淺水域水下目標聲輻射及傳播特性研究

張露 羅琦 景超

摘 要： 當前，隨著水下開拓作業(yè)的不斷深入，為保證水面設(shè)備、水下平臺運行安全，提高其運行性能，需要加大力度研究水下聲學特性，準確測量預測熟悉愛輻射噪聲。基于此，本文就淺水域水下目標聲輻射和傳播特性展開研究，首先對淺水域聲場進行了仿真分析，其次對聲源輻射聲場特性展開了模擬實驗，得到淺水域下聲場特征，聲源輻射和傳播情況，確保水下作業(yè)和設(shè)備運行順利。

關(guān)鍵詞： 淺水域;水下目標聲輻射;傳播特性

【中圖分類號】U416 ? ? ?【文獻標識碼】A ? ? 【文章編號】1674-3733（2020）13-0224-02

隨著聲場測試技術(shù)的發(fā)展，水聽器從單聲壓發(fā)展到多水聽器、水聽器陣和矢量水聽器。當前，輻射噪聲場測試時，應(yīng)用最廣泛的是聲陣測量法，聲陣測試數(shù)據(jù)的主要處理方法就是矢量、能量疊加以及矢量傳遞數(shù)據(jù)。其中矢量疊加使由波束構(gòu)成的，矢量傳遞韓式可以進行目標振動分布特征反演，而能量疊加就是空間平均，也就是各陣元測量輸出信號實現(xiàn)能量疊加并平均，進而對單陣元誤差過大現(xiàn)象進行抑制。

1 淺水域聲場仿真分析

1.1 計算模型。在測量淺水域目標水下輻射噪聲時，一般選擇的測試目標在與測量系統(tǒng)正橫

有限水域模型距離50-100m測試，該范圍內(nèi)，除去水體介質(zhì)對聲音的吸收，測試時間段，水體密度和聲速等固定不變。不同水域環(huán)境不同，無法獲得準確參數(shù)，為了對不同參數(shù)下有限水域下的聲場特性進行分析，需要處理環(huán)境結(jié)構(gòu)，并建立有限水域模型，見圖1;根據(jù)射線聲學理論虛源法建立淺水域聲源輻射聲場模型，見圖2。一般性下，以水平向右為x軸，以豎直向下為z軸，建立直角坐標系。

標準壓力釋放邊界為水面，平整界面為水底，除去水域周邊反射干擾和時間因子，根據(jù)聲波疊加原理，得到有限水域聲源輻射空間聲場中任一位置聲壓信號。

1.2 仿真計算

1.2.1 淺水域空間聲場分布。根據(jù)聲場計算模型對水底沉積物與聲場分布關(guān)系進行仿真分析，選擇粗沙、沙-粉土-黏土、粉質(zhì)黏土三種沉積物，在水深50m、點聲源15m深、密度1.0g/cm3、水中聲速1500m/s、信號頻率為100Hz和500Hz條件下，所得不同水底介質(zhì)條件中，點聲源輻射聲場的分布情況，見圖3。圖a-c發(fā)現(xiàn)，其信號頻率為100Hz和500Hz[1]。圖3發(fā)現(xiàn)，受到多途干涉，淺水域點聲源輻射區(qū)域內(nèi)聲場能量分配不均，具有明顯起伏特征。對不同沉積物聲場分布情況對比發(fā)現(xiàn)，高聲速沉積物介質(zhì)下聲場有明顯的明暗條紋變化青霉聲場能量的分布比較復雜，這是由于高聲速海底會將入射的聲波進行全反射，進而使得大量能量反射回進入海底導致的一種現(xiàn)象。

粉質(zhì)黏土介質(zhì)中，在信號頻率50Hz時，水平距離5m、20m、40m處順著深度方向采樣空間聲場，所得聲場聲壓級受到深度變化影響，見圖4，從中可以看出，聲壓級曲線有明顯駐波現(xiàn)象，峰谷比較多，最大的聲壓級變化幅度達到十幾分貝，同時順著水平方向，距離越大，聲場的起伏波動就更大。

1.2.2 聲傳播特性。聲傳播和信號頻率之間，選擇粗沙沉積物作為介質(zhì)，水域參數(shù)與上述相同，采集聲信號使用23元等間距先真，間距為2m，線陣中心的水聽器處于水域中心，所得線陣中心的水聽器對聲壓級和能量平均聲壓級傳播測量，得到的仿真結(jié)果見圖5。從圖中發(fā)現(xiàn)，500Hz以上的曲線呈現(xiàn)上下移動，聲壓級曲線變化明顯，隨著距離變化表現(xiàn)為無規(guī)律的傳播現(xiàn)象。不同頻率下，聲傳播變化不同，5Hz與10Hz時，聲能量相較于其他頻率而言，衰減速率明顯較高，而且，距離越大，衰減速率越明顯[2]。這就說明，波導情況下，低頻聲波能量一般出現(xiàn)在近距離區(qū)域中，無法實現(xiàn)遠距離傳播，符合理論，模型正確。另外，頻率上升，聲傳播衰減速度下降，與柱面波的衰減速率相近。從上述分析中得到，水下目標聲場的傳播和頻率、水平距離有關(guān)。

線陣中心水聽器聲壓級測量情況聲傳播和水深之間，選擇250Hz、500Hz和1000Hz、1500Hz等頻率為參數(shù)，傳播損失計算水平距離是1000m，仿真條件同上，對水域深度和單聲源輻射聲場聲能量傳播關(guān)系進行仿真分析，得到如圖7，從中可以發(fā)現(xiàn)，水深對低頻聲傳播影響更大，水越深，聲傳播損失越大。

2 聲源輻射聲場特性模擬實驗

在進行標準聲源輻射聲場特性模擬實驗時，模擬淺水域環(huán)境，在波導水池中鋪設(shè)細沙和鵝卵石作為沉積層，厚度0.17m，水池周邊鋪設(shè)橡膠吸聲尖劈，如圖9，實驗組使用標準上元，其中一邊是組合式聲源，使用功率放大器使聲源能夠向水中發(fā)射聲波信號，利用12元等間距水聽器線陣針對不同水平距離空間垂向聲場采集信號，水聽器的陣元間距時0.1m，線陣上邊的水聽器進入水中的深度是0.1m，單聲源進入水中的深度是0.6m。

不同水深與聲能量傳播損失關(guān)系示意圖 ?10-50Hz下，在距離水聽器陣列1m處，以每步2m的速度沿著水平風向移動到11m的位置，采集空間垂向聲壓，得到近距離聲場的分布和單聲源輻射傳播之間的關(guān)系。從中得到，受到界面反射波的影響，目標輻射聲場在空間分布上存在不均勻的現(xiàn)象，垂直以及水平方向都有起伏現(xiàn)象，且距離變大，同頻率響應(yīng)的垂向生成聲壓起伏也會增加。

結(jié)束語：

綜上所述，淺水域中，目標輻射聲場由于界面反射干擾，聲能量在分布上存在不均勻得到現(xiàn)象，表現(xiàn)為明顯的空間主播分布現(xiàn)象，垂直聲場的聲壓級變化超過十幾分貝，如果硬要單水聽器進行單點測量，會導致實際測量結(jié)果出現(xiàn)較大的誤差。此外，淺水域中，聲場能量的傳播特征與水深以及聲源頻率都有關(guān)系，對于淺水域聲場起伏而言，空間能力平均法起到了一定的抑制作用。相較于單水聽器而言，聲壓起伏測試從20dB下降到幾分貝，與目標水下聲傳播特征和規(guī)律相符。

參考文獻

[1] 金鍵，侯海量，陳鵬宇，等.PMT水下內(nèi)爆沖擊波強度與傳播特性研究[J].振動與沖擊，2018，37（013）：100-104，122.

[2] 王夢圓，李整林，吳雙林，等.深海大深度聲傳播特性及直達聲區(qū)水下聲源距離估計[J].聲學學報，2019（5）：905-912.