聲吶技術(shù)及其發(fā)展、應(yīng)用和影響
來源:
|
作者:proc903e2
|
發(fā)布時(shí)間: 2020-12-15
|
2533 次瀏覽
|
分享到:
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)并測定其參量是很困難的，這就發(fā)展了機(jī)器輔助檢測和自動(dòng)檢測的技術(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?br /> 它是淺海聲場中最簡單、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，為水聲場的簡正波理論作了開創(chuàng)性的工作。
②負(fù)梯度聲場
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)梯度的平滑平均場強(qiáng)也存在類似的四個(gè)場區(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)?，場?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)明顯的聲場深度結(jié)構(gòu)，越靠近海底場強(qiáng)越強(qiáng)。
③溫躍層聲場
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)場的起伏，它們引起的聲場起伏的規(guī)律也各不相同。水聲信號(hào)場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。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海洋的問題已日益受到重視。
主動(dòng)聲吶探測中，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)。空化噪聲的正橫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)并測定其參量是很困難的，這就發(fā)展了機(jī)器輔助檢測和自動(dòng)檢測的技術(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?br /> 它是淺海聲場中最簡單、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，為水聲場的簡正波理論作了開創(chuàng)性的工作。
②負(fù)梯度聲場
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)梯度的平滑平均場強(qiáng)也存在類似的四個(gè)場區(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)?，場?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)明顯的聲場深度結(jié)構(gòu)，越靠近海底場強(qiáng)越強(qiáng)。
③溫躍層聲場
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)，溫躍層下的場強(qiáng)顯著地大于溫躍層上的場強(qiáng)。反映這種場強(qiáng)深度結(jié)構(gòu)的物理量稱為穿透比，它被定義為下發(fā)下收的場強(qiáng)與上發(fā)下收(或下發(fā)上收)的場強(qiáng)之比。另外，由于聲線管的擴(kuò)張，上發(fā)上收的場強(qiáng)也大于上發(fā)下收的場強(qiáng)。
在淺海聲道中，多途效應(yīng)（參加疊加聲場的各號(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)聲場的制約關(guān)系的理論模型基礎(chǔ)上，進(jìn)行海洋聲場數(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
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)場的起伏，它們引起的聲場起伏的規(guī)律也各不相同。水聲信號(hào)場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。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)。空化噪聲的正橫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
版權(quán)所有：青島海創(chuàng)智圖科技有限公司 地址：山東省青島市市南區(qū)動(dòng)漫產(chǎn)業(yè)園A座2F 魯ICP備2020037737號(hào)-1
0532-88983155
聯(lián)系客服
關(guān)注公眾號(hào)
海創(chuàng)智圖 -- 智慧海洋基礎(chǔ)設(shè)施與數(shù)據(jù)服務(wù)商