爆炸聲源聲源級數(shù)據(jù)分析方法

劉清宇馬樹青,2楊華

（1.海軍裝備研究院,北京，100161；2.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院，長沙，410073）

爆炸聲源聲源級數(shù)據(jù)分析方法

劉清宇1馬樹青1,2楊華1

（1.海軍裝備研究院,北京，100161；2.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院，長沙，410073）

爆炸聲源是目前海洋聲學(xué)試驗中最常用的信號源。爆炸聲源的各項參數(shù)，尤其是聲源級參數(shù)將直接影響聲傳播數(shù)據(jù)處理的精確度。以爆炸聲源為例，對其聲源級數(shù)據(jù)處理進(jìn)行說明，文中首先介紹了聲源級的定義和爆炸聲信號的特性，對爆炸聲源的聲源級標(biāo)定數(shù)據(jù)處理方法及流程進(jìn)行了簡要分析。

爆炸聲源；聲源級；聲信號；數(shù)據(jù)處理

在目前的水聲試驗中，主要采用發(fā)射換能器（陣）、爆炸聲源、氣槍或氣動聲源、燈泡或等離子體等作為聲源，其中發(fā)射換能器的聲源級通常給出的是單頻發(fā)射的聲功率級，在換能器的校準(zhǔn)測量規(guī)范中已經(jīng)有詳細(xì)的規(guī)定，而其它幾類聲源基本上都屬于沖擊型的寬帶聲源。在測量過程中，由于爆炸聲源機動方便、無指向性，能夠產(chǎn)生大功率、寬頻帶的短脈沖，且發(fā)射頻帶寬度可以靈活進(jìn)行，不要求更換聲源等優(yōu)點，因此爆炸聲源是海洋聲學(xué)試驗中最常用的信號源[1]。

然而爆炸聲源受到彈型、當(dāng)量、爆炸深度等多方面因素的影響，其源級根據(jù)批次各不相同，這將直接影響聲傳播數(shù)據(jù)處理的精確度。因此在每次海洋聲學(xué)調(diào)查過程中，需要針對所使用批次的爆炸聲源進(jìn)行源級標(biāo)定。

1 聲源級定義

聲源級用來描述主動聲吶所發(fā)射的聲信號的強弱，它定義為[2]：

聲源級的單位是dB，其中I1是發(fā)射換能器聲軸方向上距離聲源聲中心1 m處的聲強，I0是參考聲強，通常取均方根聲壓為1 μPa(p0=1 μPa)的平面波聲強，它約等于0.67×10-18W/m2。

根據(jù)聲強的定義可用看出，聲強是一個時間平均量，在描述無限長周期的簡諧波信號，或者無限長噪聲信號時，采用聲強描述更為有利，換句話說，聲強信號適用于描述功率信號。但主動聲吶發(fā)射的脈沖信號或者寬帶爆炸聲信號是一種有限長能量信號，使用聲波的能流密度來表示更具有物理意義。

能流密度E可定義為瞬時聲強的時間疊加，如下式所示[3]：

其中p(t)是聲壓，u(t)是質(zhì)點振速。對應(yīng)的聲源級定義取為：

其中E1是距離聲源單位距離處的能流密度，而為參考聲能密度。

2 爆炸聲信號特性

當(dāng)水中爆炸聲源發(fā)生爆炸時，壓力波首先在爆炸物質(zhì)的內(nèi)部產(chǎn)生，再傳播到周圍的介質(zhì)中去。只有像TNT的烈性炸藥才能用來作為水下聲源，因為它們能產(chǎn)生大量的高頻聲能。

由爆轟形成的激波后面一般都跟有一系列壓力脈沖，稱之為氣泡脈沖。這是由于爆轟完成后所遺留下來的球團(tuán)形氣體物質(zhì)的逐次振蕩所引起的。當(dāng)振蕩著的氣體球的體積縮到最小時，就產(chǎn)生一個正的壓力脈沖；逐次的脈沖產(chǎn)生逐個的壓力脈沖，每一個相繼的脈動都比前一個更弱。在近距離內(nèi)觀察的爆轟型爆炸所產(chǎn)生的壓力“訊號”示意圖見圖1，包括激波和后面跟著的幾個氣泡脈沖[3]。

圖1 爆炸聲信號及氣泡脈沖示意圖

爆炸聲信號在時間序列上包括這幾個部分：直達(dá)激波、第一次氣泡脈沖、第二次氣泡脈沖、第三次氣泡脈沖等，以及它們的海面、海底反射結(jié)構(gòu)。聲源級的測量要求是在自由場中的測量結(jié)果，聲源能量應(yīng)只截取沖擊波與各次氣泡脈動能量，而去除海面反射波與海底反射波能量。因此，在設(shè)計測量實驗時，應(yīng)根據(jù)水聽器深度與聲源深度估計海面及海底各次反射波到達(dá)接收水聽器時間，從而得到?jīng)_擊波、各次氣泡脈動、各次反射波分離的接收信號。圖2是調(diào)查中存儲的兩組聲源級數(shù)據(jù)，其中圖2(a)為一次較理想信號的接收，通過波形可以分辨出爆炸波形各種結(jié)構(gòu)。而圖2(b)中海面反射信號與第1次氣泡脈沖重疊，不利于后續(xù)的聲源級信號處理。

圖2 實測聲源級標(biāo)定爆炸聲信號圖

3 數(shù)據(jù)處理流程

在進(jìn)行聲源級標(biāo)定試驗時，爆炸聲源與接收水聽器之間的距離較小，量級在幾十米至幾百米之間，此時接收信號具有信噪比較高、數(shù)據(jù)長度較小等特點，因此聲源級處理時難度在于精確截取數(shù)據(jù)沖擊脈沖與各次脈動信號，以及得到同步的發(fā)射、接收深度與發(fā)射、接收之間的距離。在聲源級數(shù)據(jù)處理過程中，可大體分為文件讀取、能量判定、波形截取、距離計算以及聲源級計算等五個步驟。數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

圖3 聲源級數(shù)據(jù)處理流程示意圖

3.1 文件讀取

接收水聽器深度是影響反射波到達(dá)時間的一個重要參數(shù)，因此在聲源級標(biāo)定試驗中，多采用多基元水聽器垂直陣與多通道采集設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，有利于在后續(xù)數(shù)據(jù)處理時找到不同深度水聽器采集的信號波形分布較好的數(shù)據(jù)。

采集聲源級信號多采用較高的采樣率，如192～320 kHz，以避免錯過沖擊脈沖的峰值而損失能量，因此雖然聲源級標(biāo)定試驗時間不長，但是數(shù)據(jù)量通常較大。由于計算機內(nèi)存限制，在讀取數(shù)據(jù)時可以一幀一幀進(jìn)行讀取，這里數(shù)據(jù)幀的長度可根據(jù)計算機內(nèi)存以及采樣率來進(jìn)行定義。除聲學(xué)數(shù)據(jù)外，處理聲源級數(shù)據(jù)需要測量相應(yīng)的同步物理海洋數(shù)據(jù)。由于測量時發(fā)射與接收距離一般遠(yuǎn)大于1 m距離，因此需要進(jìn)行球面波修正，這時就要精確測量發(fā)射點與接收點之間的距離，國標(biāo)規(guī)定發(fā)射點與接收點之間的距離測量誤差應(yīng)小于3%[4]。

測量兩點之間的距離需要發(fā)射點GPS、接收點GPS以及接收水聽器深度，因此在讀取聲學(xué)數(shù)據(jù)后，需要對這三種同步數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。當(dāng)發(fā)射點GPS與接收點GPS數(shù)據(jù)得到后，可利用常規(guī)距離求解方法得到兩點水平間距；當(dāng)接收水聽陣上的深度數(shù)據(jù)得到后，需要修正到距離最近的水聽器以得到水聽器垂向深度，通常來說，無法保證每個接收水聽器上均包含深度傳感器，因此需要通過擬合、插值來得到各陣元深度。水平距離與垂向深度值為后續(xù)的距離計算提供依據(jù)。

3.2 能量判定

在文件讀取完成后，需要從讀取的數(shù)據(jù)中挑選出爆炸聲信號，此時，尋找爆炸聲信號波形位置是本步驟的關(guān)鍵問題。按幀讀取數(shù)據(jù)后，可以通過設(shè)定能量門限值來檢測信號[5]。從數(shù)據(jù)中找到能量大于門限的段數(shù)，當(dāng)出現(xiàn)連續(xù)若干段能量（時長T）都大于門限時，即為一個爆炸信號，在這里，根據(jù)信號實測數(shù)據(jù)，時長T經(jīng)過嘗試后使用0.8 s。找到這一段能量的起始點與結(jié)束點，截取并保存為一個爆炸聲信號。

3.3 波形截取

當(dāng)截取爆炸聲信號完成后，所得結(jié)果如圖2(a)所示。由測量得知，激波及前兩次氣泡脈沖峰值約為0.273 V、0.066 V、0.014 V，第二次氣泡脈沖的峰值壓力大約僅為第一次氣泡脈沖峰值壓力的1/5，而第三次及之后的氣泡脈沖已經(jīng)淹沒在噪聲中，這與文獻(xiàn)[3]中的論述相符。

為去除海面一次、二次反射等能量影響，可以通過在程序中進(jìn)行截斷、插值等操作。如上所述，第二次氣泡脈沖的峰值壓力大約僅為第一次氣泡脈沖峰值壓力的1/5，截取第一或第二次氣泡振蕩更具有實際意義。因此可以略去其他部分能量，在程序中進(jìn)行插值操作，最終得到的波形如圖4所示。

圖4 爆炸聲源信號截取示意圖

3.4 距離計算

由于試驗中爆炸信號聲源級的測量無法在1 m處進(jìn)行，需要通過更遠(yuǎn)處的接收信號推算聲源級，因此需要精確得到發(fā)射點與接收點之間的間距，下面介紹常用的兩種方法。

1）通?？刹捎秒pGPS進(jìn)行距離計算，如圖5所示。根據(jù)發(fā)射點GPS與接收點GPS可算出兩點間水平間距H，爆炸聲源通常為定深炸彈，其爆炸深度Ds已知，接收水聽器深度根據(jù)之前闡述可由自容式溫壓計TD得到，從接收陣的TD數(shù)據(jù)中讀出深度隨時間變化值，通過對比波形截取后得到的起始點時間，在其中找到與爆炸波形時間最近點的深度，進(jìn)行深度修正后作為接收水聽器的深度Dr。則兩點之間距離r為：

同時，也可以得到直達(dá)激波脈沖與海面反射波之間的時間間隔Tr為：

其中c為海水平均聲速，可以通過自容式溫深記錄儀、CTD、SVP等多種聲速測量設(shè)備得到，在未測量時可按1 500 m/s進(jìn)行預(yù)估。爆炸聲源定深深度Ds在投彈前已知，因此可以根據(jù)上式，調(diào)節(jié)接收水聽器深度Dr與投放位置（調(diào)節(jié)水平間距H），獲得理想的發(fā)射和接收的幾何位置，盡量利用信號各部分之間的時間間隔空隙，使得直達(dá)聲信號不受多途反射結(jié)構(gòu)的干擾。

圖5 聲源級距離計算環(huán)境示意圖

2）有時會出現(xiàn)這樣的情況，如發(fā)射（接收）點距離發(fā)射船（接收船）GPS有一定距離，因而導(dǎo)致兩點距離與船頭朝向有關(guān)，而實際過程中船頭朝向是一個隨機變化量，很難精確得到；GPS本身也存在一定的誤差，可能達(dá)到分米～米的誤差量級；同時，投彈點所處位置及爆炸深度本身也存在著一定的隨機性。以上都會增加第一種計算方法的誤差。

此時可采用接收信號信息來估計兩點間距，如對一個讀取的爆炸聲信號，可從時間軸上計算出經(jīng)直達(dá)波與海面反射波傳到接收器經(jīng)過的時間差，通過時間差可以計算爆炸聲源與接收水聽器之間的距離。模型示意圖如圖5所示。

由爆炸聲源至接收水聽器的直達(dá)距離為r，一次反射波經(jīng)由海面反射到達(dá)，距離為r1+r2，已知爆炸聲源定深深度為Ds已知，接收深度為Dr，水平間距記為H且未知，可得到下列方程：

其中，Δr表示直達(dá)波與反射波的路程差，為時間差Δt與水中聲速c的乘積，Δr=Δtc，Δt可以由接收數(shù)據(jù)得到，水中聲速c可由聲速測量儀器測量得到或采用平均值1500 m/s來估算。則直達(dá)距離r可以表示為：

通過讀取接收數(shù)據(jù)中的直達(dá)波與海面反射波的到達(dá)時間差，可以通過上式計算直達(dá)距離。方法1或2可用于計算爆炸聲源與接收水聽器的直達(dá)距離。

3.5 聲源級計算

聲源級計算公式如下：

式中f0為中心頻率，E(f0)為以f0為中心頻率的帶寬內(nèi)的能量，頻帶寬度根據(jù)處理需要選定，Mv是水聽器的靈敏度，m是接收系統(tǒng)的放大量，r是接收水聽器與爆炸聲源的距離。

以圖4截取出的信號為例，已知系統(tǒng)采樣率為192 kHz，在圖中可以讀出直達(dá)激波脈沖到達(dá)時間為0.05224 s，海面反射波到達(dá)時間為0.03545 s，則直達(dá)波與反射波的路程差：

聲源定深深度Ds=25 m，接收深度Dr通過讀取溫壓計數(shù)值為97.1275 m，可得到發(fā)射點與接收點之間的距離r=180.1133 m。已知水聽器靈敏度Mv=?215 dB，系統(tǒng)放大倍數(shù)為m=0 dB(未經(jīng)放大)，則：

得到頻率50 Hz～4 kHz的聲源級曲線如圖6所示，其中以50 Hz以上各1/3倍頻程點為處理中心頻點，帶寬為1/3倍頻程帶寬。

通過以上分析可知，當(dāng)忽略測量中的過失誤差時，聲源級計算誤差主要來自于直達(dá)波與海面反射波的時間估計誤差、爆炸聲源爆炸深度誤差以及接收水聽器深度測量誤差。后兩者與設(shè)備精度有關(guān)，對于時間估計誤差，在本次采集信號中，激波及海面反射波脈寬約為1 ms，若估計直達(dá)波與反射波到達(dá)時間差時，產(chǎn)生10-4s量級的誤差，則發(fā)射點與接收點距離計算時產(chǎn)生約±1.2 m誤差，聲源級計算帶來約±0.06 dB誤差。

圖6 聲源級數(shù)據(jù)計算算例圖

4 結(jié)論

本文針對爆炸聲源的聲源級數(shù)據(jù)處理原理和方法進(jìn)行了分析，并給出了詳細(xì)的數(shù)據(jù)處理流程。通過對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，給出了某種爆炸聲源的聲源級曲線。

爆炸聲源的源級是一個重要的參數(shù)，其分析結(jié)果將影響其它水聲數(shù)據(jù)的處理結(jié)果。在實際測量過程中，由于海區(qū)環(huán)境、發(fā)射和接收幾何位置配置的限制，聲源級測量的接收信號很容易受到海洋環(huán)境的干擾，給聲源級數(shù)據(jù)處理帶來相當(dāng)?shù)睦щy。因此在試驗方案設(shè)計及實施過程中，應(yīng)針對爆炸聲源的特點進(jìn)行細(xì)致調(diào)整。

[1]肖勇兵,陳鴻志. 海洋水聲調(diào)查中爆炸聲聲源級的測量分析[J].海洋技術(shù),2009,28(2): 58-61.

[2]劉伯勝,雷家煜.水聲學(xué)原理[M].哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué)出版社,2010.

[3]URICK R J.水聲原理[M].洪申,譯.哈爾濱：哈爾濱船舶工程學(xué)院出版社,1990.

[4]中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T 12763.5—2007 海洋調(diào)查規(guī)范 第5部分：海洋聲、光要素調(diào)查[S].中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2007.

[5]呂俊軍,吳國清,杜波.非高斯水聲瞬態(tài)信號Power-Law檢測[J].聲學(xué)學(xué)報,2004,29(4): 359-362.