掩埋水雷在不同海底和掩埋深度的声衰减建模

李通旭,张效民,韩冲,陈瑜

(1.西北工业大学航海学院,陕西西安 710072;2.浙江大学城市学院,浙江杭州 310015）

掩埋水雷在不同海底和掩埋深度的声衰减建模

李通旭1,张效民1,韩冲1,陈瑜2

(1.西北工业大学航海学院,陕西西安 710072;2.浙江大学城市学院,浙江杭州 310015）

采用Biot-Stoll海底模型分别预测了声波在粗沙、沙质泥和粘土质泥3种典型海底的声衰减系数与声透射系数,通过研究多种海底的声传播特性,建立了掩埋条件下水雷在不同海底和不同掩埋深度的声衰减模型,分析了掩埋对水雷声引信性能的影响。研究结果表明:不同的海底底质、不同的掩埋深度和不同的引信工作频段都会在不同程度下影响水雷声引信的工作性能,在相同的掩埋深度下,10 Hz～5 kHz引信频带内,粗沙海底对声引信的影响最大,粘土质泥对声引信的影响最小,随着海底底质平均颗粒直径的减小和孔隙度的增加,掩埋对声引信的影响有逐渐减小的趋势。

兵器科学与技术;掩埋水雷;Biot-Stoll模型;声衰减;声引信

0 引言

水声场是水雷引信探测识别系统应用的物理场之一,舰船辐射噪声对水雷目标探测识别具有十分重要的意义。然而,沉底雷被布放一段时间后,由于受海况、潮流、海底底质及雷体形状等因素的影响,会产生被泥沙等海底沉积物掩埋的现象。掩埋对水雷武器的影响是双重的,一方面它能使敌方的反水雷作战特别是猎雷行动难度增加,目前猎雷基本采用猎雷声纳为主要手段,而掩埋水雷改变了自身的声纳特性,影响了猎雷的作战效果;另一方面掩埋水雷在隐蔽自身不被发现的同时也减弱了其探测信号的能力,如果掩埋过深甚至会让水雷完全失效,从而降低水雷的作战效能。因此需要深入研究掩埋对水雷引信性能的影响,探索新技术、新方法,以确保并提升掩埋条件下水雷对目标的探测能力,确保雷区的战斗可靠性。

我国在水雷掩埋的探测上缺乏对水雷掩埋尤其是水雷掩埋预测及其相关问题的系统性、专项性的研究。无论是在水雷掩埋过程的基础物理研究,还是研究方法工具上,我国与西方国家都有较大的差距。掩埋条件下水雷利用被动声引信探测目标,舰船噪声必须要穿透掩埋物才能被接收水听器接收。由于声波透射到沉积层会产生能量损失,而且声波在海底沉积物中衰减大,因此针对掩埋条件下水雷在不同海底和不同掩埋深度的声衰减进行建模具有重要意义。

在以往的沉积层声衰减研究中,通常是将海底沉积物当作流体或粘弹固体,如Hamilton模型[1-2]。这种模型在物理上无法解释实验测量的声波速度和衰减随频率的变化(即频散)特点。为了解释这种频散现象,Stoll等[3-4]应用Biot孔隙介质理论[5-6]并引入骨架损耗建立了沉积物的Biot-Stoll模型,该理论预测了在无限均匀的孔隙介质中存在3类波(快纵波、慢纵波和横波)。近期的海底沉积物声学实验(SAX99)研究表明[7],以Biot-Stoll模型模拟的海底沉积物的声学性质(如速度、衰减等)在频率小于50 kHz时与测量结果符合较好。由于,舰船噪声的功率谱可以表示为叠加有线谱的连续谱,10 Hz～5 kHz或10 Hz～10 kHz的大约3个10倍频程的频率范围基本覆盖了目前沉底水雷工作的频率范围。因此,可以采用Biot-Stoll模型预测声波在不同海底的声衰减系数和声透射系数,建立掩埋条件下水雷在不同海底和不同掩埋深度的声衰减模型。

1 理论模型

1.1 Biot-Stoll模型

Biot-Stoll模型所需的输入参数有:孔隙度β、颗粒密度ρs、孔隙流体密度ρf、颗粒体变模量Kr、流体体变模量Kf、流体粘滞系数η、渗透率κ、弯曲度α、孔隙尺度a、骨架体变模量Kb、骨架剪切模量μ.Biot-Stoll模型的3类声速[7]为

式中:c1、c2和ct分别为快纵波、慢纵波和横波的复速度;变量与输入参数之间的关系为

1.2 模型参数

Hamilton通过大量实验给出9种海底的介质参数[8],这里取粗沙、沙质泥和粘土质泥3种海底,介质参数如表1.

表1 海底介质参数Tab.1 Parameters of seafloor sediments

表1中的数据是在海底的液态模型或粘弹性模型假设下测量的,不足以提供多孔介质模型使用,下面利用表1中的数据和Biot-Stoll模型参数的计算经验公式[9]计算相应的多孔介质参数,如表2所示。对于其他类型海底的Biot-Stoll模型参数都可以根据平均颗粒直径、孔隙度以及经验公式(5)式推导得出。式中:φ为对数颗粒尺寸;d为平均颗粒直径。

式中:σ为动态泊松比;τa(z)为掩埋深度为z时的平均总压力。

表2 3种海底的模型参数Tab.2 Model parameters of three types of sediments

2 不同海底的声衰减模型

2.1 3种不同海底的快纵波声速与声衰减计算

图1和图2给出了Biot-Stoll模型在3种不同海底的快纵波声速与声衰减曲线。对比3种不同海底的快纵波声速可看出,粗沙的快纵波声速最高,粘土质泥的快纵波声速最低,且都有随频率增加而逐渐增大的趋势。不同的底质类型对快纵波的声衰减也有不同程度的影响,随着沉积物平均颗粒直径的减小和孔隙度的增加,快纵波的声衰减曲线逐渐向高频处移动,且在频带1～10 kHz内,3种海底的快纵波衰减大小会有较明显的过渡变化。当频率为10 kHz时,粗沙海底的声衰减系数为3 dB/m、沙质泥海底的声衰减系数为7 dB/m、粘土质泥海底的声衰减系数为2 dB/m.

图1 3种不同海底的快纵波声速曲线Fig.1 Velocity curves of sound in three types of sediments

图2 3种不同海底的快纵波声衰减系数曲线Fig.2 Attenuation coefficient curves of sound in three types of sediments

2.2 3种不同海底界面声透射系数计算

假设所研究海底为平面模型,声波在不同介质海底的分界面将产生不同的声反射和透射。图3和图4给出了频率为1 kHz、10 kHz时,Biot-Stoll模型在3类不同海底的快纵波透射损耗随入射角变化的曲线。可以看出快纵波的透射损耗随入射角的变化曲线都有一个顶点,定义该点对应的角度为准临界入射角。对于不同类型海底,准临界入射角会随着孔隙度的增大而增大;对于同一海底,由于Biot-Stoll模型的速度频散特性,随着频率的增高准临界入射角逐渐减小。对于3类海底界面当入射角小于50°时,透射损耗随入射角的变化很小。

图5和图6给出了当入射角为50°和60°时,Biot-Stoll模型在3种不同海底界面的快纵波透射损耗随频率变化的曲线。当入射角为50°时,3种海底界面的声透射损耗都随着频率的增加逐渐增大,且粗沙海底界面的声透射损耗最大,粘土质泥海底界面的声透射损耗最小。但当入射角为60°时,由于粗沙海底的准临界入射角在60°附近,粗沙海底界面的声透射损耗则出现随着频率的增加而减小的现象,且粗沙海底界面的声透射损耗最小,沙质泥海底界面的声透射损耗则最大。

图3 3种不同海底界面的声透射系数曲线(频率1 kHz)Fig.3 Transmission coefficient curves of sound in three types of sediments(frequency of 1 kHz)

图4 3种不同海底界面的声透射系数曲线(频率10 kHz)Fig.4 Transmission coefficient curves of sound in three types of sediments(frequency of 10 kHz)

图5 3种不同海底界面的声透射系数曲线(入射角50°)Fig.5 Transmission coefficient curves of sound in three types of sediments(arrival angle of 50°)

2.3 掩埋水雷在不同海底和不同掩埋深度的声衰减建模

图6 3种不同海底界面的声透射系数曲线(入射角60°)Fig.6 Transmission coefficient curves of sound in three types of sediments(arrival angle of 60°)

通过预测声波在不同海底的声衰减系数和声透射系数,可以建立掩埋条件下水雷在不同海底底质和掩埋深度的声衰减模型。如图7所示,水雷被泥沙等海底沉积物掩埋时,假设掩埋深度用h表示,快纵波在海底中的衰减系数用A表示,入射角为θ的海底界面透射损失用T表示,快纵波从海底界面透射到深度为h的总损失为S,则掩埋条件下水雷在不同海底底质和掩埋深度的总声衰减可表示为S= T+h×A.

图7 水雷在掩埋条件下的目标探测示意图Fig.7 Target detection of buried mine

假设θ=50°,h=2 m,图8为当水雷被掩埋在粗沙、沙质泥和粘土质泥3类海底时,采用Biot-Stoll模型预测的3类不同海底的总声衰减曲线。由图8可知,当频率小于1 kHz时,声波在3种不同海底的总声衰减随频率的增加而缓慢增大;当频率大于1 kHz时,声波在3种典型海底的总声衰减有随着频率增加而明显增大的趋势;在10～100 kHz频段内,沙质泥的总声衰减最大,粗沙的总声衰减最小。

3 掩埋对声引信性能影响分析

针对水雷在不同海底地质、不同掩埋深度和不同频段的声衰减进行理论分析计算,可评估掩埋对不同频段声引信性能的影响。

图8 Biot-Stoll模型预测的3类海底的总声衰减曲线Fig.8 Attenuation coefficient curves of sound in three types of sediments predicted by Biot-Stoll model

根据本文建立的掩埋水雷在不同海底底质和不同掩埋深度的声衰减模型可以计算掩埋后频带能量的变化,表3给出了水雷被掩埋在3种不同类型海底,当掩埋深度分别为1 m和2 m时,掩埋对10 Hz～5 kHz频带能量的影响。经计算分析可得,在相同的掩埋深度下,声引信在3类海底的信噪比都会降低,降低了检测概率。其中粗沙海底对声引信的影响最大,粘土质泥海底对声引信的影响最小,随着海底底质平均颗粒直径的减小和孔隙度的增加,掩埋对声引信的影响有逐渐减小的趋势。

表3 掩埋对10 Hz～5 kHz频带能量的影响Tab.3 Effect of burial on 10 Hz～5 kHz frequency band energies

4 结论

通过研究3种海底底质声传播特性,建立了不同海底底质和不同掩埋深度的声衰减模型,计算并分析了掩埋对水雷声引信的影响,为提出掩埋条件下水雷探测技术,提高掩埋条件下水雷对目标的探测能力和将来新型沉底水雷、自掩埋水雷设计提供技术参考。

References)

[1] Hamilton E L.Compressional-wave attenuation in marine sediments[J].Geophysics,1972,37(4):620-646.

[2] Hamilton E L.Geoacoustic modeling of the sea floor[J].The Journal of the Acoustical Society of America,1980,68(5): 1313.

[3] Stoll R D,Bryan G M.Wave attenuation in saturated sediments [J].The Journal of the Acoustical Society of America,1970, 47(5):1440.

[4] Hampton L.Physics of sound in marine sediments[M].New York:Springer,1974:19-39.

[5] Biot M A.Theory of propagation of elastic waves in a fluid-saturated porous solid.I.low-frequency range[J].The Journal of the A-coustical Society of America,1956,28(4):168-178.

[6] Biot M A.Theory of propagation of elastic waves in a fluid-saturated porous solid.I.low-frequency range[J].The Journal of the A-coustical Society of America,1956,28(4):179-191.

[7] Williams K L,Jackson D R,Thorsos E I,et al.Comparison of sound speed and attenuation measured in a sandy sediment to predictions based on the Biot theory of porous media[J].IEEE Journal of Oceanic Engineering,2002,27(3):413-428.

[8] Hamilton E L.Compressional-wave attenuation in marine sediments[J].Geophysics,1972,37(4):620-646.

[9] Schock S G.A method for estimating the physical and acoustic properties of the sea bed using chirp sonar data[J].IEEE Journal of Oceanic Engineering,2004,29(4):1200-1217.

Acoustic Attenuation Modeling of Buried Mines in Different Sediments and Depths

LI Tong-xu1,ZHANG Xiao-min1,HAN Chong1,CHEN Yu2
(1.School of Marine Science and Technology,Northwestern Polytechnical University,Xi'an 710072,Shaanxi,China;2.College of City,Zhejang University,Hangzhou 310015,Zhejiang,China)

Biot-Stoll model is used to predict the attenuation and transmission coefficients of sound in coarse sand,sandy clay and clay mud.A sound attenuation model for buried mines in different sediments and depths is established by studying the acoustic propagation characteristics of various sediments,and the effect of burial on buried mine is analyzed.The result shows that the different sediments,the buried depth and the operating frequency of fuze have different impacts on the functions of mine fuze.In the same depth and the frequency range of 10 Hz～5 kHz,the coarse sand has the greatest influence on the acoustic fuze,and the clay mud has the least influence on the acoustic fuze.The effect of burial on acoustic fuze is decreased with the increase in porosity and the decrease in average particle diameter.

ordnance science and technology;buried mine;Biot-Stoll model;acoustic attenuation; acoustic fuze

TJ61+1.2

:A

1000-1093(2014)03-0428-05

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.03.021

2013-06-18

李通旭(1986—),男,博士研究生。E-mail:litongxu@gmail.com;

张效民(1963—),男,教授,博士生导师。E-mail:xmzhang@nwpu.edu.cn