水下爆炸聲源對抗低頻聲吶干擾效果研究

夏志軍，康春玉，朱凌靜，李　軍（. 海軍大連艦艇學(xué)院 信息作戰(zhàn)系，遼寧　大連 608；. 中國人民解放軍996部隊，海南　三亞 57000）

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水下爆炸聲源對抗低頻聲吶干擾效果研究

夏志軍1，康春玉1，朱凌靜2，李軍1
（1. 海軍大連艦艇學(xué)院 信息作戰(zhàn)系，遼寧大連 116018；2. 中國人民解放軍92961部隊，海南三亞 572000）

摘要:在分析水下爆炸聲源聲學(xué)特性的基礎(chǔ)上，研究了水下爆炸噪聲對低頻被動聲吶的對抗機(jī)理，以圓柱形基陣為例，對不同水聲干擾彈裝藥量、干擾彈到潛艇距離以及海況等級條件下對聲吶主瓣、旁瓣的壓制干擾效果進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)噪聲干擾器相比，水下爆炸聲源對聲吶的干擾效果更為明顯，能顯著降低聲吶的探測距離，可為己方艦艇的機(jī)動規(guī)避和后續(xù)對抗創(chuàng)造有利條件。

關(guān)鍵詞：水下爆炸聲源；聲學(xué)特性；低頻被動聲吶；壓制干擾；探測距離衰減率

0　引　言

隨著高航速、遠(yuǎn)航程、大威力、低噪聲的智能化魚雷的不斷發(fā)展，使得水面艦艇面臨的水下威脅日益嚴(yán)峻。特別是對于攻擊威力更大的線導(dǎo)魚雷，通常使用低頻噪聲干擾對潛艇平臺聲吶進(jìn)行壓制干擾，但由于基陣孔徑小以及空化、近場效應(yīng)的影響，干擾器干擾源級較低，覆蓋頻帶不夠?qū)?，對聲吶的對抗能力不足[1]。與傳統(tǒng)電聲轉(zhuǎn)換式噪聲干擾器相比，利用裝有高能炸藥的干擾彈在水下連續(xù)起爆形成的連續(xù)爆炸噪聲具有噪聲源級高、頻帶覆蓋寬、有效時間可控等優(yōu)點[2]，因此，水下爆炸聲源已成為發(fā)達(dá)國家海軍對抗聲吶探測和魚雷攻擊的重要技術(shù)手段和發(fā)展方向。

1　水下爆炸聲源的聲學(xué)特性

高能炸藥爆炸時產(chǎn)生的強(qiáng)沖擊波，在水下會迅速衰減成強(qiáng)聲波，形成高源級的干擾噪聲源，另外，水下爆炸形成大量的氣泡，能惡化聲傳播環(huán)境，對聲信號產(chǎn)生吸收和散射，增大聲傳播衰減[2]。由于潛艇為了隱蔽，通常采用被動聲吶引導(dǎo)線導(dǎo)魚雷進(jìn)行攻擊，因此針對距離較遠(yuǎn)的被動聲吶，本文主要研究水下連續(xù)爆炸聲源對低頻聲吶的壓制干擾效果。

高能炸藥水下爆炸產(chǎn)生的瞬時峰值聲壓為[3]

式中：p0為峰值聲壓，Pa；m 為炸藥裝藥量，kg；r 為距離爆炸中心的距離，m。

水下爆炸聲源具有寬頻段特性，不同頻率范圍內(nèi)的聲強(qiáng)為[4]

式中：I（f）為聲強(qiáng)，W/m2；ρ 為海水密度，kg/m3；c為海水中聲速，m/s；f 為聲源頻率，Hz；β 為爆炸沖擊波衰減系數(shù)，ms。

衰減系數(shù) β 表示聲壓由峰值 p0衰減到 0.0368 p0時所經(jīng)歷的時間，如下式所示[5]：

2　水下爆炸聲源對抗機(jī)理

水下爆炸聲源對低頻被動聲吶的壓制效果與對抗態(tài)勢密切相關(guān)，通常爆炸聲源在艦艇對來襲魚雷報警后發(fā)射，此時潛艇平臺聲吶已跟蹤艦艇，并且主瓣跟蹤波束對準(zhǔn)艦艇目標(biāo)，而水下爆炸聲源的位置可能在跟蹤波束內(nèi)，也可能在跟蹤波束外，因此分2種情況討論水下爆炸聲源對低頻聲吶的壓制干擾效果，即艦艇目標(biāo)和爆炸聲源在相同波束內(nèi)，艦艇目標(biāo)和爆炸聲源在不同波束內(nèi)，如圖1 所示。

圖1　水下爆炸聲源與潛艇聲吶對抗態(tài)勢圖Fig. 1　Situation of underwater explosive acoustic source and submarine sonar

無水下爆炸聲源時的被動聲吶方程為

式中：SL 為艦艇的輻射聲源級；DT 為聲吶檢測閥；DI 為接收指向性指數(shù)；NL 為噪聲干擾級；TL 為傳播損失；rs為潛艇被動聲吶對艦艇的發(fā)現(xiàn)距離。

當(dāng)有水下爆炸聲源存在時，產(chǎn)生的低頻噪聲會增大聲吶工作時的背景干擾，水下爆炸聲源在聲吶處產(chǎn)生的干擾噪聲級為

當(dāng)有爆炸聲源存在時被動聲吶接收波束內(nèi)的總噪聲干擾級 NL1為[6]

由于爆炸聲源產(chǎn)生的低頻噪聲源級高，被動聲吶探測距離將會明顯減小。此時的被動聲吶方程為

特定對抗態(tài)勢下爆炸聲源對低頻聲吶的影響程度取決于聲吶指向性圖函數(shù) b（α），即低頻爆炸聲源是否和艦艇同在潛艇聲吶同一跟蹤波束內(nèi)，若潛艇跟蹤波束受干擾時 b() = 1，若聲吶旁瓣受干擾則跟蹤具體聲吶基陣形式計算 b(1)。

3　對抗效果仿真

3.1評估方法

評價噪聲干擾效果可用“探測距離縮減率”和“干擾壓制區(qū)”為主要準(zhǔn)則[7]，由于干擾壓制區(qū)與低頻聲源的數(shù)量和散布范圍有關(guān)，本文主要采用探測距離衰減率來評估水下爆炸聲源的干擾效果。

探測距離平均衰減率為

3.2仿真模型

艦艇輻射聲源級[6]

式中：V 為艦船前進(jìn)速度，kn；T 為排水噸位，t；f為頻率，kHz。

海洋環(huán)境噪聲級[6]

式中：f 為頻率，k H z；S 為海況等級，S = 0，1，2，. . .，5。

潛艇低頻聲吶：圓陣型基陣，共65×11個陣元，按半波長排列，其方向性函數(shù)為[8]

式中，Dlin(，φ) 為11陣元的線列陣方向性函數(shù)；Dcir(，φ)為65陣元的環(huán)形陣方向性函數(shù)。

指向性指數(shù) DI

式中：h 為圓柱陣的高度，m；d 為圓陣直徑，m；f 為基陣的設(shè)計頻率，kHz。

3.3仿真參數(shù)

艦艇：4 000 t，航速 14 kn。

被動聲吶：工作中心頻率 f = 3 000 Hz，帶寬 f = 2 000 Hz，檢測閾 DT = –5 dB ，圓柱陣 DI = 27 dB。潛艇進(jìn)行線導(dǎo)魚雷攻擊距離為 10 km。以主瓣的幅值為參考，取主瓣的幅值為 0 dB，則第1旁瓣的幅值為 –18 dB，第2旁瓣的幅值為–21 dB。圓陣型基陣的方向性圖如圖2 所示。

圖2　圓柱型基陣方向性圖Fig. 2　Directivity pattern of cylindrical sonar array

水下爆炸聲源：可產(chǎn)生低頻噪聲源的干擾彈 TNT裝藥量 m 為 [0.01，0.04]kg 的均勻分布，干擾彈可投射的距離為 2 000～6 000 m，散布誤差為 300 m。當(dāng)聲源頻率 f 為 1～5 kHz 時水下爆炸聲源噪聲級如圖3 所示。

3.4仿真結(jié)果

本文針對不同干擾彈裝藥量、干擾彈到潛艇的距離、海況等級對低頻聲吶的影響進(jìn)行了 1 000 次蒙特卡羅法仿真。

圖3　低頻爆炸聲源的聲強(qiáng)級Fig. 3　Sound intensity level of low-frequency underwater explosive acoustic source

1）裝藥量對低頻聲吶探測距離的影響

在 3 級海況下，水面艦艇航速 14 kn，艦艇發(fā)射的干擾彈到潛艇距離為 7 000 m，干擾彈不同裝藥量情況下，潛艇低頻聲吶主瓣、旁瓣被干擾時的探測距離平均衰減量、衰減率，以及聲吶探測距離變化情況如表 1和圖4 所示。

表1　不同干擾彈裝藥量下的壓制干擾效果Tab. 1　Interference effectivness of UEAS under

圖4　潛艇聲吶探測距離隨干擾彈裝藥量的變化Fig. 4　Change of detective distance verses charge mass of interference shell

2）干擾彈到潛艇距離的影響

在3級海況下，艦艇航速 14 kn，干擾彈裝藥量0.02 kg，不同干擾彈到潛艇距離條件下潛艇聲吶主瓣、旁瓣被干擾時的探測距離平均衰減量、衰減率，以及聲吶探測距離變化情況如表 2 和圖5 所示。

3）不同海況等級的影響

表2　不同干擾彈到潛艇距離下的壓制干擾效果Tab. 2　Interference effectivness of UEAS under different distance from interference shell to sonar

圖5　聲吶探測距離隨干擾彈到潛艇距離的變化Fig. 5　Change of detective distance verses distance from interference shell to sonar

干擾彈裝藥量，m = 0.02 kg，艦艇航速 14 kn，干擾彈到潛艇的距離為 7 000 m，不同海況等級條件下潛艇低頻聲吶主瓣、旁瓣被干擾時的探測距離平均衰減量、衰減率，以及聲吶探測距離變化情況如表 3 和圖6所示。

表3　不同海況等級下的壓制干擾效果Tab. 3　Interference effectivness of UEAS under different level of sea state

4　結(jié)　語

1）水下爆炸聲源能產(chǎn)生高強(qiáng)度的低頻噪聲（0.01 kg裝藥量的干擾彈可產(chǎn)生 170 dB 以上低頻噪聲源），對潛艇低頻被動聲吶干擾效果明顯，平均衰減率 s 都達(dá)90% 以上。在 3 級海況條件下可使?jié)撏П粍勇晠葘λ婺繕?biāo)發(fā)現(xiàn)距離從 19 km 降至 100 m 左右。

圖6　聲吶探測距離隨海況等級的變化Fig. 6　Change of detective distance verses level of sea state

2）低頻聲吶探測距離平均衰減量 Δr，平均衰減率 s 隨干擾彈裝藥量增加而增大，但增加幅度并不明顯。聲吶主瓣、旁瓣受干擾時，Δr 可達(dá) 19 000 m，s可達(dá) 99%。

3）低頻聲吶探測距離平均衰減量 Δr，平均衰減率 s 隨干擾彈與潛艇聲吶間的距離增加而減小，但下降幅度并不明顯。聲吶主瓣、旁瓣受干擾時，Δr 可達(dá)19 000 m，s 可達(dá) 99%。

4）低頻聲吶探測距離平均衰減量 Δr，平均衰減率 s 隨海況等級的增大而減小。高海況等級下 Δr 下降明顯，由于高海況等級下海洋環(huán)境噪聲較強(qiáng)，潛艇被動聲吶探測距離較近，因此 s 也可達(dá) 90% 以上。

（5）由于水下爆炸聲源產(chǎn)生的低頻噪聲聲源級很高，即使聲吶旁瓣受干擾時也能得到很好的壓制干擾效果，能夠使聲吶的被動作用距離下降到 500 m 以內(nèi)。

因此，相對傳統(tǒng)的噪聲干擾器[7]，水下爆炸聲源對能產(chǎn)生高源級的干擾噪聲，能有效壓制敵潛艇的低頻聲吶，為己方艦艇的機(jī)動規(guī)避和后續(xù)對抗創(chuàng)造有利條件。

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Research on interference effectiveness of underwater explosive acoustic source against low-frequency sonar

XIA Zhi-jun1, KANG Chun-yu1, ZHU Ling-jing2, LI Jun1
(1. Department of Information Operation, Dalian Navy Academy, Dalian 16018, China; 2. No. 92961 Unit of PLA, Sanya 572000, China)

Abstract:Based on the acoustic characteristics of underwater explosive acoustic source(UEAS), the principle of underwater explosive noise against low-frequency passive sonar is researched. Taking an example of cylindrical sonar array, the interference effectiveness of sonar beam main lobe and side lobe interfered by acoustic interference source are simulated under different charge mass of underwater acoustic interference shell, distance of interference shell to sonar and level of sea state. The results show underwater explosive acoustic source have more interference effectiveness and can decrease the detective distance of sonar markedly compared with traditional noise-jammer, which provide advantages for evasion and subsequent countermeasures of own warship.

Key words:underwater explosive acoustic source(UEAS)；acoustic characteristics；low-frequency passive sonar；oppressive jamming；decay rate of detection distance

作者簡介：夏志軍(1979–)，男，博士，講師，研究方向為艦艇水聲與水聲對抗技術(shù)及戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用。

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(61471378)

收稿日期：2015–06–19； 修回日期: 2015–07–15

文章編號：1672–7619(2016)03–0092–05

doi：10.3404/j.issn.1672–7619.2016.03.019

中圖分類號：TB561；TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A