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[摘 要]本文介绍海洋水声环境的复杂性，分析了浅海不同水文条件下的声传播规律，并对不同水文条件下的声传播损失进行了计算机仿真，提出了水声探测设备根据不同水文条件进行使用的基本原则。
[关键词]水声环境；水声探测设备性能；传播损失
中图分类号：U666.7 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）12-0398-02
1 水声环境复杂性
海洋是一个复杂多变的环境，而海水中的声速是研究声波在海水中传播以及水声战的基本物理量之一。声速的经验公式可表示为：
式中：c为声速度，m/s；T为温度，℃；S为含盐度，‰；Z为深度，m。
由式（1）可知，由于海水温度、盐度及静压力的变化，声速也随之变化。一般情况下，海区的垂直声速分布可以归纳为等声速、弱正梯度、负梯度和强跃变4种类型。
声速沿垂直方向和水平方向的不同分布决定了声线在水中的折射，形成了复杂的声场分布情况，声波在海洋中的传播很大程度上依赖于海水的声速分布情况。某一区域水声环境随着季节的变化会呈现复杂多变的特点，并最终严重影响水声探测设备探测目标的效果。
1.1 季节性特点
由于日照、气温、海流、风浪等因素的影响，使得声速变化具有明显的季节性特征。在影响声速的各类因素中，温度起着主要作用。一般情况下，冬季海水表层温度较低，声速分布
为正梯度，声线弯向海面。这时水声探测设备探测距离较远，探测效果较好。夏季由于日照充足，海水温度变化剧烈，情况较为复杂：一是海水表层温度较高，并随着深度增加水温下降，形成温度负梯度层，声速分布为负梯度，声波传播的路径（声线）弯向海底，并出现声影区；二是海水表层有时由于台风等气候条件的影响，海水充分搅拌形成等温层，厚度可达十几米至几十米。
在等温层以下深度内，水温突然大幅度下降，出现温度跃变层（温跃层）。此层有时很薄，可能只有几米，却把海水分成上下温度截然不同的2层，它对高频声波有显著的屏蔽效应，声线穿过时发生急剧弯曲，因而对声波传播影响极大；三是在某些特殊海区，由于存在深层海流，会出现含盐度或溫度的特殊垂直分布，在某一深度上出现声速极小值，形成所谓浅海水下声道，这比表面声道有更好的声传播条件，水声探测设备探测距离也更远。此外，有时由于昼夜水温的变化也会影响水声探测设备探测效果。白天日照充分，海水表层水温升高较快，形成负梯度；到了午夜或凌晨，表层水温降低形成正梯度。这种声速梯度的变化，使得水声探测设备在下午和傍晚的探测效果明显比凌晨或上午差，这便是所谓的“午后效应”，夏季时“午后效应”更加明显。
1.2 区域性特点
在深海海区，典型的深海声速分布可分表面层、跃变层、主跃层及深海等温层，其中主跃层和深海等温层形成了所谓的深海声道。声道轴上方的声线围绕声道轴交替反复，声波聚集在这一隔层里传播，未经海底与海面反射，能量损失小，声波可以传播很远，在声道轴附近几千克TNT当量的爆炸声可以传至几千千米远。
声道轴的深度可以在几百米至几千米的范围内变化，这主要决定于海区所在的纬度，声道轴的深度随纬度增高而升高。在浅海海区，海面是声反射体又是声散射体，当海面不平静时，对声传播影响更大；海底也是声反射体或散射体，不同的海底底质（如泥浆、砂砾、岩石等）密度分布不均匀，从而使海底的声反射特性难以预估，并严重影响声传播特性。由于浅海的海面和海底2个界面之间距离很小，声波经过多次反射、散射衰减很大，而且多途径效应使声信号发生畸变。对于主动水声探测设备而言，浅海的混响干扰也比深海严重得多。
2 浅海声传播模型
本文采用射线声学理论进行声传播规律建模。由于海洋中存在不同深度和不同區域的声速分布，声波传播不再是直线，但能把声速剖面分成若干层，在每一区段内，声速剖面近似地用直线来表示。Snell定律表明在声速连续变化的分层介质中声线路径将是曲线。
2.1 射线声学理论
2.1.1 声线传播轨迹
在分层介质条件下，对于给定声速度分布函数c（z），若点声源位于（r0，z0）处，声速度为c0，以初始掠射角为θ0自声源发出的声线上的任意点（r，z）的声线传播轨迹计算表达式
为
其中折射率n（z）=c0/c（z）。
2.1.2 声强和声压
声源和接收点之间的几何传播损失可由声源处相邻的2条声线间的声波束管的截面积计算。接收点处的声强I和声压A为：
若考虑由海面、海底引入的损失、声波的几何传播损失和海水介质吸收引入的损失，接收点处的声强为
式中：Ns和Nb为海面和海底的反射次数；Vsi和Vbi为第i次海面和海底的反射系数；θsi和θbi为第i次海面和海底反射时声线在海面处的掠射角；β为海水介质的吸收系数，dB/km；S为声线到达接收点传播的声程。在低频段，海水介质的吸收系数β可用Thorp给出的经验公式得到，即
式中f的单位为kHz。传播损失的定义为
通过式（2）～式（7）便可求得传播损失TL。
2.2 水声探测设备作用距离估计
对于以海洋环境噪声为主要背景干扰的被动水声探测设备方程，DT=SL-TL（r）+GT+GS-NL或者可写成FM=TL（r）的形式，其中优质因子FM的确定已经考虑了目标源级SL、时间处理增益GT、空间处理增益GS、环境噪声级NL、检测阈DT等因素的影响，反映了声呐性能的优劣。定义优质因子（FM）与传播损失（TL）的差值为信号余量SE，水声探测设备最大作用距离rmax由SE（rmax）=0来确定。对于给定的发射和接收深度，可以计算得到不同距离上的声传播损失TL，从而计算出水声探测设备的作用距离。 2.3 仿真及实验分析
本文选取正梯度、负梯度和跃变层3种典型水文条件分别对声传播规律及传播损失进行仿真，其中声源频率为3kHz。仿真结果如图1～图5所示。
从不同水文条件下的声传播规律及传播衰减曲线间的比较可以看出：
1）在等声速层（或若正梯度）条件下，传播损失最小，声线向海面弯曲，当水声探测设备搜索对方水面舰船时，对方水面舰船辐射噪声相对较大，我方的航行深度应尽量接近海面，并以最小噪声航速航行，以利于对对方水面舰船的探测；当搜索对方水下目标时，水声探测设备接收机应在对方工作深度之上，以利于接收对方水下目标的辐射噪声，并可降低对方对我方的探测。
2）在负声速梯度条件下，声传播损失较大，声线向海底弯曲。这是因为负声速梯度下的折射效应的缘故，致使声线折向海底，造成海底处的入射掠角过大。当水声探测设备搜索对方水面舰船和水下目标时，我方应下潜到水下工作深度并比对方水下目标工作深度深，以利于接收目标辐射噪声；当我方规避对方水面舰船和水下目标时，我方的航行深度应尽量接近海面，以避开对方水面舰船和水下目标的搜索跟踪。
3）在出现聲速强负梯度及存在跃变层的情况下，声传播损失增大，水声探测设备探测距离明显下降。水声探测设备的作用距离在良好的水文条件时与恶劣水文条件时相差若干倍，如果遇到更恶劣的水下环境，水声探测设备探测效果更差。水声探测设备在强负梯度水层或温跃层这种恶劣环境中搜索水下目标，难以达到预想的效果。
3 结语
通过对海区海洋环境进行调查研究，掌握其海底声学特性、深海声道位置和海水温度垂直分布等基本情况，可进行海洋环境预报和水声探测装备作用距离预报，这对作业舰船来说非常重要。若能在出海之前就估计出作业海区水声探测設备使用效果，到达海区后使用舰船上水声设备再实地测试声速分布、海底声学特性或声道等情况去校正预报数据，因势利导去适应环境，将达到最佳效果。
参考文献
[1] 刘伯胜，雷家煜.水声学原理[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2009.
[2] 李启虎.数字式水声探测设备设计原理[M].合肥：安徽教育出版社，2002.
[3] 惠俊英，生雪莉.水下声信道（第2版）[M].北京：国防工业出版社，2007.
[4] 汪德昭，尚尔昌.水声学[M].北京：科学出版社，1981.
[关键词]水声环境；水声探测设备性能；传播损失
中图分类号：U666.7 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）12-0398-02
1 水声环境复杂性
海洋是一个复杂多变的环境，而海水中的声速是研究声波在海水中传播以及水声战的基本物理量之一。声速的经验公式可表示为：
式中：c为声速度，m/s；T为温度，℃；S为含盐度，‰；Z为深度，m。
由式（1）可知，由于海水温度、盐度及静压力的变化，声速也随之变化。一般情况下，海区的垂直声速分布可以归纳为等声速、弱正梯度、负梯度和强跃变4种类型。
声速沿垂直方向和水平方向的不同分布决定了声线在水中的折射，形成了复杂的声场分布情况，声波在海洋中的传播很大程度上依赖于海水的声速分布情况。某一区域水声环境随着季节的变化会呈现复杂多变的特点，并最终严重影响水声探测设备探测目标的效果。
1.1 季节性特点
由于日照、气温、海流、风浪等因素的影响，使得声速变化具有明显的季节性特征。在影响声速的各类因素中，温度起着主要作用。一般情况下，冬季海水表层温度较低，声速分布
为正梯度，声线弯向海面。这时水声探测设备探测距离较远，探测效果较好。夏季由于日照充足，海水温度变化剧烈，情况较为复杂：一是海水表层温度较高，并随着深度增加水温下降，形成温度负梯度层，声速分布为负梯度，声波传播的路径（声线）弯向海底，并出现声影区；二是海水表层有时由于台风等气候条件的影响，海水充分搅拌形成等温层，厚度可达十几米至几十米。
在等温层以下深度内，水温突然大幅度下降，出现温度跃变层（温跃层）。此层有时很薄，可能只有几米，却把海水分成上下温度截然不同的2层，它对高频声波有显著的屏蔽效应，声线穿过时发生急剧弯曲，因而对声波传播影响极大；三是在某些特殊海区，由于存在深层海流，会出现含盐度或溫度的特殊垂直分布，在某一深度上出现声速极小值，形成所谓浅海水下声道，这比表面声道有更好的声传播条件，水声探测设备探测距离也更远。此外，有时由于昼夜水温的变化也会影响水声探测设备探测效果。白天日照充分，海水表层水温升高较快，形成负梯度；到了午夜或凌晨，表层水温降低形成正梯度。这种声速梯度的变化，使得水声探测设备在下午和傍晚的探测效果明显比凌晨或上午差，这便是所谓的“午后效应”，夏季时“午后效应”更加明显。
1.2 区域性特点
在深海海区，典型的深海声速分布可分表面层、跃变层、主跃层及深海等温层，其中主跃层和深海等温层形成了所谓的深海声道。声道轴上方的声线围绕声道轴交替反复，声波聚集在这一隔层里传播，未经海底与海面反射，能量损失小，声波可以传播很远，在声道轴附近几千克TNT当量的爆炸声可以传至几千千米远。
声道轴的深度可以在几百米至几千米的范围内变化，这主要决定于海区所在的纬度，声道轴的深度随纬度增高而升高。在浅海海区，海面是声反射体又是声散射体，当海面不平静时，对声传播影响更大；海底也是声反射体或散射体，不同的海底底质（如泥浆、砂砾、岩石等）密度分布不均匀，从而使海底的声反射特性难以预估，并严重影响声传播特性。由于浅海的海面和海底2个界面之间距离很小，声波经过多次反射、散射衰减很大，而且多途径效应使声信号发生畸变。对于主动水声探测设备而言，浅海的混响干扰也比深海严重得多。
2 浅海声传播模型
本文采用射线声学理论进行声传播规律建模。由于海洋中存在不同深度和不同區域的声速分布，声波传播不再是直线，但能把声速剖面分成若干层，在每一区段内，声速剖面近似地用直线来表示。Snell定律表明在声速连续变化的分层介质中声线路径将是曲线。
2.1 射线声学理论
2.1.1 声线传播轨迹
在分层介质条件下，对于给定声速度分布函数c（z），若点声源位于（r0，z0）处，声速度为c0，以初始掠射角为θ0自声源发出的声线上的任意点（r，z）的声线传播轨迹计算表达式
为
其中折射率n（z）=c0/c（z）。
2.1.2 声强和声压
声源和接收点之间的几何传播损失可由声源处相邻的2条声线间的声波束管的截面积计算。接收点处的声强I和声压A为：
若考虑由海面、海底引入的损失、声波的几何传播损失和海水介质吸收引入的损失，接收点处的声强为
式中：Ns和Nb为海面和海底的反射次数；Vsi和Vbi为第i次海面和海底的反射系数；θsi和θbi为第i次海面和海底反射时声线在海面处的掠射角；β为海水介质的吸收系数，dB/km；S为声线到达接收点传播的声程。在低频段，海水介质的吸收系数β可用Thorp给出的经验公式得到，即
式中f的单位为kHz。传播损失的定义为
通过式（2）～式（7）便可求得传播损失TL。
2.2 水声探测设备作用距离估计
对于以海洋环境噪声为主要背景干扰的被动水声探测设备方程，DT=SL-TL（r）+GT+GS-NL或者可写成FM=TL（r）的形式，其中优质因子FM的确定已经考虑了目标源级SL、时间处理增益GT、空间处理增益GS、环境噪声级NL、检测阈DT等因素的影响，反映了声呐性能的优劣。定义优质因子（FM）与传播损失（TL）的差值为信号余量SE，水声探测设备最大作用距离rmax由SE（rmax）=0来确定。对于给定的发射和接收深度，可以计算得到不同距离上的声传播损失TL，从而计算出水声探测设备的作用距离。 2.3 仿真及实验分析
本文选取正梯度、负梯度和跃变层3种典型水文条件分别对声传播规律及传播损失进行仿真，其中声源频率为3kHz。仿真结果如图1～图5所示。
从不同水文条件下的声传播规律及传播衰减曲线间的比较可以看出：
1）在等声速层（或若正梯度）条件下，传播损失最小，声线向海面弯曲，当水声探测设备搜索对方水面舰船时，对方水面舰船辐射噪声相对较大，我方的航行深度应尽量接近海面，并以最小噪声航速航行，以利于对对方水面舰船的探测；当搜索对方水下目标时，水声探测设备接收机应在对方工作深度之上，以利于接收对方水下目标的辐射噪声，并可降低对方对我方的探测。
2）在负声速梯度条件下，声传播损失较大，声线向海底弯曲。这是因为负声速梯度下的折射效应的缘故，致使声线折向海底，造成海底处的入射掠角过大。当水声探测设备搜索对方水面舰船和水下目标时，我方应下潜到水下工作深度并比对方水下目标工作深度深，以利于接收目标辐射噪声；当我方规避对方水面舰船和水下目标时，我方的航行深度应尽量接近海面，以避开对方水面舰船和水下目标的搜索跟踪。
3）在出现聲速强负梯度及存在跃变层的情况下，声传播损失增大，水声探测设备探测距离明显下降。水声探测设备的作用距离在良好的水文条件时与恶劣水文条件时相差若干倍，如果遇到更恶劣的水下环境，水声探测设备探测效果更差。水声探测设备在强负梯度水层或温跃层这种恶劣环境中搜索水下目标，难以达到预想的效果。
3 结语
通过对海区海洋环境进行调查研究，掌握其海底声学特性、深海声道位置和海水温度垂直分布等基本情况，可进行海洋环境预报和水声探测装备作用距离预报，这对作业舰船来说非常重要。若能在出海之前就估计出作业海区水声探测設备使用效果，到达海区后使用舰船上水声设备再实地测试声速分布、海底声学特性或声道等情况去校正预报数据，因势利导去适应环境，将达到最佳效果。
参考文献
[1] 刘伯胜，雷家煜.水声学原理[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2009.
[2] 李启虎.数字式水声探测设备设计原理[M].合肥：安徽教育出版社，2002.
[3] 惠俊英，生雪莉.水下声信道（第2版）[M].北京：国防工业出版社，2007.
[4] 汪德昭，尚尔昌.水声学[M].北京：科学出版社，1981.