海洋声学环境对声纳的影响评估

　　由于无线电波、光波在水中的传播衰减很大,不能远距离传播,所以不能用于水下探测目标,而声波在水中衰减比无线电波和光波衰减要小很多,所以以声波为基础的声纳成为现在水下探测的主要工具[1].声波虽然具有相对传播衰减小的特点,但是声波也存在不利的一面,即声波在海洋中传播受海洋声学环境的影响很大,从而声纳性能受海洋声学环境的影响较大.这些海洋声学环境影响因素包括声传播损失、海洋环境噪声和海洋混响(海面混响、海底混响、体积混响).

　　1 声传播损失

　　海洋中的声传播损失可以分成三部分:一是扩展损失;二是吸收损失;三是边界损失.传播损失的计算,由海水吸收损失模型、混合层传播损失模型、浅海声道传播损失模型对应确定,这三种模型中海水对于不同的距离都有相关的半经验公式.

　　(1)海水吸收损失模型

　　海水介质是有损耗的,传播过程中声能逐渐损失转变为热能,称为吸收损失.吸收损失与海水成分、温度、压力、声波的频率及传播方式有关.吸收损失的测量数据通常用符号表示.与频率的关系比较复杂,在100 kHz以下,海水声吸收主要是由水中硫酸镁离子的弛豫吸收引起的;超过100 kHz,声吸收主要是由媒质的粘滞性引起的附加吸收.频率低于5 kHz时,水中硼酸离子也出现类似的效应.海水吸收系数α的经验公式为[2]:

　　式中α:海水吸收系数dB/km;f:频率kHz.

　　(2)混合层声道传播损失模型

　　在混合层中,声速梯度为正梯度,声源位于层内时,尤其当声源靠近海面时,会使声线向上折射,而且特别使得某一射出角的声线在混合层底部发生反转,而小于此射出角的声线都完全被限制在层内传播.又由于层的上界面是一个绝对软的全反射边界,使得这些声线在层内和海面多次反射.声能被限制在层内,衰减较小,能够传播较远的距离.计算混合层表面声道传播损失的经验公式为[3]:

　　式中,αL:漏声系数dB/km;S:海况等级;f:频率kHz;H:混合层深度m.

　　(3)浅海声道传播损失模型

　　对于浅海传播损失,可以采用Marsh-Schulkin模型(即巨人模型)进行估算.在Marsh-Schulkin模型中,传播损失是海况(或波高)、海底类型、水深、频率和正梯度层深度的函数.Marsh-Schulkin模型提供的半经验公式是根据十万个测量值得到的,有一定的代表性,其公式如下[3]:

　　式中,H=[(L+D /3)]^1/2:跨度km;L:混合层深度m;D:水深m;R:距离km;α:吸收系数dB/km;αt:浅海有效衰减系数dB/反射一次;KL:近场异常衰减(与频率和距离有关).

　　2 海洋环境噪声