浅海负跃层中声传播特性研究∗

杨 文 马 亮

（海军潜艇学院 青岛 266199）

1 引言

夏季时，浅海表面因为受到风吹的影响，经常容易出现跃变层。由冬季向夏季过渡时，逐渐由等温层过渡到负跃层［1］。负跃层是海水温度急剧变化的水层，负跃层下面的温度和声速变化都很缓慢［2］。

由于跃变层是声速急剧下降的水层，根据射线声学基础中声线的传播可知，声线到达负跃层向下弯曲的幅度增大［3］。声线总是弯向声速小的方向，声线经过跃变层会发射强烈的折射，声强衰减明显，则噪声的传播距离也明显降低。

潜艇发射武器的噪声源从传统上可以分为机械噪声、流体噪声及空化噪声［4］。发射噪声破坏了潜艇的隐蔽性，它具有持续时间短，声源级大的特点。因为潜艇发射噪声的这个特点，当潜艇发射鱼雷武器时，敌方潜艇探测到鱼雷发射噪声后，会进行一定的规避，使鱼雷的命中概率降低。发射噪声主要贡献频带集中在 1kHz以下，以低频为主［5～7］。本文被动声呐探测潜艇发射噪声研究，对负跃层位于不同深度以及负跃层上下的声速差不同的情况进行仿真分析。

2 浅海环境下发射噪声传播特性

2.1 被动声呐方程

水下作战，在目标与潜艇进行探测和反探测过程中，以被动声呐为主要探测手段。由被动声呐工作时的信息流程，可以得到被动声呐方程［1］为

式中，SL为噪声声源级（dB），TL为传播损失（dB），NL为海洋环境噪声级（dB），DI为接收指向性指数（dB），DT为声呐设备的检测阈（dB）。被动声呐方程中传播损失TL是重要的水声参数，传播损失的定义为

传播损失是被动声呐方程的重要参量，也是计算浅海声传播模型以及浅海负跃层声传播模型计算被动声呐的探测距离的重要参量。

2.2 浅海声传播损失模型

声波在浅海传播会受到海底和海面边界的影响，所以在分析浅海声场时不仅需要考虑直达声，还必须需要考虑经过一次和多次海底、海面的反射，直达声场与这些反射声的叠加为总声场。文献中Marsh和Schulkin根据在10Hz～10kHz频率范围内约10万次测量，概括得到了三个距离段的传播损失（TL）的半经验公式［8］。Marsh-Schulkin与Rogers模型的实测传播损失数据对比分析表明，总的来说这两个模型模拟结果基本符合实际声学调查数据［9］。定义距离参数R，如下。

式中，H为海水深度（英尺）；L为浅海表面的混合层深度（英尺）；R为距离参数（千码）。三个传播损失的半经验公式按距离可分为

式中，r为水平距离（千码），kL为近场传播异常，它与海况及海底的类型有关；αT为浅海衰减系数（dB），它与海况及海底的类型有关；α为海水吸收系数（分贝/千码）。对低频段吸收系数α的计算［10］，使用文献［10］中的经验公式：

式中，f为频率（kHz）。

2.3 浅海负跃层传播损失模型

声波穿越负跃层的传播损失，不仅要考虑声波的折射，还需要考虑海底的反射声。声线经过负跃层时会发生强烈的折射，对声波传播产生较大的影响。设海面下等声速层声速为c1，厚度为h1；等声速层下方为负跃层，其厚度为h；负跃层下方的等声速层速度为c2，且c2＜c1，厚度为h2，如图1所示。

图1 声波穿过浅海负跃层

设声源和接收点分别位于负跃层的上方和下方，水平距离为R，则这种条件下声强随距离的变化规律［3］为

式中， ||V是与掠射角有关的海底反射系数，R0为连接距离。由上式可以看出，声强随着距离按r-3衰减。声强随着跃变层深度h1增大而增大，随着声速差的增大而减小。

联立式（1）、（2）、（8）、（9），得到

3 仿真及分析

3.1 声源位于负跃层不同深度的声线图仿真

设跃变层上层声速c1=1524m/s，厚度h1为120m；跃层的厚度h为60m，跃变层下层声速c2等于1484m/s且c2＜c1，跃层下方等声速差厚度h2为120m。当声源深度为50m、100m、150m、200m时，声线图如图2、3、4、5所示。

图2 声源深度为50m

图3 声源深度为100m

图4 声源深度为150m

图5 声源深度为200m

从声线图可以明显地发现，声线传播经过负跃层时，会发射明显的折射，声强很快变弱，对声呐的作用距离产生明显的影响。声源位于跃变层上方时，大声线沿近海面，有利于潜艇探测近海面目标；声源位于跃变层下方，极少掠射角较大的声线才能到达跃层上方，有利于潜艇进行隐蔽机动。从声线图仿真结果而言，我方潜艇可以机动到负跃层下方发射鱼雷武器，发射噪声经过负跃层发生衰减，可以降低敌方声呐探测到发射噪声的概率。

3.2 浅海声环境对探测距离的影响

假设我方潜艇在浅海环境进行鱼雷攻击，海况为3级。设发射噪声的声源级（SL）为160dB左右，海洋环境噪声（NL）为60dB，噪声检测阈为15dB（NL），指向性系数DI为5dB（DI），表面混合层深度（L）为50m，海底深度（H）为300m，则用式（1）计算R约为13km。当R≤r≤8R时，则使用式（3）计算声传播损失，联立式（6），仿真得到不同频段发射噪声强度变化时被动声呐的探测距离的变化，如图6所示。表1、表2为仿真计算中用到的参数［3］。

表1 不同频率下浅海衰减系数与近场传播异常

表2 不同频率下海水吸收系数

图6 浅海中被动声呐的探测距离随发射噪声强度的变化

图6 中三条曲线分别代表频率在0.1kHz，0.2kHz，0.4kHz。由图中的仿真结果可知，发射噪声强度的增大对被动声呐探测发射噪声的距离有明显的影响。由于不同频率段声吸收系数（α）、近场传播损失异常（kL）和浅海衰减系数（αT）不同，导致了被动声呐的探测发射噪声的距离不同。由仿真结果图可以发现，在浅海环境下，同一发射噪声强度下，被动声呐探测低频段的发射噪声的距离较远。

3.3 负跃层深度对被动声呐探测发射噪声距离仿真

假设跃变层上层声速为c1为1540m/s，跃变层下层声速为c2为1460m/s，我方潜艇位于跃变层上方发射鱼雷武器，被动声呐位于跃变层下方，假设发射噪声的声源级（SL）为160dB左右，海洋环境噪声（NL）为60dB，噪声检测阈为15dB（NL），指向性系数为 5dB（DI）。计算 0.1kHz，0.2kHz，0.3kHz，0.4kHz海底反射系数和海底反射损失如表3所示。

表3 海底反射系数和海底反射损失

当跃变层深度h1从50m～150m变化时，得到被动声呐探测距离r随h1变化如图7所示。

图7 负跃层深度对发射噪声探测距离的影响

图 7中，从上到下分别为 0.1kHz，0.2kHz，0.3kHz，0.4kHz的发射噪声。由图7的仿真结果可以看出，当噪声强度一定的情况下，被动声呐探测发射噪声的距离随跃层深度的增加而增加；在频率越低的频段，被动声呐探测低频段发射噪声距离越大，且随跃变层深度增加探测距离增加越明显。当跃层的声速差c1-c2一定时，跃变层的深度对被动声呐探测发射噪声的距离有一定的影响，不同频段的发射噪声探测距离不同。

3.4 负跃层声速差对被动声呐探测发射噪声距离仿真

假设跃变层深度h1为100m时，c1为1540m/s，其他仿真参数与3.1相同，则得到探测距离随声速差c1-c2变化，如图8所示。

图8 负跃层声速差对发射噪声探测距离的影响

图 8中，从上到下分别为 0.1kHz，0.2kHz，0.3kHz，0.4kHz的发射噪声。由图8的仿真结果可以看出，当噪声强度一定的情况下，被动声呐探测发射噪声的距离随跃层的声速差增大而减小；在频率越低的频段，被动声呐探测低频段发射噪声距离越大，且随跃变层深度增加探测距离增加越明显。当跃层的深度一定时，跃变层的声速差变化对被动声呐探测发射噪声的距离有一定的影响，不同频段的发射噪声的探测距离也有所不同。

4 结语

本文仿真分析浅海中声波的传播及发射噪声在浅海的传播特性以及负跃层对被动声呐探测发射噪声距离的影响。仿真结果表明浅海环境下，被动声呐探测发射噪声距离随发射噪声强度增大明显增大，且在低频段发射噪声的探测距离较大。负跃层深度和跃层的声速差对被动声呐探测发射噪声有一定的影响，且发射噪声的低频段对被动声呐探测距离影响更加明显。这对潜艇指挥员利用负跃层隐蔽发射鱼雷武器有一定的指导意义。