浅水域水下目标声辐射及传播特性研究

张露 罗琦 景超

摘 要： 当前，随着水下开拓作业的不断深入，为保证水面设备、水下平台运行安全，提高其运行性能，需要加大力度研究水下声学特性，准确测量预测熟悉爱辐射噪声。基于此，本文就浅水域水下目标声辐射和传播特性展开研究，首先对浅水域声场进行了仿真分析，其次对声源辐射声场特性展开了模擬实验，得到浅水域下声场特征，声源辐射和传播情况，确保水下作业和设备运行顺利。

关键词： 浅水域;水下目标声辐射;传播特性

【中图分类号】U416      【文献标识码】A     【文章编号】1674-3733（2020）13-0224-02

随着声场测试技术的发展，水听器从单声压发展到多水听器、水听器阵和矢量水听器。当前，辐射噪声场测试时，应用最广泛的是声阵测量法，声阵测试数据的主要处理方法就是矢量、能量叠加以及矢量传递数据。其中矢量叠加使由波束构成的，矢量传递韩式可以进行目标振动分布特征反演，而能量叠加就是空间平均，也就是各阵元测量输出信号实现能量叠加并平均，进而对单阵元误差过大现象进行抑制。

1 浅水域声场仿真分析

1.1 计算模型。在测量浅水域目标水下辐射噪声时，一般选择的测试目标在与测量系统正横

有限水域模型距离50-100m测试，该范围内，除去水体介质对声音的吸收，测试时间段，水体密度和声速等固定不变。不同水域环境不同，无法获得准确参数，为了对不同参数下有限水域下的声场特性进行分析，需要处理环境结构，并建立有限水域模型，见图1;根据射线声学理论虚源法建立浅水域声源辐射声场模型，见图2。一般性下，以水平向右为x轴，以竖直向下为z轴，建立直角坐标系。

标准压力释放边界为水面，平整界面为水底，除去水域周边反射干扰和时间因子，根据声波叠加原理，得到有限水域声源辐射空间声场中任一位置声压信号。

1.2 仿真计算

1.2.1 浅水域空间声场分布。根据声场计算模型对水底沉积物与声场分布关系进行仿真分析，选择粗沙、沙-粉土-黏土、粉质黏土三种沉积物，在水深50m、点声源15m深、密度1.0g/cm3、水中声速1500m/s、信号频率为100Hz和500Hz条件下，所得不同水底介质条件中，点声源辐射声场的分布情况，见图3。图a-c发现，其信号频率为100Hz和500Hz[1]。图3发现，受到多途干涉，浅水域点声源辐射区域内声场能量分配不均，具有明显起伏特征。对不同沉积物声场分布情况对比发现，高声速沉积物介质下声场有明显的明暗条纹变化青霉声场能量的分布比较复杂，这是由于高声速海底会将入射的声波进行全反射，进而使得大量能量反射回进入海底导致的一种现象。

粉质黏土介质中，在信号频率50Hz时，水平距离5m、20m、40m处顺着深度方向采样空间声场，所得声场声压级受到深度变化影响，见图4，从中可以看出，声压级曲线有明显驻波现象，峰谷比较多，最大的声压级变化幅度达到十几分贝，同时顺着水平方向，距离越大，声场的起伏波动就更大。

1.2.2 声传播特性。声传播和信号频率之间，选择粗沙沉积物作为介质，水域参数与上述相同，采集声信号使用23元等间距先真，间距为2m，线阵中心的水听器处于水域中心，所得线阵中心的水听器对声压级和能量平均声压级传播测量，得到的仿真结果见图5。从图中发现，500Hz以上的曲线呈现上下移动，声压级曲线变化明显，随着距离变化表现为无规律的传播现象。不同频率下，声传播变化不同，5Hz与10Hz时，声能量相较于其他频率而言，衰减速率明显较高，而且，距离越大，衰减速率越明显[2]。这就说明，波导情况下，低频声波能量一般出现在近距离区域中，无法实现远距离传播，符合理论，模型正确。另外，频率上升，声传播衰减速度下降，与柱面波的衰减速率相近。从上述分析中得到，水下目标声场的传播和频率、水平距离有关。

线阵中心水听器声压级测量情况声传播和水深之间，选择250Hz、500Hz和1000Hz、1500Hz等频率为参数，传播损失计算水平距离是1000m，仿真条件同上，对水域深度和单声源辐射声场声能量传播关系进行仿真分析，得到如图7，从中可以发现，水深对低频声传播影响更大，水越深，声传播损失越大。

2 声源辐射声场特性模拟实验

在进行标准声源辐射声场特性模拟实验时，模拟浅水域环境，在波导水池中铺设细沙和鹅卵石作为沉积层，厚度0.17m，水池周边铺设橡胶吸声尖劈，如图9，实验组使用标准上元，其中一边是组合式声源，使用功率放大器使声源能够向水中发射声波信号，利用12元等间距水听器线阵针对不同水平距离空间垂向声场采集信号，水听器的阵元间距时0.1m，线阵上边的水听器进入水中的深度是0.1m，单声源进入水中的深度是0.6m。

不同水深与声能量传播损失关系示意图  10-50Hz下，在距离水听器阵列1m处，以每步2m的速度沿着水平风向移动到11m的位置，采集空间垂向声压，得到近距离声场的分布和单声源辐射传播之间的关系。从中得到，受到界面反射波的影响，目标辐射声场在空间分布上存在不均匀的现象，垂直以及水平方向都有起伏现象，且距离变大，同频率响应的垂向生成声压起伏也会增加。

结束语：

综上所述，浅水域中，目标辐射声场由于界面反射干扰，声能量在分布上存在不均匀得到现象，表现为明显的空间主播分布现象，垂直声场的声压级变化超过十几分贝，如果硬要单水听器进行单点测量，会导致实际测量结果出现较大的误差。此外，浅水域中，声场能量的传播特征与水深以及声源频率都有关系，对于浅水域声场起伏而言，空间能力平均法起到了一定的抑制作用。相较于单水听器而言，声压起伏测试从20dB下降到几分贝，与目标水下声传播特征和规律相符。

参考文献

[1] 金键，侯海量，陈鹏宇，等.PMT水下内爆冲击波强度与传播特性研究[J].振动与冲击，2018，37（013）：100-104，122.

[2] 王梦圆，李整林，吴双林，等.深海大深度声传播特性及直达声区水下声源距离估计[J].声学学报，2019（5）：905-912.