水下爆炸声源对抗低频声呐干扰效果研究

夏志军，康春玉，朱凌静，李　军（. 海军大连舰艇学院 信息作战系，辽宁　大连 608；. 中国人民解放军996部队，海南　三亚 57000）



水下爆炸声源对抗低频声呐干扰效果研究

夏志军1，康春玉1，朱凌静2，李军1
（1. 海军大连舰艇学院 信息作战系，辽宁大连 116018；2. 中国人民解放军92961部队，海南三亚 572000）

摘要:在分析水下爆炸声源声学特性的基础上，研究了水下爆炸噪声对低频被动声呐的对抗机理，以圆柱形基阵为例，对不同水声干扰弹装药量、干扰弹到潜艇距离以及海况等级条件下对声呐主瓣、旁瓣的压制干扰效果进行仿真分析。结果表明，与传统噪声干扰器相比，水下爆炸声源对声呐的干扰效果更为明显，能显著降低声呐的探测距离，可为己方舰艇的机动规避和后续对抗创造有利条件。

关键词：水下爆炸声源；声学特性；低频被动声呐；压制干扰；探测距离衰减率

0　引　言

随着高航速、远航程、大威力、低噪声的智能化鱼雷的不断发展，使得水面舰艇面临的水下威胁日益严峻。特别是对于攻击威力更大的线导鱼雷，通常使用低频噪声干扰对潜艇平台声呐进行压制干扰，但由于基阵孔径小以及空化、近场效应的影响，干扰器干扰源级较低，覆盖频带不够宽，对声呐的对抗能力不足[1]。与传统电声转换式噪声干扰器相比，利用装有高能炸药的干扰弹在水下连续起爆形成的连续爆炸噪声具有噪声源级高、频带覆盖宽、有效时间可控等优点[2]，因此，水下爆炸声源已成为发达国家海军对抗声呐探测和鱼雷攻击的重要技术手段和发展方向。

1　水下爆炸声源的声学特性

高能炸药爆炸时产生的强冲击波，在水下会迅速衰减成强声波，形成高源级的干扰噪声源，另外，水下爆炸形成大量的气泡，能恶化声传播环境，对声信号产生吸收和散射，增大声传播衰减[2]。由于潜艇为了隐蔽，通常采用被动声呐引导线导鱼雷进行攻击，因此针对距离较远的被动声呐，本文主要研究水下连续爆炸声源对低频声呐的压制干扰效果。

高能炸药水下爆炸产生的瞬时峰值声压为[3]

式中：p0为峰值声压，Pa；m 为炸药装药量，kg；r 为距离爆炸中心的距离，m。

水下爆炸声源具有宽频段特性，不同频率范围内的声强为[4]

式中：I（f）为声强，W/m2；ρ 为海水密度，kg/m3；c为海水中声速，m/s；f 为声源频率，Hz；β 为爆炸冲击波衰减系数，ms。

衰减系数 β 表示声压由峰值 p0衰减到 0.0368 p0时所经历的时间，如下式所示[5]：

2　水下爆炸声源对抗机理

水下爆炸声源对低频被动声呐的压制效果与对抗态势密切相关，通常爆炸声源在舰艇对来袭鱼雷报警后发射，此时潜艇平台声呐已跟踪舰艇，并且主瓣跟踪波束对准舰艇目标，而水下爆炸声源的位置可能在跟踪波束内，也可能在跟踪波束外，因此分2种情况讨论水下爆炸声源对低频声呐的压制干扰效果，即舰艇目标和爆炸声源在相同波束内，舰艇目标和爆炸声源在不同波束内，如图1 所示。

图1　水下爆炸声源与潜艇声吶对抗态势图Fig. 1　Situation of underwater explosive acoustic source and submarine sonar

无水下爆炸声源时的被动声呐方程为

式中：SL 为舰艇的辐射声源级；DT 为声呐检测阀；DI 为接收指向性指数；NL 为噪声干扰级；TL 为传播损失；rs为潜艇被动声呐对舰艇的发现距离。

当有水下爆炸声源存在时，产生的低频噪声会增大声呐工作时的背景干扰，水下爆炸声源在声呐处产生的干扰噪声级为

当有爆炸声源存在时被动声呐接收波束内的总噪声干扰级 NL1为[6]

由于爆炸声源产生的低频噪声源级高，被动声呐探测距离将会明显减小。此时的被动声呐方程为

特定对抗态势下爆炸声源对低频声呐的影响程度取决于声呐指向性图函数 b（α），即低频爆炸声源是否和舰艇同在潜艇声呐同一跟踪波束内，若潜艇跟踪波束受干扰时 b() = 1，若声呐旁瓣受干扰则跟踪具体声呐基阵形式计算 b(1)。

3　对抗效果仿真

3.1评估方法

评价噪声干扰效果可用“探测距离缩减率”和“干扰压制区”为主要准则[7]，由于干扰压制区与低频声源的数量和散布范围有关，本文主要采用探测距离衰减率来评估水下爆炸声源的干扰效果。

探测距离平均衰减率为

3.2仿真模型

舰艇辐射声源级[6]

式中：V 为舰船前进速度，kn；T 为排水吨位，t；f为频率，kHz。

海洋环境噪声级[6]

式中：f 为频率，k H z；S 为海况等级，S = 0，1，2，. . .，5。

潜艇低频声呐：圆阵型基阵，共65×11个阵元，按半波长排列，其方向性函数为[8]

式中，Dlin(，φ) 为11阵元的线列阵方向性函数；Dcir(，φ)为65阵元的环形阵方向性函数。

指向性指数 DI

式中：h 为圆柱阵的高度，m；d 为圆阵直径，m；f 为基阵的设计频率，kHz。

3.3仿真参数

舰艇：4 000 t，航速 14 kn。

被动声呐：工作中心频率 f = 3 000 Hz，带宽 f = 2 000 Hz，检测阈 DT = –5 dB ，圆柱阵 DI = 27 dB。潜艇进行线导鱼雷攻击距离为 10 km。以主瓣的幅值为参考，取主瓣的幅值为 0 dB，则第1旁瓣的幅值为 –18 dB，第2旁瓣的幅值为–21 dB。圆阵型基阵的方向性图如图2 所示。

图2　圆柱型基阵方向性图Fig. 2　Directivity pattern of cylindrical sonar array

水下爆炸声源：可产生低频噪声源的干扰弹 TNT装药量 m 为 [0.01，0.04]kg 的均匀分布，干扰弹可投射的距离为 2 000～6 000 m，散布误差为 300 m。当声源频率 f 为 1～5 kHz 时水下爆炸声源噪声级如图3 所示。

3.4仿真结果

本文针对不同干扰弹装药量、干扰弹到潜艇的距离、海况等级对低频声呐的影响进行了 1 000 次蒙特卡罗法仿真。

图3　低频爆炸声源的声强级Fig. 3　Sound intensity level of low-frequency underwater explosive acoustic source

1）装药量对低频声呐探测距离的影响

在 3 级海况下，水面舰艇航速 14 kn，舰艇发射的干扰弹到潜艇距离为 7 000 m，干扰弹不同装药量情况下，潜艇低频声呐主瓣、旁瓣被干扰时的探测距离平均衰减量、衰减率，以及声呐探测距离变化情况如表 1和图4 所示。

表1　不同干扰弹装药量下的压制干扰效果Tab. 1　Interference effectivness of UEAS under

图4　潜艇声吶探测距离随干扰弹装药量的变化Fig. 4　Change of detective distance verses charge mass of interference shell

2）干扰弹到潜艇距离的影响

在3级海况下，舰艇航速 14 kn，干扰弹装药量0.02 kg，不同干扰弹到潜艇距离条件下潜艇声呐主瓣、旁瓣被干扰时的探测距离平均衰减量、衰减率，以及声呐探测距离变化情况如表 2 和图5 所示。

3）不同海况等级的影响

表2　不同干扰弹到潜艇距离下的压制干扰效果Tab. 2　Interference effectivness of UEAS under different distance from interference shell to sonar

图5　声吶探测距离随干扰弹到潜艇距离的变化Fig. 5　Change of detective distance verses distance from interference shell to sonar

干扰弹装药量，m = 0.02 kg，舰艇航速 14 kn，干扰弹到潜艇的距离为 7 000 m，不同海况等级条件下潜艇低频声呐主瓣、旁瓣被干扰时的探测距离平均衰减量、衰减率，以及声呐探测距离变化情况如表 3 和图6所示。

表3　不同海况等级下的压制干扰效果Tab. 3　Interference effectivness of UEAS under different level of sea state

4　结　语

1）水下爆炸声源能产生高强度的低频噪声（0.01 kg装药量的干扰弹可产生 170 dB 以上低频噪声源），对潜艇低频被动声呐干扰效果明显，平均衰减率 s 都达90% 以上。在 3 级海况条件下可使潜艇被动声呐对水面目标发现距离从 19 km 降至 100 m 左右。

图6　声吶探测距离随海况等级的变化Fig. 6　Change of detective distance verses level of sea state

2）低频声呐探测距离平均衰减量 Δr，平均衰减率 s 随干扰弹装药量增加而增大，但增加幅度并不明显。声呐主瓣、旁瓣受干扰时，Δr 可达 19 000 m，s可达 99%。

3）低频声呐探测距离平均衰减量 Δr，平均衰减率 s 随干扰弹与潜艇声呐间的距离增加而减小，但下降幅度并不明显。声呐主瓣、旁瓣受干扰时，Δr 可达19 000 m，s 可达 99%。

4）低频声呐探测距离平均衰减量 Δr，平均衰减率 s 随海况等级的增大而减小。高海况等级下 Δr 下降明显，由于高海况等级下海洋环境噪声较强，潜艇被动声呐探测距离较近，因此 s 也可达 90% 以上。

（5）由于水下爆炸声源产生的低频噪声声源级很高，即使声呐旁瓣受干扰时也能得到很好的压制干扰效果，能够使声呐的被动作用距离下降到 500 m 以内。

因此，相对传统的噪声干扰器[7]，水下爆炸声源对能产生高源级的干扰噪声，能有效压制敌潜艇的低频声呐，为己方舰艇的机动规避和后续对抗创造有利条件。

参考文献：

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Research on interference effectiveness of underwater explosive acoustic source against low-frequency sonar

XIA Zhi-jun1, KANG Chun-yu1, ZHU Ling-jing2, LI Jun1
(1. Department of Information Operation, Dalian Navy Academy, Dalian 16018, China; 2. No. 92961 Unit of PLA, Sanya 572000, China)

Abstract:Based on the acoustic characteristics of underwater explosive acoustic source(UEAS), the principle of underwater explosive noise against low-frequency passive sonar is researched. Taking an example of cylindrical sonar array, the interference effectiveness of sonar beam main lobe and side lobe interfered by acoustic interference source are simulated under different charge mass of underwater acoustic interference shell, distance of interference shell to sonar and level of sea state. The results show underwater explosive acoustic source have more interference effectiveness and can decrease the detective distance of sonar markedly compared with traditional noise-jammer, which provide advantages for evasion and subsequent countermeasures of own warship.

Key words:underwater explosive acoustic source(UEAS)；acoustic characteristics；low-frequency passive sonar；oppressive jamming；decay rate of detection distance

作者简介：夏志军(1979–)，男，博士，讲师，研究方向为舰艇水声与水声对抗技术及战术应用。

基金项目：国家自然科学基金资助项目(61471378)

收稿日期：2015–06–19； 修回日期: 2015–07–15

文章编号：1672–7619(2016)03–0092–05

doi：10.3404/j.issn.1672–7619.2016.03.019

中图分类号：TB561；TP391.9

文献标识码：A