水声学原理 (2)

水声学underwater acoustics简史水声换能器和参量阵水声换能器水声换能器的进展水声参量阵声波在海洋中的传播和声场数值预报传播损失水下声道理论方法深海中的声传播浅海中的声传播声场数值预报水声场的背景干扰噪声海洋中的混响信号场的起伏和散射海面波浪引起的声起伏湍流引起的声起伏内波引起的声起伏目标反射和舰船辐射噪声水下目标反射舰船辐射噪声水声信号处理-声学的一个分支学科。

它主要研究声波在水下的产生、传播和接收，用以解决与水下目标探测和信息传输过程有关的声学问题。

声波是已知的唯一能够在水中远距离传播的波动,在这方面远比电磁波(如无线电波、光波等)好,水声学随着海洋的开发和利用发展起来，并得到了广泛的应用。

简史1827年左右，瑞士和法国的科学家首次相当精确地测量了水中声速。

1912年“巨人”号客轮同冰山相撞而沉没，促使一些科学家研究对冰山回声定位，这标志了水声学的诞生。

美国的R.A.费森登设计制造了电动式水声换能器(500～1000Hz)，1914年就能探测到2海里远的冰山。

1918年，P.朗之万制成压电式换能器，产生了超声波,并应用了当时刚出现的真空管放大技术,进行水中远程目标的探测，第一次收到了潜艇的回波，开创了近代水声学，也由此发明了声呐。

随后，水声换能器的革新，关于温度梯度影响声传播路径的机理、声吸收系数随频率变化等水声学研究的成就，使声呐得以不断改进，并在第二次世界大战期间反德国潜艇的大西洋战役中起了重要作用。

第二次世界大战以后,为提高探测远距离目标(如潜艇)的能力,水声学研究的重点转向低频、大功率、深海和信号处理等方面。

同时，水声学应用的领域也越加广泛，出现了许多新装置，例如:水声制导鱼雷,音响水雷，主、被动扫描声呐,水声通信仪，声浮标，声航速仪,回声探测仪,鱼群探测仪,声导航信标,地貌仪,深、浅海底地层剖面仪，水声释放器以及水声遥测、控制器等。

水声作为遥测海洋的积分探头，在长时间内大面积连续监测海洋的运动过程以及海洋资源概念也已初步形成。

随着海洋的开发，水声学在海洋资源的调查开发、对海洋动力学过程和环境监测、增进人类对海洋环境的认识等方面的应用还将不断地扩展。

现代水声学的研究课题涉及面很广，主要有：①新型水声换能器；②水中非线性声学；③水声场的时空结构（例如：信号场的相关，简正波场的分离和应用，数值声场预报和信道匹配等）；④水声信号处理技术（例如：最佳时空处理、水声信号的参量估计等）；⑤海洋中的噪声和混响、散射和起伏，目标反射和舰船辐射噪声；⑥海洋媒质的声学特性（例如：沉积层和海底、海面、内波及湍流的声学特性）等。

特别是水声学正在与海洋、地质、水生物等学科互相渗透，而形成海洋声学等研究领域。

下面就六个方面分别叙述水声学的主要学科内容。

水声换能器和参量阵水声换能器是发射和接收水中声信号的装置，应用最广泛的是电声转换的水声换能器，即转换电能为水中声能的水声发射器以及转换水中声能为电能的水声接收器（即水听器）。

水是声阻抗率较高的媒质，因此要发射较大声功率就必须有较大的力。

常用的水声换能器按其基本换能机理分为可逆式和不可逆式两大类。

可逆式(可作接收器)的有：电动、静电、可变磁阻(电磁)、磁致伸缩和压电水声换能器。

不可逆式(不可作接收器)的有：调制流体(流体动力)、气动（如气枪）、化学能（如信号弹）、机声（如扫水雷声源）等（见电声换能器）。

水声换能器的进展20世纪60年代以来，为了实现声呐的远程探测，发展了不少新的换能材料、结构振动方式和换能机理；发展了工作在低频、宽带、大功率和深水中的发射器，具有高灵敏度、宽带、低噪声等性能的水听器;出现了新型的水声换能器,如PVDF水听器、复合压电陶瓷水听器、凹型弯张换能器、利用亥姆霍兹共鸣器原理制成的低频水听器、应用射流开关技术的调制流体式换能器、声光换能器等。

水声参量阵分为参量发射阵和参量接收阵两类。

它利用声波在水内传播时产生的非线性相互作用。

如发射器同时发出两个频率相近的（分别为、）高频波（又称原波），由于非线性相互作用，则还产生频率为(-)和(+)的差频波及和频波,这也可看作为一种新的转换概念，参量发射阵利用的是差频波（见换能器阵）。

参量发射阵（又简称参量阵）可分为原波饱和与无饱和两种情况（饱和是当声波的振幅足够大时产生的，这时，近场原波的振幅趋于饱和，不随声源振幅的增大而增大），有四种典型模式（或称极限情况）：无饱和近场吸收限制、无饱和远场球面扩展限制、饱和近场限制、饱和远场限制。

对这四种典型模式的理论研究结果与实验符合得很好。

对无饱和的两种模式，差频波的声压都正比于两原波声压的乘积。

对第一种模式，差频波声压正比于频率下移比的二次方，下移比是原波与差频波的频率之比;对第二种模式,则正比于下移比的一次方。

参量阵的主要缺点是效率很低，它的独特优点是可以利用小尺寸换能器获得低频、宽频带、低旁瓣或无旁瓣、探照灯式的尖锐波束，应用于需要低频高分辨率探测中。

参量阵已进入实用阶段，特别适用于海底浅层地质的勘探、水下埋藏物的探测、浅海特定简正波的激励等。

参量接收阵近来也受到注意，其工作原理与参量发射阵相同，非线性相互作用在高声强的泵波和待接收的声波之间发生，在泵波的声轴上接收差频或和频信号。

不过，参量接收阵的技术实现难度更大，实际应用为时尚早。

声波在海洋中的传播和声场数值预报海洋及其边界（海面和海底）组成复杂多变的水声传播媒质，它的复杂多变性主要表现在随海区和季节而变化，从而有不同的传播规律。

传播损失从声源发出的声信号在传播过程中逐渐损失能量，这种传播损失分为扩展和衰减。

扩展损失表示声波的波阵面从声源向外不断扩展的简单几何效应。

但实际上声波经常是在类似于波导中的传播，可以在这种波导（称为声道）中定向性地传播很长距离。

衰减损失包括吸收、散射和声能漏出声道的效应。

造成吸收的原因是海水的粘滞性、热传导性、海水中硫酸镁和硼酸－硼酸盐离子的弛豫机构。

吸收使声强以指数形式随距离下降,吸收系数一般正比于频率二次方(见声吸收),因此远程声呐都选用较低频率。

造成散射的原因包括海中气泡、悬浮粒子、不均匀水团、浮游生物以及边界的不平整性，散射一般远小于吸收所引起的衰减。

声能漏出声道的效应则因具体声道而异。

水下声道产生海洋传播声道的条件是海洋边界及特定声速剖面。

声速剖面就是海洋的声速分层结构。

海水中的声速是温度、盐度和静压力 (深度)的函数。

图1[典型深海声速剖面]是典型的深海声速剖面。

它大致分为三层：表面层、主跃变层和深海等温层。

①表面层中的声速对温度和风的作用很敏感，有明显的季节变化和日变化由于湍流、对流和风动表面对海水的搅拌,往往形成等温层，称为混合层。

在混合层内，由于海水静压力的作用，产生10m量级的正声速梯度[991-01][991-30]形成不很稳定的表面声道──混合层声道。

②在表面层以下约千米深度内，温度随深度而下降，使声速也随深度下降,具有较强的负声速梯度,称为主跃变层。

③最下面的称为深海等温层，层中海水处于冷而均匀的稳定状态，声速随着深度的增加而增加。

在主跃变层的负声速梯度和深海等温层的正声速梯度之间存在一个定速极小值（声道轴），形成较稳定的深海声道──声发声道。

纬度高于50°的大洋中，整个水层都具有深部冷水温度，声道轴接近海面。

在沿岸浅海及大陆架上，声速剖面受较多的因素影响，有较强的地区变异性和短时间不稳定性。

但平均而言，仍有比较明显的季节特征。

在冬季的典型声速剖面是等温层，在夏季往往是负跃层或负梯度。

在浅海，由海面和海底构成浅海声道，声波在声道中由海面和海底不断反射而传播。

海底的声反射特性,特别是小掠射角的海底反射损失,是浅海声场分析和声呐作用距离预报的重要参量，它决定于海底的底质和结构。

理论方法当声传播水平距离不特别远（几百千米以内）时，往往把海洋看作分层媒质，分层媒质中的波动理论在60年代已达到较为成熟的阶段（见分层媒质中的波）。

研究声波在海洋媒质中传播的主要方法是简正波理论和射线理论，它们是波动方程满足定解条件的解的两种表达形式。

前者把声场表示为许多简正波的和，在浅海远程情况,一般只有头几号甚至只有第1号简正波起重要作用，因此用起来很方便。

后者把声场表示为许多射线解的和，在高频极限情况，这些解退化为声线，类似于经典的几何光学射线，它具有清晰的直观图像，更适合深海。

可以证明，波动方程解的这两种表达形式满足某种傅里叶变换关系。

对于一般情况，W.K.B.近似方法是一种很有用的近似方法。

基于W.K.B.近似的简正波解析表达式的物理图像不够直观，射线－简正波理论赋予简正波本征函数以射线解释，对于浅海情况，简正波本征函数的指数衰减系数可被理解为对应角度射线的海底反射损失除以跨度。

深海中的声传播通过混合层声道、声发声道和会聚区等方式传播。

①深海混合层声道。

它使掠射角小于在混合层底部（即下边界）发生反转的临界角，使声线保持在声道中，从而形成较为良好的声波传播通道。

在层的下面产生声影区，由于海面的声散射以及声道下边界引起的衍射，一些能量进入了影区，故影区不是完全无声的。

混合层声道的传播损失除了几何扩展和吸收衰减外，还包括泄漏衰减。

当频率低于第1号简正波的截止频率时,这种声道作用不复存在。

②深海声发声道。

声发 (sofar)声道词意来源于SOFAR 系统营救坠海失事的飞行员。

当声源置于声道轴附近时，由于声线向声速较小处弯曲，使一定掠射角内的声线不触及海面和海底而被保留在声道内。

它的传播损失只包括吸收衰减和几何扩展，因此，对于较低频率的声波,由于吸收很小,能够传播得非常远。

这种超远传播现象在40年代就已被发现。

已经证明，几千克三硝基甲苯的爆炸声能够在海洋中 6000km远处被收听到。

图2[ 声速分布和声线图]绘出了中国南海典型深海声道的声速分布及声源位于声道上的声线图。

如果接收器同样位于声道轴，则在这些声线中，偏离声道轴最大的声线最先到达，沿声道轴的声线最后到达，使在声道轴上爆炸声变为一个拉长的信号,(图3[声道轴上的爆炸声信号])。

③会聚区。

越靠近声道轴的声线携带的能量越大，所以接收信号的幅值随时间缓慢上升，到沿声道轴声线到达时取最大值，尔后突然截止。

在声道中，由于邻近射线的交会形成声强度较强的焦散区。

由交会而构成的包络线称焦散线，焦散线相交海面的区域称会聚区。

会聚区中的峰值声强级有超过球面扩展加吸收达25dB的会聚增益，通常取10～15dB。

会聚区宽度的数量级约为距离的5％～10％,而第一会聚区宽度约为5.5km理论预言，在中国南海表面声速小于底部声速的海洋中也存在较强的反转点会聚区，结果已被实验证实。

目前利用会聚区实现远程探测已成为现役声呐的一种重要工作方式。

此外，还有相对次要的海底反射束传播方式。