定深爆炸聲源聲信號能量分配試驗研究

曹 亮，韓引海，謝 輝

(91388 部隊45 分隊，廣東湛江524022)

0 引 言

為提高海洋水聲環(huán)境調(diào)查效率，在海洋水聲傳播調(diào)查過程中，大量地使用大功率、寬頻帶、機動方便、無指向性的定深爆炸聲源[1-2]。該聲源級的準(zhǔn)確測量對聲傳播損失的確定至關(guān)重要。

由于定深爆炸聲源的聲信號經(jīng)過聲信道的多途傳播，遠(yuǎn)程(>10 km)獲取的爆炸聲信號難以分離出沖擊波及后續(xù)氣泡脈沖，導(dǎo)致沖擊波的傳播損失難以獲取。因此，測量爆炸聲信號總聲能量的傳播損失成為一種替代手段。

爆炸聲信號的總聲能量應(yīng)當(dāng)只包含爆炸聲源的直達(dá)波，不包含海面、海底等聲信道導(dǎo)致的反射波。然而，由于實際測量條件的限制或者采用了不合理的測量方法，導(dǎo)致獲取的爆炸聲信號直達(dá)波和反射波交織在一起，難以分離，為爆炸聲源級的準(zhǔn)確測量帶來了困難。肖勇兵等[1]、劉清宇等[3]通過截取主要能量段的方法來近似計算聲源級。庫爾[4]曾對混合炸藥爆炸的能量分配進(jìn)行了試驗研究，獲得了不同階段的能量分配情況，但未將其應(yīng)用于爆炸聲源級的測量。

本文通過合理設(shè)計測量方案，在某次海上試驗中，獲取了理想的水下爆炸聲信號，以此為基礎(chǔ)計算了不同階段內(nèi)聲信號的能量分配情況，并分析了不同信號截取方式帶來的聲源級測量誤差。

1 水下爆炸聲信號的特性

水下爆炸會產(chǎn)生壓力巨大的沖擊波，峰值Ps(單位：μPa)為[1]

式中：ω 為炸藥的有效藥量，單位為kg；R 為測量點至爆炸點的距離，單位為m。

沖擊波離開后，爆轟產(chǎn)物在水中以氣泡的形式存在。氣泡內(nèi)部壓力遠(yuǎn)大于周圍靜水壓力，氣泡以較大速度膨脹，并迫使周圍的水體向外運動，氣泡內(nèi)部壓力逐漸降低，當(dāng)膨脹到內(nèi)部壓力與靜水壓力平衡時，氣泡膨脹速度達(dá)到最大，此后，因慣性作用氣泡繼續(xù)向外膨脹直至體積最大，氣泡停止膨脹；此時，靜水壓力大于氣泡內(nèi)部壓力，氣泡開始收縮，直至體積變成最小，氣泡內(nèi)部壓力大于外部壓力，氣泡又開始膨脹，如此反復(fù)膨脹、收縮，形成氣泡脈動[5]。水下爆炸聲信號示意圖如圖1 所示。

圖1 水下爆炸聲信號示意圖Fig.1 Schematic diagram of underwater explosion sound signal

爆炸產(chǎn)生的沖擊波和一次氣泡脈動之間的時間間隔(單位：s)為[1]

二次氣泡脈動與一次氣泡脈動之間的時間間隔為

三次氣泡脈動與二次氣泡脈動之間的時間間隔為

式(2)～(4)中：H 為爆炸聲源離海面的深度，單位為m，該深度由壓力引信控制。由式(2)～(4)可知，氣泡脈動的時間間隔由炸藥的有效藥量和爆炸深度決定。

盛振新經(jīng)過仿真計算，發(fā)現(xiàn)水下爆炸沖擊波在傳播至距離爆炸中心90 倍藥包半徑處，其傳播速度降到1 500 m·s-1左右，和聲信號在水中的傳播速度相近，可以認(rèn)為沖擊波經(jīng)過一定距離傳播后，可作為水下聲信號來研究[6]。因此，文中將水聽器接收到的沖擊波作為水下爆炸聲信號的一部分。

理想的水下爆炸聲信號應(yīng)由無邊界的水域中爆炸聲源所產(chǎn)生。但現(xiàn)實環(huán)境中難以找到無邊界的水域進(jìn)行測量，只能盡可能將爆炸聲信號的界面反射波與直達(dá)波在時間上進(jìn)行分離?？紤]爆炸聲信號的實際能量分配，認(rèn)為沖擊波的界面反射波在三次氣泡脈動后到達(dá)的聲信號為理想的水下爆炸聲信號。

2 理想水下爆炸聲信號測量限定條件

海上定深爆炸聲源的聲源級測量系統(tǒng)示意圖如圖2 所示。系統(tǒng)采用雙船作業(yè)，測量船停主輔機漂泊，將溫深傳感器固定在接收水聽器上，再將水聽器布放入水中一定深度，用導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Positioning System, GPS)實時記錄入水點位置，水聽器信號接入錄音機；定深爆炸聲源在投彈船上投入水中，到達(dá)一定深度時會自動觸發(fā)引信爆炸，用手持GPS 實時記錄聲源入水點位置。圖2 中，定深爆炸聲源爆炸深度為H，接收水聽器深度為h，二者的水平距離為L，直線距離為r1，爆炸聲源聲波經(jīng)海面反射到達(dá)接收水聽器的距離為r2+ r3。

由于試驗海區(qū)選在水深大于5 000 m 的深海區(qū)域，海底反射波到達(dá)測量水聽器的時間將遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于海面反射波，因此，本文不予討論。

圖2 定深爆炸聲源聲源級測量系統(tǒng)的示意圖Fig.2 Schematic diagram of explosion sound source level measurement

2.1 反射波在三次氣泡脈動后到達(dá)(條件1)

沖擊波的界面反射波是在三次氣泡脈動后到達(dá)的聲信號，即

式中，c 表示聲波在海水中的傳播速度。將式(2)、(3)、(4)代入式(5)，可得：

2.2 信號不限幅(條件2)

搭建的測量系統(tǒng)使用BK8105 標(biāo)準(zhǔn)水聽器，靈敏度LM為?220.0 dB，數(shù)字錄音機量程UM最大為20 V，為確保沖擊波峰值不限幅，應(yīng)滿足式(7)：

式中，Ps表示沖擊波峰值，P0為聲壓基準(zhǔn)值，P0=1 μPa，將式(1)代入式(7)，得

2.3 信噪比足夠(條件3)

在水聲傳播關(guān)心的20Hz～10kHz 頻段內(nèi)，對于航運中等，風(fēng)速11～16 kn，可根據(jù)深海平均環(huán)境噪聲譜[7]，計算得到海洋環(huán)境噪聲寬帶聲壓級約為98 dB，對于所搭建的測量系統(tǒng)，采集獲取的環(huán)境噪聲電壓有效值略小于1 μV。

由式(1)可知，對于有效藥量大于100 g 的爆炸聲源，在接收距離小于2 km 時，其沖擊波的峰值壓力大于6.95×108μPa。該壓力導(dǎo)致測量系統(tǒng)產(chǎn)生的電壓響應(yīng)為16.8 mV，遠(yuǎn)大于環(huán)境噪聲電壓的有效值。

3 數(shù)值計算

圖3 B300 聲源級測量時水平距離和水聽器深度的取值范圍Fig.3 Value range of honrizontal distance and hydrophone depth for B300 explosion sound source level measurement

圖4 B100 聲源級測量時水平距離和水聽器深度的取值范圍Fig.4 Value range of honrizontal distance and hydrophone depth for B100 explosion sound source level measurement

取有效藥量為1 kg 的炸藥、深度分別為300、100 和50 m 的三型定深爆炸聲源(后面分別簡稱為B300、B100 和B50)。接收水聽器電纜總長度為200 m，考慮風(fēng)、流的影響，以及測量船上預(yù)留部分用于連接采集設(shè)備，水聽器的實際深度將不大于150 m。

將各參數(shù)代入式(5)和式(8)，經(jīng)計算，對不同型號的爆炸聲源，投彈船與測量船的水平距離L 與水聽器深度h 在圖3～5 中陰影處取值時，可獲得符合條件1～3 的聲信號。

圖5 B50 聲源級測量時水平距離和水聽器深度的取值范圍Fig.5 Value range of honrizontal distance and hydrophone depth for B50 explosion sound source level measurement

4 試驗驗證及能量分配計算

4.1 試驗驗證

在某次海洋調(diào)查中，在圖3 中的陰影區(qū)域選擇一個點(水平距離L 為260 m，水聽器深度h 為57 m)，設(shè)計了B300 爆炸聲源的測量方案，對11枚該型聲源進(jìn)行了測量，水聽器接收到的典型爆炸聲信號如圖6 所示。由圖6 可知：三次氣泡脈動峰值時刻為0.121 s，在沖擊波的水面反射波(到達(dá)時刻為0.137 s)之前到達(dá)。因此，根據(jù)第3 節(jié)所限定條件設(shè)計的測量方案能獲取理想的爆炸聲信號。

圖6 實測B300 爆炸聲信號Fig.6 The measured B300 explosion sound signal

4.2 能量分配計算

對圖6 中的電壓波形，從沖擊波電壓響應(yīng)起，電壓波形出現(xiàn)5 個零點，依次將該波形劃分為t1～t5時間段，之后至沖擊波水面反射波電壓響應(yīng)到達(dá)前的時間段為t6，之后的信號為海面反射波。分別計算各時間段能量分配情況，具體結(jié)果如表1 所示。

表1 B300 爆炸聲信號能量分配表Table 1 Energy distribution of the B300 explosion sound signal

由表1 可知：

(1) t1～t6各時間段的能量分配基本穩(wěn)定，說明：爆炸聲源重復(fù)性好，沖擊波及氣泡脈動過程能量分配基本穩(wěn)定；

(2) 沖擊波正脈沖能量(t1時間段)約占聲源總能量的53.8%，一次氣泡脈動正脈沖能量約占聲源總能量的32.4%(t3時間段)，t1+ t3時間段合計占總能量的86.3%；

(3) 二次氣泡脈動正脈沖能量約占聲源總能量的2.2%(t5時間段)，t1+ t3+ t5時間段合計占總能量的88.5%。

4.3 爆炸聲源級計算

爆炸聲源級的計算公式為

式中，E 為選取時間段的信號能量。根據(jù)文獻(xiàn)[1]的信號選擇方式，截取圖6 中的t1和t3時間段信號計算爆炸聲源級，由此帶來的誤差為0.64 dB；根據(jù)文獻(xiàn)[3]的信號選擇方式，選取t1、t3和t5時間段信號計算爆炸聲源級，信號截取帶來的誤差為0.53 dB。

5 結(jié) 論

在定深爆炸聲源的聲源級測量中，若未能合理設(shè)計測量方案或者擔(dān)憂船體受損等因素，會導(dǎo)致水聽器接收的信號不是理想的爆炸聲信號。

為獲取理想的爆炸聲信號，本文給出了測量方案設(shè)計應(yīng)滿足的三個條件：界面反射波在三次脈動后到達(dá)、信號不限幅以及足夠的信噪比?；谌齻€限制條件，對B300、B100、B50 三型爆炸聲源的聲源級測量時，對投彈船與測量船的水平距離L 與水聽器深度h 的取值范圍進(jìn)行了數(shù)值計算。以B300為例，選取取值范圍中的一點，設(shè)計了海上測量方案，并進(jìn)行了海上試驗驗證。測量結(jié)果表明：基于這三個條件限制進(jìn)行測量，能獲取理想的爆炸聲信號。

對實測的11 組B300 爆炸聲信號各階段的能量分配進(jìn)行了計算，結(jié)果表明：該型爆炸聲源重復(fù)性好，沖擊波及氣泡脈動過程能量分配基本穩(wěn)定；在對聲源級近似計算時，僅截取信號的沖擊波和一次氣泡脈動正峰值時，帶來的誤差為0.64 dB；截取信號的沖擊波正峰值、一次氣泡脈動和二次氣泡脈動正峰值時，帶來的誤差為0.53 dB。

在后續(xù)的海洋調(diào)查中，對同一批次、同一型號的爆炸聲源，可根據(jù)本文給出的限制條件，設(shè)計測量方案，以獲取理想爆炸聲信號，準(zhǔn)確計算爆炸聲源級。