朱輝慶

（海裝駐杭州地區(qū)軍事代表室，杭州，310023）

水下聲傳播的機(jī)理隨著海深的增加將發(fā)生很大的改變，聲傳播特性從淺海的“近球/柱面擴(kuò)展”向“穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)性傳播”轉(zhuǎn)變。大深度特點(diǎn)以及典型的聲速剖面結(jié)構(gòu)形成了深海多途現(xiàn)象，包括直達(dá)聲線傳播、海底/海面反射聲線傳播、可靠聲路徑傳播、會(huì)聚區(qū)傳播、表面聲道傳播、深海聲道軸傳播等。影響聲線傳播結(jié)構(gòu)的因素主要包括兩大類：聲速剖面和邊界反射（包括海面、海底）。溫度、鹽度、深度等因素對(duì)聲傳播的影響最終都體現(xiàn)在聲速剖面上。可以說(shuō)，聲速是影響聲傳播最基本、最重要的參數(shù)[1]。聲速剖面可以根據(jù)溫度的垂直分布形成典型的“三層結(jié)構(gòu)”，即表面混合層、主躍層、深海等溫層[2]。深海聲速剖面比較重要的兩個(gè)參數(shù)是聲道軸深度、臨界深度，影響了深海聲道軸傳播和會(huì)聚區(qū)傳播的形成。會(huì)聚區(qū)作為深海最典型和重要的傳播現(xiàn)象一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)。Hale[3]較早在海上實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到會(huì)聚區(qū)現(xiàn)象，會(huì)聚區(qū)聲強(qiáng)比按球面擴(kuò)展計(jì)算的聲強(qiáng)高出許多。Urick[4]和張仁和[5-6]均從理論上分析過(guò)會(huì)聚區(qū)的特征。我國(guó)南海有大范圍深海區(qū)域，是研究深海聲傳播的重要環(huán)境，本文對(duì)南海典型海深位置進(jìn)行聲傳播特性分析。

1 海深選擇

圖1 為中國(guó)南海海深概要圖?？梢园l(fā)現(xiàn)，海南省三亞向東南方向，海深逐漸變深，海深呈現(xiàn)較為明顯的由淺海向深海過(guò)度，到中沙群島以南，便進(jìn)入了4000 m 以上的深海區(qū)。為分析不同海深情況下的深海聲場(chǎng)特性，本文選擇了三處典型的海深，位置分別為：位置①[112.25°E，18.75°N]、位置②[113.25°E，17.75°N]、位置③[114.75°E，14.25°N]，見圖1 紅色字體標(biāo)注。本文所用數(shù)據(jù)來(lái)源于SODA，主要用其溫鹽深數(shù)據(jù)，計(jì)算獲得聲速剖面數(shù)據(jù)，用于仿真深海聲場(chǎng)計(jì)算。

圖1 中國(guó)南海海深概要圖

聲速計(jì)算公式采用下式[7]：

式中，c為聲速，t為溫度，s為鹽度，h為深度。

數(shù)據(jù)選取2003～2007 年1 月份（冬季）的歷史數(shù)據(jù)平均值，三個(gè)位置處的聲速剖面（Sound Speed Profile，SSP）如圖2～4 所示，分別代表了約1500 m、2500 m和4500 m的典型海深情況。從聲速剖面看，三處聲速剖面結(jié)構(gòu)較為相似，主要包括以下幾點(diǎn)：（1）存在典型的表面混合層，即典型的冬季表面聲道；（2）聲道軸均在1100 m 附近；（3）在聲道軸以下，存在明顯的深海等溫層，聲速隨深度（壓力）增大而增大；（4）均為非完全深海聲速剖面（即海底聲速小于海表面聲速），其中需要注意的是，位置③即便海深達(dá)到4000 m 以上，依然是非完全深海聲速剖面。

圖2 位置①的SSP

2 聲場(chǎng)分析

利用聲場(chǎng)射線模型，對(duì)三處典型海深環(huán)境進(jìn)行聲傳播分析，并總結(jié)其聲場(chǎng)特征規(guī)律。仿真頻率取1000 Hz。

2.1 海深1500 m

針對(duì)深海水下目標(biāo)，其工作深度通常較大，本文以100 m、300 m 作為典型目標(biāo)深度進(jìn)行分析，分別仿真不同深度下的傳播損失結(jié)構(gòu)，如圖5 所示，SSP 見圖2。從仿真結(jié)果看，在位置①，當(dāng)聲源較淺時(shí)（≤100 m 的情況），表面聲道作用明顯，聲信號(hào)除了與海底海面反射外，存在一部分沿表面聲道傳播的聲能量。仿真結(jié)果表明，表面聲道的傳播距離較遠(yuǎn)，若以80 dB 的傳播損失為參考，表面聲道傳播距離可達(dá)20 km 以上。深海表面聲道傳播可用于遠(yuǎn)距離目標(biāo)探測(cè)、深海聲通訊等。而隨著聲源深度的增大，表面聲道的作用逐漸減弱，當(dāng)聲源深度增大至300 m 時(shí)，如圖5（b）所示，聲傳播以海底反射為主。由于海深深度不夠，該種情況下無(wú)法形成典型的會(huì)聚區(qū)現(xiàn)象。聲場(chǎng)呈現(xiàn)出連續(xù)反射的、參差起伏的強(qiáng)弱結(jié)構(gòu)。

圖5 傳播損失二維圖（位置①）

2.2 海深2500 m

聲源深度同樣取100 m、300 m， SSP 如圖3，聲場(chǎng)仿真結(jié)果如圖6 所示。

圖3 位置②的SSP

圖 6 傳播損失二維圖（位置②）

仿真結(jié)果可見，當(dāng)海深增大至2500 m 左右，同樣的100 m 深聲源，表面聲道傳播現(xiàn)象減弱了，聲線主要以海底反射的形式往外傳播。當(dāng)聲源深度增大至300 m 時(shí)，開始出現(xiàn)會(huì)聚區(qū)現(xiàn)象，此時(shí)靠近海表面的會(huì)聚聲信號(hào)依然以海底反射聲線為主，包含少量折射聲線（即典型的會(huì)聚區(qū)聲線）。

2.3 海深4000 m

位置③的海深達(dá)到4000 m 以上，聲速剖面如圖4 所示，仿真聲源深度同上，仿真結(jié)果如圖7 所示。位置③是典型的深海大深度區(qū)域。然而，從聲速剖面看，此處的聲速剖面依然沒有達(dá)到完全聲速剖面，所以當(dāng)聲源很淺時(shí)，依然無(wú)法形成完整的會(huì)聚區(qū)。只有當(dāng)聲源深度較深時(shí)，才會(huì)形成典型的會(huì)聚區(qū)現(xiàn)象。

圖4 位置③的SSP

圖7 傳播損失二維圖（位置③）

對(duì)比圖7（a）和圖6（a）可以發(fā)現(xiàn)，位置③處已經(jīng)初具會(huì)聚區(qū)現(xiàn)象，海表面附近會(huì)聚信號(hào)區(qū)寬度較大，可利用性提高；對(duì)比圖7（b）和圖6（b）可以發(fā)現(xiàn)，位置③處300 m 深聲源信號(hào)可形成較完整的會(huì)聚區(qū)，從而其聲影區(qū)結(jié)構(gòu)也較為明顯。

3 應(yīng)用分析

對(duì)于三種典型深海海深情況下的聲場(chǎng)特征，分析其在水聲裝備應(yīng)用中的特點(diǎn)。深海聲場(chǎng)特點(diǎn)決定了純被動(dòng)探測(cè)很難對(duì)水下目標(biāo)實(shí)現(xiàn)有效預(yù)警，主動(dòng)聲吶探測(cè)是當(dāng)下遠(yuǎn)距離探測(cè)的主要手段，且主動(dòng)聲吶可配合艦殼聲吶、拖曳線列陣、聲吶浮標(biāo)等多平臺(tái)進(jìn)行協(xié)同探測(cè)。

簡(jiǎn)化分析模型，設(shè)某主動(dòng)聲吶探測(cè)裝備的發(fā)射聲源級(jí)為205 dB，接收增益為10 dB，收發(fā)位置接近；分析海況為三級(jí)，海洋環(huán)境噪聲1000 Hz 頻率上設(shè)為 67 dB；目標(biāo)強(qiáng)度為10 dB，檢測(cè)閾為-5 dB。計(jì)算主動(dòng)聲吶方程的品質(zhì)因數(shù)：

式中，SL為聲源級(jí)，NL為海洋噪聲級(jí)，TS為目標(biāo)強(qiáng)度，DI為接收指向性指數(shù)，DT為檢測(cè)域。

由上文比較可知，三種典型海深情況下，聲源300 m 深的情況比聲源100 m 的情況更適合探測(cè)目標(biāo)。設(shè)收發(fā)同深，圖8 為聲源和接收都為300 m 海深時(shí)的傳播損失隨距離的變化，圖中紅色虛線表示FOM（即代表單程最大允許傳播損失）。

圖 8 聲源和接收同為300 m 時(shí)的傳播損失

由圖8 可知：（1）位置①處，第一探測(cè)區(qū)可達(dá)約18 km，隨后有近7 km 的影區(qū)，繼而又出現(xiàn)約10 km 寬的探測(cè)區(qū)，并按影區(qū)、探測(cè)區(qū)依次交替出現(xiàn)，整體上呈現(xiàn)影區(qū)逐漸增大、可探測(cè)區(qū)逐漸縮小的趨勢(shì)，直至可探測(cè)區(qū)近乎消失；（2）位置②處，直達(dá)信號(hào)的可探測(cè)區(qū)很小，只到5 km 左右，第1會(huì)聚區(qū)的可探測(cè)范圍約為25～52 km，第2、3 會(huì)聚區(qū)的可探測(cè)區(qū)域較小，可利用性差；（3）位置③處，直達(dá)信號(hào)的可探測(cè)區(qū)很小，約5 km 左右，第1會(huì)聚區(qū)的可探測(cè)范圍約為49～57 km，第2、3 會(huì)聚區(qū)的可探測(cè)區(qū)域較小，可利用性差。

4 總結(jié)

文章以SODA 海洋數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，選擇了三個(gè)位置，分析了南海深海三種典型海深情況下的冬季聲場(chǎng)特性。仿真分析結(jié)果可得到以下結(jié)論：

（1）海深1500 m 左右的海域，淺聲源存在明顯的表面聲道傳播現(xiàn)象，深聲源則主要以海底反射的形式進(jìn)行聲線傳播；

（2）海深越大、聲源深度越大，越容易形成典型深海會(huì)聚區(qū)。該海域中聲源深度300 m、海深2500 m 以上均可形成穩(wěn)定的會(huì)聚區(qū)現(xiàn)象；

（3）海深1500 m 情況下（即無(wú)法形成會(huì)聚區(qū)情況），近場(chǎng)探測(cè)范圍較大，距離越遠(yuǎn)，可探測(cè)范圍越小。

（4）海深2500 m 情況下，近場(chǎng)探測(cè)范圍較小，第一會(huì)聚區(qū)（聲線反轉(zhuǎn)與海底反射同時(shí)存在）可探測(cè)范圍很大，可達(dá)20 km 以上；

（5）海深4000 m 以上時(shí)，近場(chǎng)探測(cè)范圍較小，第一會(huì)聚區(qū)探測(cè)范圍也不大，對(duì)裝備探測(cè)深度提出了較高的要求。