明顯不同的某些特性。①在夏季典型負(fù)躍層條件下，聲振幅起伏可達(dá)20dB，而在同一海區(qū)，冬季典型均勻?qū)樱o內(nèi)波）條件下，聲振幅起伏一般不大于數(shù)分貝；②聲振幅起伏與內(nèi)波的活動(dòng)程度有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性；③聲相位起伏主要出接收信號(hào)振幅出現(xiàn)最小值的附近一段時(shí)間；④聲相位和振幅起伏譜并非隨頻率平滑下降，在內(nèi)波譜出現(xiàn)峰值處，起伏譜也出現(xiàn)相應(yīng)的峰值，特別是在周期為8～10min處，這種周期成分出現(xiàn)大起大落的現(xiàn)象。
由上所述可見：高頻近距離的聲場(chǎng)起伏可用于研究海浪和小標(biāo)度湍流；低頻中遠(yuǎn)距離的聲場(chǎng)起伏在慣性頻率和韋伊塞萊頻率之間的相位和振幅譜可用于研究內(nèi)波；在慣性頻率以下的超低頻相位和振幅譜可用于研究內(nèi)潮。海洋中的大尺度漩渦的運(yùn)動(dòng)規(guī)律也可用聲學(xué)方法進(jìn)行遙測(cè)。從而發(fā)展成為一種新型的水聲學(xué)遙感方法，這種以聲波傳播作為積分探頭來探測(cè)海洋的問題已日益受到重視。
主動(dòng)聲吶探測(cè)中，目標(biāo)反射特性與發(fā)射信號(hào)波形一起構(gòu)成信號(hào)源的特性。在聲吶方程中，用目標(biāo)強(qiáng)度這一參量來描寫目標(biāo)反射能力，目標(biāo)強(qiáng)度的定義是將距離目標(biāo)的“聲學(xué)中心”1m處由目標(biāo)反射回來的聲強(qiáng)與在同一方向上由遠(yuǎn)處入射的聲強(qiáng)之比，取分貝(dB)表示。
潛艇、魚雷、水雷或魚等海洋生物等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的水下目標(biāo)的反射聲的形成過程是多種的，主要有：①鏡反射；②表面上有規(guī)則性的散射，不規(guī)則性就是曲率半徑小于波長的棱角、邊緣等；③聲透入目標(biāo)內(nèi)部，引起內(nèi)反射聲波；④共振效應(yīng)，某些入射波頻率和方位可以激起目標(biāo)不同的振動(dòng)模式，往往會(huì)提高目標(biāo)強(qiáng)度。
水下目標(biāo)的反射聲與入射聲相比，經(jīng)常具有如下特征：①多普勒頻移；②脈沖聲信號(hào)的持續(xù)時(shí)間拉長；③回聲包絡(luò)的不規(guī)則性；④調(diào)制效應(yīng)，艦船的螺旋槳可調(diào)制尾部方向的反射聲，同時(shí)，船殼和尾流的所合成的回聲包絡(luò)，由于兩者頻率不同會(huì)出現(xiàn)拍頻或振幅變化。
對(duì)于像潛艇這樣形狀和結(jié)構(gòu)都非常復(fù)雜的反射體，在理論上計(jì)算目標(biāo)強(qiáng)度是非常困難的，雖然作了大量實(shí)測(cè)研究，但到為止，仍有許多問題有待深入。艦船、潛艇和魚雷的噪聲源可分為三大類：①機(jī)械噪聲，②螺旋槳噪聲，③水動(dòng)力噪聲。在多數(shù)情況下，機(jī)械噪聲和螺旋槳噪聲是主要的輻射噪聲。這兩種噪聲中哪一種更重要取決于頻率、航速和深度。
但在特殊情況下，如在結(jié)構(gòu)部件或空腔被激勵(lì)成線譜噪聲源時(shí)，水動(dòng)力噪聲有可能成為主要噪聲源。①機(jī)械噪聲。主機(jī)、輔機(jī)、空調(diào)設(shè)備等機(jī)械引起的噪聲，它們可以看成是強(qiáng)線譜和弱連續(xù)譜的疊加。②螺旋槳噪聲。主要由螺旋槳的空化噪聲和水流通過螺旋槳產(chǎn)生單頻噪聲分量所組成?？栈肼曌V是連的，并存在一個(gè)峰，對(duì)艦船、潛艇，這個(gè)峰值通常在100～1000Hz范圍內(nèi)?？栈肼暤恼龣M方向明顯大于船首尾方向。單頻噪聲分量包括頻率較高的葉片共振(千赫范圍)和頻率較低的“葉片速率”線譜。艦船輻射噪聲是一種隨機(jī)信號(hào)，包括有連續(xù)譜、線譜以及有規(guī)調(diào)制的動(dòng)態(tài)譜，因而在頻率域－時(shí)間域上表現(xiàn)出的特征有：譜、音色、節(jié)奏等。
來源：溪流之海洋人生
一、水下聲道
產(chǎn)生海洋傳播聲道的條件是海洋邊界及特定聲速剖面，聲速剖面就是海洋的聲速分層結(jié)構(gòu)。海水中的聲速是溫度、鹽度和靜壓力(深度)的函數(shù)，它大致分為三層：表面層、主躍變層和深海等溫層。
表面層中的聲速對(duì)溫度和風(fēng)的作用很敏感，有明顯的季節(jié)變化和日變化。在表面層以下約千米深度內(nèi)，溫度隨深度而下降，使聲速也隨深度下降，具有較強(qiáng)的負(fù)聲速梯度，稱為主躍變層。最下面的稱為深海等溫層，層中海水處于冷而均勻的穩(wěn)定狀態(tài)，聲速隨著深度的增加而增加。在主躍變層的負(fù)聲速梯度和深海等溫層的正聲速梯度之間存在一個(gè)定速極小值(聲道軸)，形成較穩(wěn)定的深海聲道——聲發(fā)聲道。
在沿岸淺海及大陸架上，聲速剖面受較多的因素影響，有較強(qiáng)的地區(qū)變異性和短時(shí)間不穩(wěn)定性。但平均而言，仍有比較明顯的季節(jié)特征。在冬季的典型聲速剖面是等溫層，在夏季往往是負(fù)躍層或負(fù)梯度。
當(dāng)聲傳播水平距離不特別遠(yuǎn)(幾百千米以內(nèi))時(shí)，往往把海洋看作分層媒質(zhì)，分層媒質(zhì)中的波動(dòng)理論在60年代已達(dá)到較為成熟的階段。海洋中存在著大量散射體以及起伏不平的界面。當(dāng)聲源發(fā)射聲波以后，碰到這些散射體，就會(huì)引起聲能在各個(gè)方向上重新分配，即產(chǎn)生散射波，其中返回到接收點(diǎn)的散射波的總和稱為混響。
混響是主動(dòng)式聲吶的主要干擾。由產(chǎn)生混響的散射體不同性質(zhì)，可分為體積混響、海面混響和海底混響。對(duì)混響的研究大體上分為能量規(guī)律和統(tǒng)計(jì)規(guī)律兩個(gè)方面，混響的能量規(guī)律的理論分析以聲波在海洋中的傳播理論和散射理論的結(jié)合為出發(fā)點(diǎn)，主要涉及混響強(qiáng)度同信號(hào)參量和環(huán)境因素的聯(lián)系以及衰減規(guī)律。
隨著聲納信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，接收機(jī)輸出數(shù)據(jù)率不斷提高，靠聲納員來辨認(rèn)出目標(biāo)并測(cè)定其參量是很困難的，這就發(fā)展了機(jī)器輔助檢測(cè)和自動(dòng)檢測(cè)的技術(shù)。雖然水聲信號(hào)處理的理論與雷達(dá)很相似，但由于水聲信道的復(fù)雜性，仍有許多不同之處。
01深海中的聲傳播
通過混合層聲道、聲發(fā)聲道和會(huì)聚區(qū)等方式傳播。①深?；旌蠈勇暤?br /> 它使掠射角小于在混合層底部（即下邊界）發(fā)生反轉(zhuǎn)的臨界角，使聲線保持在聲道中，從而形成較為良好的聲波傳播通道。在層的下面產(chǎn)生聲影區(qū)，由于海面的聲散射以及聲道下邊界引起的衍射，一些能量進(jìn)入了影區(qū)，故影區(qū)不是完全無聲的。混合層聲道的傳播損失除了幾何擴(kuò)展和吸收衰減外，還包括泄漏衰減。當(dāng)頻率低于第1號(hào)簡正波的截止頻率時(shí)，這種聲道作用不復(fù)存在。
②深海聲發(fā)聲道
聲發(fā)(sofar)聲道詞意來源于SOFAR系統(tǒng)營救墜海失事的飛行員。當(dāng)聲源置于聲道軸附近時(shí)，由于聲線向聲速較小處彎曲，使一定掠射角內(nèi)的聲線不觸及海面和海底而被保留在聲道內(nèi)。它的傳播損失只包括吸收衰減和幾何擴(kuò)展，因此，對(duì)于較低頻率的聲波，由于吸收很小，能夠傳播得非常遠(yuǎn)。這種超遠(yuǎn)傳播現(xiàn)象在40年代就已被發(fā)現(xiàn)。已經(jīng)證明，幾千克三硝基甲苯的爆炸聲能夠在海洋中6000km遠(yuǎn)處被收聽到。
③會(huì)聚區(qū)
越靠近聲道軸的聲線攜帶的能量越大，所以接收信號(hào)的幅值隨時(shí)間緩慢上升，到沿聲道軸聲線到達(dá)時(shí)取最大值，爾后突然截止。在聲道中，由于鄰近射線的交會(huì)形成聲強(qiáng)度較強(qiáng)的焦散區(qū)。由交會(huì)而構(gòu)成的包絡(luò)線稱焦散線，焦散線相交海面的區(qū)域稱會(huì)聚區(qū)。會(huì)聚區(qū)中的峰值聲強(qiáng)級(jí)有超過球面擴(kuò)展加吸收達(dá)25dB的會(huì)聚增益，通常取10～15dB。會(huì)聚區(qū)寬度的數(shù)量級(jí)約為距離的5%～10%，而第一會(huì)聚區(qū)寬度約為5.5km。理論預(yù)言，在中國南海表面聲速小于底部聲速的海洋中也存在較強(qiáng)的反轉(zhuǎn)點(diǎn)會(huì)聚區(qū)，結(jié)果已被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。利用會(huì)聚區(qū)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程探測(cè)已成為現(xiàn)役聲吶的一種重要工作方式。此外，還有相對(duì)次要的海底反射束傳播方式。
02淺海中的聲傳播
由于海底參與作用，使淺海聲道比深海聲道還要復(fù)雜。①均勻?qū)勇晥?chǎng)
它是淺海聲場(chǎng)中最簡單、也是最基本的情況。C.L.皮克里斯首先以均勻液態(tài)海底模型及兩液層海底模型討論了均勻淺海中爆炸聲的傳播問題，為水聲場(chǎng)的簡正波理論作了開創(chuàng)性的工作。
②負(fù)梯度聲場(chǎng)
在夏季無風(fēng)天氣，由于太陽照射造成聲速隨深度下降，形成負(fù)梯度聲速剖面。淺海負(fù)梯度的平滑平均場(chǎng)強(qiáng)也存在類似的四個(gè)場(chǎng)區(qū)，但由于聲速負(fù)梯度所引起的聲線向下彎曲，使聲線以較大的角度觸及海底，導(dǎo)致聲線碰撞海底的次數(shù)增加，并且每次碰撞又有較大的反射損失，使聲能漏出聲道的效應(yīng)顯著地大于均勻?qū)?，?chǎng)強(qiáng)以更快的速度隨距離而衰減。當(dāng)水平距離足夠遠(yuǎn)，在水中反轉(zhuǎn)的聲線起主要作用時(shí)，會(huì)出現(xiàn)明顯的聲場(chǎng)深度結(jié)構(gòu)，越靠近海底場(chǎng)強(qiáng)越強(qiáng)。
③溫躍層聲場(chǎng)
在夏季有風(fēng)天氣，淺海表面在風(fēng)攪混下形成等溫層，而海洋下部的海水仍殘留有冷水特性，溫度會(huì)在當(dāng)中一薄層內(nèi)由上面較暖的等溫層過渡到下面較冷的等溫層，使得聲速也發(fā)生相應(yīng)的劇烈變化，從而形成夏季的另一種典型淺海聲道──溫躍層聲道。在有溫躍層（通常是負(fù)躍層）的海洋中，當(dāng)聲源置于溫躍層以下時(shí)，只有大掠射聲線才可以穿透溫躍層，小掠射角聲線被溫躍層反射而保留在下層，這些聲線的海底反射損失小，傳播衰減一般小于大掠射角的情況。因此，當(dāng)水平距離足夠遠(yuǎn)時(shí)，溫躍層下的場(chǎng)強(qiáng)顯著地大于溫躍層上的場(chǎng)強(qiáng)。反映這種場(chǎng)強(qiáng)深度結(jié)構(gòu)的物理量稱為穿透比，它被定義為下發(fā)下收的場(chǎng)強(qiáng)與上發(fā)下收(或下發(fā)上收)的場(chǎng)強(qiáng)之比。另外，由于聲線管的擴(kuò)張，上發(fā)上收的場(chǎng)強(qiáng)也大于上發(fā)下收的場(chǎng)強(qiáng)。
在淺海聲道中，多途效應(yīng)（參加疊加聲場(chǎng)的各號(hào)簡正波具有不同的群速度，或到達(dá)接收點(diǎn)的聲線有不同的路徑）使得寬帶脈沖聲信號(hào)在傳播過程中不斷畸變。在均勻?qū)雍拓?fù)梯度情況主要表現(xiàn)為波形的拖散，而在負(fù)躍層情況將會(huì)有規(guī)則的梳狀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)。
03聲場(chǎng)數(shù)值預(yù)報(bào)
由于海洋媒質(zhì)的時(shí)空多變性，在許多實(shí)際應(yīng)用中，利用快速計(jì)算機(jī)，根據(jù)海洋環(huán)境參量的測(cè)定值或預(yù)報(bào)值，在建立了能夠反映海洋環(huán)境因素對(duì)聲場(chǎng)的制約關(guān)系的理論模型基礎(chǔ)上，進(jìn)行海洋聲場(chǎng)數(shù)值預(yù)報(bào)成為當(dāng)前亟待研究的重要課題。所發(fā)展的預(yù)報(bào)方法有五種：①射線算法；②簡正波算法；③拋物方程算法;④快速聲場(chǎng)程序(FFP)算法；⑤水平射線－垂直簡正波法。每一種算法都各有其優(yōu)缺點(diǎn)，要針對(duì)具體問題的性質(zhì)作適當(dāng)選擇。
二、水聲信號(hào)場(chǎng)
水聲信號(hào)的起伏和散射是由于海洋中存在著隨機(jī)不均勻體，它們主要可分為三類：①海面和海底的隨機(jī)不平整；②湍流引起的熱微結(jié)構(gòu)；③內(nèi)波引起的聲速變化。這三類不均勻體的前向散射或?qū)β暡ㄏ辔坏臄_動(dòng)，則形成信號(hào)場(chǎng)的起伏，它們引起的聲場(chǎng)起伏的規(guī)律也各不相同。水聲信號(hào)場(chǎng)的起伏和散射是一個(gè)十分復(fù)雜的問題。到為止，還只有抽取某項(xiàng)主要機(jī)理而簡化其他因素加以研究。
01海面波浪引起的聲起伏
是研究的重要課題，它簡化為隨機(jī)起伏表面所限制的均勻半空間中的聲場(chǎng)起伏問題，理論分析方法基本上有兩種：①從格林公式和相應(yīng)的軟邊界條件出發(fā)，再假定表面的不平整性足夠平緩，而得到解析解。②直接尋求起伏表面的平均反射系數(shù)，它適用于絕對(duì)軟或絕對(duì)硬的界面，同時(shí)也只適用界面粗糙度較小，因而散射場(chǎng)的隨機(jī)分量遠(yuǎn)小于平均分量的特殊情況。對(duì)于一般的情況還待于發(fā)展新的理論分析方法。
02湍流引起的聲起伏
湍流引起的各向同性分量的溫度起伏場(chǎng)對(duì)于聲速有擾動(dòng)。聲信號(hào)相對(duì)振幅的起伏同相位起伏的均方值相等，而且正比于波數(shù)的二次方、媒質(zhì)折射率起伏的均方值和相關(guān)半徑以及傳播的距離。內(nèi)波引起的聲起伏內(nèi)波屬于重力波。近年來，關(guān)于低頻遠(yuǎn)距離聲傳播起伏的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：聲信號(hào)在數(shù)分鐘以至數(shù)小時(shí)時(shí)間尺度上，相位相當(dāng)穩(wěn)定，而振幅卻有相當(dāng)快的隨機(jī)起伏，即振幅起伏與相位起伏具有完全不同的時(shí)間尺度，這與由湍流的弱散理論得到的結(jié)論完全不同。所以，這個(gè)研究課題引起了水聲和海洋動(dòng)力學(xué)的很大注意。
研究認(rèn)為，內(nèi)波對(duì)聲場(chǎng)起伏起主要作用的頻率范圍是慣性頻率和韋伊塞萊頻率之間，在慣性頻率以下，對(duì)聲場(chǎng)起伏起主要作用的是內(nèi)潮的活動(dòng)。對(duì)于深海內(nèi)波已取得不少實(shí)驗(yàn)資料，突出地反映在由C.加勒特和W.H.蒙克提出的G-M譜。但是對(duì)于淺海內(nèi)波的研究，在國際上還處于初級(jí)階段。
由中國淺海的內(nèi)波研究表明，由于存在尖銳的負(fù)躍層等因素，它具有與深海內(nèi)波明顯不同的某些特性。①在夏季典型負(fù)躍層條件下，聲振幅起伏可達(dá)20dB，而在同一海區(qū)，冬季典型均勻?qū)樱o內(nèi)波）條件下，聲振幅起伏一般不大于數(shù)分貝；②聲振幅起伏與內(nèi)波的活動(dòng)程度有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性；③聲相位起伏主要出接收信號(hào)振幅出現(xiàn)最小值的附近一段時(shí)間；④聲相位和振幅起伏譜并非隨頻率平滑下降，在內(nèi)波譜出現(xiàn)峰值處，起伏譜也出現(xiàn)相應(yīng)的峰值，特別是在周期為8～10min處，這種周期成分出現(xiàn)大起大落的現(xiàn)象。
由上所述可見：高頻近距離的聲場(chǎng)起伏可用于研究海浪和小標(biāo)度湍流；低頻中遠(yuǎn)距離的聲場(chǎng)起伏在慣性頻率和韋伊塞萊頻率之間的相位和振幅譜可用于研究內(nèi)波；在慣性頻率以下的超低頻相位和振幅譜可用于研究內(nèi)潮。海洋中的大尺度漩渦的運(yùn)動(dòng)規(guī)律也可用聲學(xué)方法進(jìn)行遙測(cè)。從而發(fā)展成為一種新型的水聲學(xué)遙感方法，這種以聲波傳播作為積分探頭來探測(cè)海洋的問題已日益受到重視。
03目標(biāo)反射和艦船輻射噪聲
主動(dòng)聲吶探測(cè)中，目標(biāo)反射特性與發(fā)射信號(hào)波形一起構(gòu)成信號(hào)源的特性。在聲吶方程中，用目標(biāo)強(qiáng)度這一參量來描寫目標(biāo)反射能力，目標(biāo)強(qiáng)度的定義是將距離目標(biāo)的“聲學(xué)中心”1m處由目標(biāo)反射回來的聲強(qiáng)與在同一方向上由遠(yuǎn)處入射的聲強(qiáng)之比，取分貝(dB)表示。
潛艇、魚雷、水雷或魚等海洋生物等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的水下目標(biāo)的反射聲的形成過程是多種的，主要有：①鏡反射；②表面上有規(guī)則性的散射，不規(guī)則性就是曲率半徑小于波長的棱角、邊緣等；③聲透入目標(biāo)內(nèi)部，引起內(nèi)反射聲波；④共振效應(yīng)，某些入射波頻率和方位可以激起目標(biāo)不同的振動(dòng)模式，往往會(huì)提高目標(biāo)強(qiáng)度。
水下目標(biāo)的反射聲與入射聲相比，經(jīng)常具有如下特征：①多普勒頻移；②脈沖聲信號(hào)的持續(xù)時(shí)間拉長；③回聲包絡(luò)的不規(guī)則性；④調(diào)制效應(yīng)，艦船的螺旋槳可調(diào)制尾部方向的反射聲，同時(shí)，船殼和尾流的所合成的回聲包絡(luò)，由于兩者頻率不同會(huì)出現(xiàn)拍頻或振幅變化。
對(duì)于像潛艇這樣形狀和結(jié)構(gòu)都非常復(fù)雜的反射體，在理論上計(jì)算目標(biāo)強(qiáng)度是非常困難的，雖然作了大量實(shí)測(cè)研究，但到為止，仍有許多問題有待深入。艦船、潛艇和魚雷的噪聲源可分為三大類：①機(jī)械噪聲，②螺旋槳噪聲，③水動(dòng)力噪聲。在多數(shù)情況下，機(jī)械噪聲和螺旋槳噪聲是主要的輻射噪聲。這兩種噪聲中哪一種更重要取決于頻率、航速和深度。
但在特殊情況下，如在結(jié)構(gòu)部件或空腔被激勵(lì)成線譜噪聲源時(shí)，水動(dòng)力噪聲有可能成為主要噪聲源。①機(jī)械噪聲。主機(jī)、輔機(jī)、空調(diào)設(shè)備等機(jī)械引起的噪聲，它們可以看成是強(qiáng)線譜和弱連續(xù)譜的疊加。②螺旋槳噪聲。主要由螺旋槳的空化噪聲和水流通過螺旋槳產(chǎn)生單頻噪聲分量所組成?？栈肼曌V是連的，并存在一個(gè)峰，對(duì)艦船、潛艇，這個(gè)峰值通常在100～1000Hz范圍內(nèi)?？栈肼暤恼龣M方向明顯大于船首尾方向。單頻噪聲分量包括頻率較高的葉片共振(千赫范圍)和頻率較低的“葉片速率”線譜。艦船輻射噪聲是一種隨機(jī)信號(hào)，包括有連續(xù)譜、線譜以及有規(guī)調(diào)制的動(dòng)態(tài)譜，因而在頻率域－時(shí)間域上表現(xiàn)出的特征有：譜、音色、節(jié)奏等。
來源：溪流之海洋人生
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