爆炸声源声源级数据分析方法

2014-03-10刘清宇马树青2杨华

声学与电子工程 2014年4期

关键词：爆炸声水听器声源

刘清宇马树青,2杨华

（1.海军装备研究院,北京，100161；2.国防科学技术大学光电科学与工程学院，长沙，410073）

爆炸声源声源级数据分析方法

刘清宇1马树青1,2杨华1

（1.海军装备研究院,北京，100161；2.国防科学技术大学光电科学与工程学院，长沙，410073）

爆炸声源是目前海洋声学试验中最常用的信号源。爆炸声源的各项参数，尤其是声源级参数将直接影响声传播数据处理的精确度。以爆炸声源为例，对其声源级数据处理进行说明，文中首先介绍了声源级的定义和爆炸声信号的特性，对爆炸声源的声源级标定数据处理方法及流程进行了简要分析。

爆炸声源；声源级；声信号；数据处理

在目前的水声试验中，主要采用发射换能器（阵）、爆炸声源、气枪或气动声源、灯泡或等离子体等作为声源，其中发射换能器的声源级通常给出的是单频发射的声功率级，在换能器的校准测量规范中已经有详细的规定，而其它几类声源基本上都属于冲击型的宽带声源。在测量过程中，由于爆炸声源机动方便、无指向性，能够产生大功率、宽频带的短脉冲，且发射频带宽度可以灵活进行，不要求更换声源等优点，因此爆炸声源是海洋声学试验中最常用的信号源[1]。

然而爆炸声源受到弹型、当量、爆炸深度等多方面因素的影响，其源级根据批次各不相同，这将直接影响声传播数据处理的精确度。因此在每次海洋声学调查过程中，需要针对所使用批次的爆炸声源进行源级标定。

1 声源级定义

声源级用来描述主动声呐所发射的声信号的强弱，它定义为[2]：

声源级的单位是dB，其中I1是发射换能器声轴方向上距离声源声中心1 m处的声强，I0是参考声强，通常取均方根声压为1 μPa(p0=1 μPa)的平面波声强，它约等于0.67×10-18W/m2。

根据声强的定义可用看出，声强是一个时间平均量，在描述无限长周期的简谐波信号，或者无限长噪声信号时，采用声强描述更为有利，换句话说，声强信号适用于描述功率信号。但主动声呐发射的脉冲信号或者宽带爆炸声信号是一种有限长能量信号，使用声波的能流密度来表示更具有物理意义。

能流密度E可定义为瞬时声强的时间叠加，如下式所示[3]：

其中p(t)是声压，u(t)是质点振速。对应的声源级定义取为：

其中E1是距离声源单位距离处的能流密度，而为参考声能密度。

2 爆炸声信号特性

当水中爆炸声源发生爆炸时，压力波首先在爆炸物质的内部产生，再传播到周围的介质中去。只有像TNT的烈性炸药才能用来作为水下声源，因为它们能产生大量的高频声能。

由爆轰形成的激波后面一般都跟有一系列压力脉冲，称之为气泡脉冲。这是由于爆轰完成后所遗留下来的球团形气体物质的逐次振荡所引起的。当振荡着的气体球的体积缩到最小时，就产生一个正的压力脉冲；逐次的脉冲产生逐个的压力脉冲，每一个相继的脉动都比前一个更弱。在近距离内观察的爆轰型爆炸所产生的压力“讯号”示意图见图1，包括激波和后面跟着的几个气泡脉冲[3]。

图1 爆炸声信号及气泡脉冲示意图

爆炸声信号在时间序列上包括这几个部分：直达激波、第一次气泡脉冲、第二次气泡脉冲、第三次气泡脉冲等，以及它们的海面、海底反射结构。声源级的测量要求是在自由场中的测量结果，声源能量应只截取冲击波与各次气泡脉动能量，而去除海面反射波与海底反射波能量。因此，在设计测量实验时，应根据水听器深度与声源深度估计海面及海底各次反射波到达接收水听器时间，从而得到冲击波、各次气泡脉动、各次反射波分离的接收信号。图2是调查中存储的两组声源级数据，其中图2(a)为一次较理想信号的接收，通过波形可以分辨出爆炸波形各种结构。而图2(b)中海面反射信号与第1次气泡脉冲重叠，不利于后续的声源级信号处理。

图2 实测声源级标定爆炸声信号图

3 数据处理流程

在进行声源级标定试验时，爆炸声源与接收水听器之间的距离较小，量级在几十米至几百米之间，此时接收信号具有信噪比较高、数据长度较小等特点，因此声源级处理时难度在于精确截取数据冲击脉冲与各次脉动信号，以及得到同步的发射、接收深度与发射、接收之间的距离。在声源级数据处理过程中，可大体分为文件读取、能量判定、波形截取、距离计算以及声源级计算等五个步骤。数据处理流程如图3所示。

图3 声源级数据处理流程示意图

3.1 文件读取

接收水听器深度是影响反射波到达时间的一个重要参数，因此在声源级标定试验中，多采用多基元水听器垂直阵与多通道采集设备进行数据存储，有利于在后续数据处理时找到不同深度水听器采集的信号波形分布较好的数据。

采集声源级信号多采用较高的采样率，如192～320 kHz，以避免错过冲击脉冲的峰值而损失能量，因此虽然声源级标定试验时间不长，但是数据量通常较大。由于计算机内存限制，在读取数据时可以一帧一帧进行读取，这里数据帧的长度可根据计算机内存以及采样率来进行定义。除声学数据外，处理声源级数据需要测量相应的同步物理海洋数据。由于测量时发射与接收距离一般远大于1 m距离，因此需要进行球面波修正，这时就要精确测量发射点与接收点之间的距离，国标规定发射点与接收点之间的距离测量误差应小于3%[4]。

测量两点之间的距离需要发射点GPS、接收点GPS以及接收水听器深度，因此在读取声学数据后，需要对这三种同步数据进行读取。当发射点GPS与接收点GPS数据得到后，可利用常规距离求解方法得到两点水平间距；当接收水听阵上的深度数据得到后，需要修正到距离最近的水听器以得到水听器垂向深度，通常来说，无法保证每个接收水听器上均包含深度传感器，因此需要通过拟合、插值来得到各阵元深度。水平距离与垂向深度值为后续的距离计算提供依据。

3.2 能量判定

在文件读取完成后，需要从读取的数据中挑选出爆炸声信号，此时，寻找爆炸声信号波形位置是本步骤的关键问题。按帧读取数据后，可以通过设定能量门限值来检测信号[5]。从数据中找到能量大于门限的段数，当出现连续若干段能量（时长T）都大于门限时，即为一个爆炸信号，在这里，根据信号实测数据，时长T经过尝试后使用0.8 s。找到这一段能量的起始点与结束点，截取并保存为一个爆炸声信号。

3.3 波形截取

当截取爆炸声信号完成后，所得结果如图2(a)所示。由测量得知，激波及前两次气泡脉冲峰值约为0.273 V、0.066 V、0.014 V，第二次气泡脉冲的峰值压力大约仅为第一次气泡脉冲峰值压力的1/5，而第三次及之后的气泡脉冲已经淹没在噪声中，这与文献[3]中的论述相符。

为去除海面一次、二次反射等能量影响，可以通过在程序中进行截断、插值等操作。如上所述，第二次气泡脉冲的峰值压力大约仅为第一次气泡脉冲峰值压力的1/5，截取第一或第二次气泡振荡更具有实际意义。因此可以略去其他部分能量，在程序中进行插值操作，最终得到的波形如图4所示。

图4 爆炸声源信号截取示意图

3.4 距离计算

由于试验中爆炸信号声源级的测量无法在1 m处进行，需要通过更远处的接收信号推算声源级，因此需要精确得到发射点与接收点之间的间距，下面介绍常用的两种方法。

1）通常可采用双GPS进行距离计算，如图5所示。根据发射点GPS与接收点GPS可算出两点间水平间距H，爆炸声源通常为定深炸弹，其爆炸深度Ds已知，接收水听器深度根据之前阐述可由自容式温压计TD得到，从接收阵的TD数据中读出深度随时间变化值，通过对比波形截取后得到的起始点时间，在其中找到与爆炸波形时间最近点的深度，进行深度修正后作为接收水听器的深度Dr。则两点之间距离r为：

同时，也可以得到直达激波脉冲与海面反射波之间的时间间隔Tr为：

其中c为海水平均声速，可以通过自容式温深记录仪、CTD、SVP等多种声速测量设备得到，在未测量时可按1 500 m/s进行预估。爆炸声源定深深度Ds在投弹前已知，因此可以根据上式，调节接收水听器深度Dr与投放位置（调节水平间距H），获得理想的发射和接收的几何位置，尽量利用信号各部分之间的时间间隔空隙，使得直达声信号不受多途反射结构的干扰。

图5 声源级距离计算环境示意图

2）有时会出现这样的情况，如发射（接收）点距离发射船（接收船）GPS有一定距离，因而导致两点距离与船头朝向有关，而实际过程中船头朝向是一个随机变化量，很难精确得到；GPS本身也存在一定的误差，可能达到分米～米的误差量级；同时，投弹点所处位置及爆炸深度本身也存在着一定的随机性。以上都会增加第一种计算方法的误差。

此时可采用接收信号信息来估计两点间距，如对一个读取的爆炸声信号，可从时间轴上计算出经直达波与海面反射波传到接收器经过的时间差，通过时间差可以计算爆炸声源与接收水听器之间的距离。模型示意图如图5所示。

由爆炸声源至接收水听器的直达距离为r，一次反射波经由海面反射到达，距离为r1+r2，已知爆炸声源定深深度为Ds已知，接收深度为Dr，水平间距记为H且未知，可得到下列方程：

其中，Δr表示直达波与反射波的路程差，为时间差Δt与水中声速c的乘积，Δr=Δtc，Δt可以由接收数据得到，水中声速c可由声速测量仪器测量得到或采用平均值1500 m/s来估算。则直达距离r可以表示为：

通过读取接收数据中的直达波与海面反射波的到达时间差，可以通过上式计算直达距离。方法1或2可用于计算爆炸声源与接收水听器的直达距离。

3.5 声源级计算

声源级计算公式如下：

式中f0为中心频率，E(f0)为以f0为中心频率的带宽内的能量，频带宽度根据处理需要选定，Mv是水听器的灵敏度，m是接收系统的放大量，r是接收水听器与爆炸声源的距离。

以图4截取出的信号为例，已知系统采样率为192 kHz，在图中可以读出直达激波脉冲到达时间为0.05224 s，海面反射波到达时间为0.03545 s，则直达波与反射波的路程差：

声源定深深度Ds=25 m，接收深度Dr通过读取温压计数值为97.1275 m，可得到发射点与接收点之间的距离r=180.1133 m。已知水听器灵敏度Mv=−215 dB，系统放大倍数为m=0 dB(未经放大)，则：

得到频率50 Hz～4 kHz的声源级曲线如图6所示，其中以50 Hz以上各1/3倍频程点为处理中心频点，带宽为1/3倍频程带宽。

通过以上分析可知，当忽略测量中的过失误差时，声源级计算误差主要来自于直达波与海面反射波的时间估计误差、爆炸声源爆炸深度误差以及接收水听器深度测量误差。后两者与设备精度有关，对于时间估计误差，在本次采集信号中，激波及海面反射波脉宽约为1 ms，若估计直达波与反射波到达时间差时，产生10-4s量级的误差，则发射点与接收点距离计算时产生约±1.2 m误差，声源级计算带来约±0.06 dB误差。