國際監(jiān)測(cè)系統(tǒng)水聽器臺(tái)站監(jiān)測(cè)能力分析?

張朝金 孫炳文 莫亞梟 郭圣明

(1 中國科學(xué)院水聲環(huán)境特性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190)

(2 中國科學(xué)院聲學(xué)研究所 北京 100190)

(3 中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

0 引言

1996年9月10日聯(lián)合國大會(huì)通過了《全面禁止核試驗(yàn)條約》(Comprehensive Test Ban Treaty,CTBT)，國際監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(International monitoring system,IMS)建立了以監(jiān)測(cè)地震波、水聲、次聲以及放射性核素等為主的監(jiān)測(cè)技術(shù)手段來保證條約的有效執(zhí)行。在各類型監(jiān)測(cè)臺(tái)站中，依據(jù)良好的水下深海聲學(xué)定位和測(cè)距(Sound fixing and ranging,SOFAR)信道傳輸能力，水聲臺(tái)站通過聲壓傳感器有效拾取水下SOFAR 信道中微弱聲壓力信號(hào)或通過拾震器拾取陡峭海島上由聲波轉(zhuǎn)換的地震信號(hào)，可憑借較少的監(jiān)聽設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)廣大海域的監(jiān)測(cè)，因而成為監(jiān)測(cè)小島、沿海大陸地下核爆與水下核爆等突發(fā)事件最直接、最有效的技術(shù)手段之一[1?2]。同時(shí)，這種對(duì)世界海洋連續(xù)的、實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)也可為地震[3]、火山噴發(fā)[4]、鯨魚發(fā)聲[5]、南極冰山破裂[6]等事件的研究提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。IMS水聲監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)由11 個(gè)水聲臺(tái)站組成，其中包括了6 個(gè)基于水聽器陣接收的水聽器臺(tái)站和5 個(gè)基于拾震器接收的T-phase臺(tái)站[2]。

由于潛艇良好的隱蔽性和較大的自給力、續(xù)航能力以及作戰(zhàn)半徑，其作為新型武器在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中發(fā)揮著越來越重要的作用，基于潛艇的偵查和反偵察研究也越來越得到人們的重視。對(duì)潛艇的探測(cè)一直是各國海軍十分關(guān)注的領(lǐng)域，也是水聲工作者的重要研究方向。隨著潛艇減振降噪技術(shù)研究的不斷深入和綜合治理工作逐步實(shí)施，潛艇的主要噪聲源，如機(jī)械噪聲、螺旋槳噪聲和水動(dòng)力噪聲，輻射源級(jí)已經(jīng)大大降低，安靜型潛艇、無噪聲航速等新概念不斷涌現(xiàn)。雖然各類新的檢測(cè)技術(shù)和實(shí)現(xiàn)途徑，例如航空磁探潛[7]、渦流場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)[8]、紅外探測(cè)技術(shù)[9]等也應(yīng)用于潛艇的探測(cè)，但傳統(tǒng)的聲學(xué)探測(cè)方法依舊是潛艇探測(cè)的主要方式。IMS 水聲臺(tái)站可全天候值守，實(shí)現(xiàn)持續(xù)的監(jiān)測(cè)，將水聲臺(tái)站用于潛艇的實(shí)時(shí)持續(xù)監(jiān)測(cè)具有重要的軍事意義。

為評(píng)估IMS 水聽器臺(tái)站對(duì)潛艇目標(biāo)和爆炸事件的監(jiān)測(cè)能力，本文從聲吶方程出發(fā)，將通過分析IMS 水聽器臺(tái)站附近的噪聲級(jí)，調(diào)研潛艇輻射噪聲源級(jí)，并利用基于拋物方程聲場(chǎng)計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)傳播損失預(yù)測(cè)，估計(jì)IMS位于威客島(Wake Island)的水聽器臺(tái)站HA11 對(duì)潛艇和爆炸不同的探測(cè)能力。文章首先介紹水聽器臺(tái)站的基本信息，然后從被動(dòng)聲吶方程、聲場(chǎng)仿真方法以及HA11 附近的環(huán)境噪聲級(jí)等3 個(gè)相關(guān)層次介紹IMS水聲臺(tái)站監(jiān)測(cè)能力的分析方法。根據(jù)仿真與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)給出IMS水聽器臺(tái)站對(duì)爆炸聲源和潛艇活動(dòng)的監(jiān)測(cè)范圍。

1 IMS水聲臺(tái)站

IMS的11個(gè)水聲臺(tái)站已經(jīng)全部投入使用，包含6 個(gè)位于水下的H-相(水聽器)臺(tái)站和5 個(gè)位于海岸或島嶼的T-相(地震)臺(tái)站，分布在9個(gè)不同的國家，如圖1所示，臺(tái)站位置的詳細(xì)信息在表1中給出。水聽器臺(tái)站主要分布在南半球，唯一在北半球的水聽器臺(tái)站為位于威客島的HA11。

表1 IMS 水聲臺(tái)站具體位置Table 1 The locations of eleven IMS hydroacoustic stations

圖1 IMS 水聲臺(tái)站位置Fig.1 The locations of IMS hydroacoustic stations

除HA01 臺(tái)站外，所有水聽器臺(tái)站皆位于相對(duì)較小的海島上，由兩組電纜構(gòu)成，每組電纜具有3個(gè)水聽器，且傳感器之間彼此相距近乎2 km，以獲得較大的陣列孔徑與監(jiān)測(cè)性能。三元水聽器組被置于海島兩側(cè)以避免海島地形阻擋效應(yīng)的影響。信號(hào)采樣率為250 Hz，使用24 bit 量化。在8～100 Hz頻帶內(nèi)，水聽器靈敏度起伏不超過3 dB。以HA11為例，該臺(tái)站及水聽器位置如圖2所示。北側(cè)水聽器深度約730 m，海深約1430 m；南側(cè)水聽器深度為740 m，海深約1180 m。圖2中的地形信息來源于GEBCO[10](General Bathymetric Chart of the Oceans)。

圖2 威客島臺(tái)站HA11 及水聽器陣位置Fig.2 The locations of the HA11 hydroacoustic station and the hydrophones

2 IMS水聲臺(tái)站監(jiān)測(cè)能力分析方法

2.1 被動(dòng)聲吶方程

聲吶方程從能量角度綜合了聲吶參數(shù)與聲吶性能的聯(lián)系，它是聲吶設(shè)計(jì)和作戰(zhàn)使用的依據(jù)，在水聲工程中有十分重要的應(yīng)用。被動(dòng)探測(cè)的聲吶方程可以表示為

式(1)中，SL 為處理帶寬內(nèi)的噪聲源輻射聲源級(jí)，也就是水下目標(biāo)的輻射噪聲級(jí)，其單位為dB re 1 μPa2，對(duì)聲吶系統(tǒng)效能進(jìn)行理論分析時(shí)，未知目標(biāo)的SL 可按照目標(biāo)類型設(shè)置為一些典型值；NL 為處理帶寬內(nèi)的海洋環(huán)境噪聲級(jí)，單位為dB re 1 μPa2；DI 為接收指向性因子，對(duì)于單個(gè)無指向性陣元的聲吶系統(tǒng)來說，可以認(rèn)為DI=0；DT為檢測(cè)閾，是對(duì)于預(yù)定置信級(jí)下，接收機(jī)輸入端所需要的接收帶寬內(nèi)信噪比；TL是傳播損失，它與海洋環(huán)境直接有關(guān)，在對(duì)聲吶系統(tǒng)效能進(jìn)行理論分析時(shí)，TL 可以使用水聲傳播模型計(jì)算得到。定義優(yōu)質(zhì)因數(shù)：

通過分析FOM和TL的關(guān)系，即可對(duì)聲吶系統(tǒng)效能進(jìn)行理論分析，其中最為關(guān)鍵的就是聲吶探測(cè)距離。

2.2 基于拋物方程方法的聲場(chǎng)計(jì)算方法

處理地形和聲速剖面等環(huán)境參數(shù)隨距離變化的海洋波導(dǎo)環(huán)境中的聲傳播計(jì)算方法有多種，比如適用于二維情況的水平射線方法、絕熱簡正波方法和N×2D拋物方程方法；解決三維傳播問題的絕熱簡正波-射線方法以及絕熱簡正波-拋物方程方法。拋物方程方法[11]由于其距離上的遞進(jìn)算法，適合解決水平變化情況下的聲場(chǎng)計(jì)算問題。

本文采用基于分裂步進(jìn)Pade 近似拋物方程方法，計(jì)算距離水平變化的聲場(chǎng)。涉及三維計(jì)算時(shí)，采用N×2D模式進(jìn)行計(jì)算。時(shí)域聲壓p(r,t)滿足波動(dòng)方程：

其中，c為聲速。將波動(dòng)方程進(jìn)行傅里葉變換，經(jīng)過變量替換得到柱坐標(biāo)系下的Helmholtz方程：

其中，P(r,ω)為頻域聲壓，k=ω/c(z)為波數(shù)。

將Helmholtz方程寫成算子表示形式為

其中，X為深度算子。將方程(3)進(jìn)行因式分解，當(dāng)海洋環(huán)境參數(shù)隨水平距離變化緩慢時(shí)，可以得到：

第一部分表示向外傳播的發(fā)散聲波，第二部分表示向內(nèi)傳播的聲波。一般假設(shè)向外傳播的能量占主要地位，反向散射的聲波能量較小可以忽略不計(jì)，故可以得到一階常微分方程的形式：

將算子表示為Pade近似形式：

可進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分別對(duì)每一項(xiàng)進(jìn)行求解后再求和即可得到聲場(chǎng)的聲壓值。

利用拋物方程方法計(jì)算以HA11 臺(tái)站北側(cè)水聽器陣為中心的聲場(chǎng)傳播損失分布(水層內(nèi)全部深度上的平均)如圖3所示，傳播損失顯示范圍為70～170 dB。圖3表明，除了部分被島嶼，如夏威夷島，遮擋的區(qū)域，聲能量基本覆蓋了北太平洋的絕大部分海域。第二島鏈以外的西太平洋區(qū)域，傳播損失一般小于120 dB；第一島鏈和第二島鏈之間，傳播損失在120～140 dB之間；南海東北部，接近呂宋海峽處，傳播損失在130～150 dB 之間。計(jì)算得到的傳播損失表明了可被探測(cè)到事件的最低聲能量限度。

圖3 以HA11(威客島)北側(cè)水聽器陣為中心的傳播損失分布(1月份，全海深平均的傳播損失)Fig.3 Transmission loss centered around hydrophone array on HA11 north(January;Average TL of all depth)

IMS的6 個(gè)水聽器臺(tái)站的監(jiān)測(cè)能力同時(shí)顯示在圖4中，圖中使用了每組臺(tái)站的兩組水聽器。在大洋中絕大部分區(qū)域，聲能量不足140 dB 的事件也可以被水聽器臺(tái)站探測(cè)到。由于島嶼等的遮擋，水聽器臺(tái)站對(duì)大陸附近的海域沒有監(jiān)測(cè)能力，對(duì)這些海域的監(jiān)測(cè)可依賴于地震臺(tái)站等其他監(jiān)測(cè)手段。

圖4 IMS 水聽器臺(tái)站的探測(cè)能力Fig.4 Detectivity of IMS hydrophone stations

2.3 背景噪聲分析

水聽器臺(tái)站處的環(huán)境噪聲級(jí)對(duì)以聲吶方程為基礎(chǔ)的聲吶系統(tǒng)探測(cè)能力分析是非常重要的參數(shù)。Lawrence[2]分析了水聲臺(tái)站HA01、HA03、HA08的數(shù)據(jù)，得到了3個(gè)臺(tái)站一年內(nèi)的平均噪聲譜級(jí)。不同臺(tái)站不同水聽器組附近的環(huán)境噪聲差異明顯，HA01臺(tái)站在澳大利亞西海岸近岸，噪聲相對(duì)較高，頻率10 Hz 處的噪聲譜級(jí)為75～88 dB。Harris 等[5]使用HA11 臺(tái)站數(shù)據(jù)分析鯨魚的分布時(shí)，通過臺(tái)站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，得到HA11 臺(tái)站附近的噪聲級(jí)。該數(shù)據(jù)比Wenz 統(tǒng)計(jì)的噪聲譜級(jí)[12]高10～20 dB。Wenz噪聲譜級(jí)總結(jié)20 Hz 附近的噪聲譜級(jí)范圍大約在50～100 dB，具體的數(shù)值與地理位置、氣象條件等有關(guān)。

本文根據(jù)HA11臺(tái)站幾個(gè)小時(shí)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析噪聲信號(hào)功率譜，臺(tái)站北側(cè)的水聽器N1 和南側(cè)的水聽器S1 的功率譜密度如圖5所示，其他水聽器的結(jié)果也類似，在10～100 Hz 范圍內(nèi)，噪聲譜級(jí)約70～80 dB。在后續(xù)的計(jì)算分析中取HA11 臺(tái)站水聽器附近的噪聲功率譜譜級(jí)為75 dB。

圖5 HA11 臺(tái)站南北兩側(cè)噪聲信號(hào)的噪聲譜級(jí)Fig.5 Ambient noise level at station HA11

作為世界級(jí)的漁場(chǎng)以及世界最為繁忙的航線區(qū)域之一，我國鄰近海域漁船、運(yùn)輸船等十分眾多，導(dǎo)致我國周邊海域環(huán)境噪聲級(jí)遠(yuǎn)大于CTBT水聲臺(tái)站所處海洋環(huán)境噪聲。以2014年中國南海三亞附近非休漁期和東中國海臺(tái)灣東北附近休漁期測(cè)量的海洋環(huán)境噪聲為例，其噪聲譜級(jí)分別如圖6和圖7所示。相比較于我國周邊海域中未被航船污染且休漁期的環(huán)境噪聲，HA11 臺(tái)站附近噪聲譜級(jí)低10～25 dB 左右，更是遠(yuǎn)低于非休漁期我國海域環(huán)境噪聲。CTBT 臺(tái)站大多位于深海大洋處的小島，遠(yuǎn)離大陸，航船較少，且深海環(huán)境較為穩(wěn)定，具有較小的環(huán)境噪聲級(jí)，為水聲臺(tái)站全球大洋監(jiān)測(cè)提供了有效保障?？紤]到我國周邊海域環(huán)境噪聲較高，CTBT 臺(tái)站對(duì)我國周邊海域探測(cè)能力也較差。

圖6 中國南海三亞附近海域環(huán)境噪聲測(cè)量值Fig.6 Ambient noise level around Sanya of North China sea

圖7 中國臺(tái)灣東北海域休漁期下的環(huán)境噪聲測(cè)量值Fig.7 Ambient noise level around northeast coast of Taiwan in the fishing moratorium

3 監(jiān)測(cè)能力分析

3.1 對(duì)潛艇的監(jiān)測(cè)能力分析

對(duì)聲吶系統(tǒng)的探測(cè)性能進(jìn)行分析本質(zhì)上就是比較傳播損失TL與優(yōu)質(zhì)因子FOM的關(guān)系，以此得到聲吶系統(tǒng)的探測(cè)距離或者探測(cè)概率。潛艇目標(biāo)一般可根據(jù)聲源級(jí)進(jìn)行分類，如Miasniko[13]給出了部分潛艇的源極數(shù)據(jù)，如圖8所示，對(duì)常規(guī)柴油動(dòng)力潛艇，在10～100 Hz 頻段，潛艇源級(jí)功率譜密度約為110～135 dB。隨著潛艇技術(shù)的進(jìn)步，新建潛艇的輻射噪聲功率譜密度逐漸降低。文獻(xiàn)[13]中根據(jù)頻率范圍5～200 Hz 內(nèi)最大功率譜密度對(duì)潛艇進(jìn)行分類，定義噪聲(Noisy)潛艇的源級(jí)為140 dB，安靜型(Quite)潛艇的源級(jí)為120 dB，極安靜型(Very quite)潛艇的源級(jí)為100 dB。以上數(shù)值是潛艇在“極安靜工況(Ultraquiet operation)” 下的結(jié)果，此時(shí)，螺旋槳和電力系統(tǒng)引起的噪聲是主要的噪聲源。當(dāng)潛艇提高航速時(shí)，源級(jí)會(huì)相應(yīng)地增加，潛艇巡航時(shí)，速度為8 kn，輻射噪聲源級(jí)比“安靜工況”下高約5～10 dB，在航速15 kn 時(shí)，會(huì)高15～20 dB。設(shè)潛艇在10～100 Hz頻段內(nèi)的SL為100～140 dB，當(dāng)NL = 75 dB 時(shí)，可計(jì)算得到無指向性水聽器相應(yīng)的FOM為25～65 dB。

圖8 常規(guī)潛艇(柴電動(dòng)力)的源級(jí)[13]Fig.8 The source level of conventional submarine(diesel electric)[13]

使用基于拋物方程方法的水聲傳播模型計(jì)算水聽器臺(tái)站HA11 附近的傳播損失。海底地形選用如圖2所示GEBCO 提供的數(shù)據(jù)，聲速剖面選用全球海洋地圖集(WOA)提供的月平均數(shù)據(jù)。根據(jù)互易原理，以水聽器深度為聲源深度，在每個(gè)方位角上計(jì)算距離-深度的二維傳播損失。聲場(chǎng)分布的部分結(jié)果如圖9所示，圖9(a)～圖9(c)分別對(duì)應(yīng)HA11臺(tái)站北側(cè)水聽器在315?方位角的傳播損失結(jié)果，圖9(e)～圖9(g)分別為225?方位角的傳播損失，頻率依次是10 Hz、50 Hz和100 Hz。從圖9中可以看出，隨著頻率的增加，聲場(chǎng)的空間分布起伏越發(fā)劇烈且海底地形對(duì)聲場(chǎng)有一定的遮蔽作用。

圖9 方位角315?和225?以HA11 北側(cè)水聽器位置作為聲源位置的傳播損失二維分布(使用1月水文數(shù)據(jù)，頻率依次為10 Hz、50 Hz、100 Hz)Fig.9 2D transmission loss at different azimuth angles and frequencies for the source at the position of HA11 north station in January

圖10為HA11 北側(cè)水聽器附近的聲場(chǎng)在不同深度上的二維分布(10～100 Hz 寬帶平均的結(jié)果)。深度變化導(dǎo)致的聲場(chǎng)變化明顯，從而導(dǎo)致潛艇在不同深度上探測(cè)距離有明顯變化。圖11為不同月份的結(jié)果對(duì)比，由于水聽器處于深海聲道軸附近，深海的聲速剖面比較穩(wěn)定，表層的聲速變化對(duì)聲場(chǎng)的影響較小，所以不同月份引起的探測(cè)能力變化很小，可忽略不計(jì)。

圖10 以HA11 北側(cè)水聽器位置為中心的聲場(chǎng)分布(10～100 Hz 寬帶結(jié)果，依次為不同深度上的水平切面)Fig.10 2D transmission loss at different depths for the source at the position of HA11 north station(The results are computed at the frequency band of 10～100 Hz)

圖11 不同月份以HA11 北側(cè)水聽器位置為中心的聲場(chǎng)分布(100 m 深度，10～100 Hz 寬帶結(jié)果)Fig.11 2D transmission loss at 100 m depth in different months for the source at the position of HA11 north station(The results are computed at the frequency band of 10～100 Hz)

從圖10可以看出，對(duì)于FOM=60 dB 的情況，臺(tái)站的探測(cè)距離也只局限在水聽器附近非常小的距離范圍內(nèi)。深海近距離的聲場(chǎng)傳播損失可以近似用球面衰減(20 lgr)來計(jì)算。當(dāng)優(yōu)質(zhì)因子FOM =60 dB 時(shí)，球面衰減的距離僅僅為1 km，圖10所示的距離范圍(半徑100 km)對(duì)于潛艇探測(cè)能力估計(jì)來說過大，不利于進(jìn)行準(zhǔn)確的圖像分析。將圖10放大到半徑10 km 的范圍，如圖12(a)、圖12(b)分別為潛艇位于100 m和300 m深度時(shí)的傳播損失分布。從圖12中可以看出，傳播損失存在不同方向上的差異，在某一方向上，傳播損失也不一定是單調(diào)遞減的。

圖12 以HA11 北側(cè)水聽器位置為中心的聲場(chǎng)分布(10～100 Hz 寬帶結(jié)果)Fig.12 2D transmission loss for the source at the position of HA11 north station at the depth of 100 m and 300 m in the frequency band of 10～100 Hz

表2和表3給出了HA11 臺(tái)站北側(cè)和南側(cè)水聽器對(duì)不同源級(jí)的潛艇在不同下潛深度(100 m、300 m和500 m)的探測(cè)距離估計(jì)，計(jì)算時(shí)使用10～100 Hz 的寬帶傳播損失。表中的探測(cè)距離是所有方向上的平均結(jié)果，每個(gè)方向上的探測(cè)距離為大于指定FOM 值的傳播損失對(duì)應(yīng)的最大距離。從表中可以看出，當(dāng)FOM ≤50 dB 時(shí)，對(duì)任意深度的潛艇目標(biāo)均沒有探測(cè)能力，此時(shí)潛艇的源級(jí)為125 dB(10～100 Hz 頻帶內(nèi)的譜級(jí))，已經(jīng)高于安靜型潛艇在低速時(shí)的數(shù)值。利用潛艇噪聲限值模型，可計(jì)算得到當(dāng)?shù)皖l連續(xù)譜譜級(jí)為125 dB 時(shí)，其線譜的最大值約為131 dB，此時(shí)對(duì)于500 m 深度的目標(biāo)探測(cè)距離僅400 m。當(dāng)FOM 進(jìn)一步提高時(shí)，才有了一定的探測(cè)能力，例如FOM=60 dB 時(shí)，對(duì)300 m 深度的目標(biāo)探測(cè)距離為0.9 km。

圖13給出了0?方位角上，HA11臺(tái)站北側(cè)和南側(cè)的聲傳播二維分布結(jié)果，圖中的等值線形狀隨著距離的增加會(huì)發(fā)生改變。從圖中可以看出不同深度上的探測(cè)能力不同，在聲道軸以上探測(cè)距離隨著潛艇深度的增加而增加，這是由于水聽器位于深海聲道軸上，能量主要分布在聲道軸附近，越接近聲道軸，能量越強(qiáng)，可探測(cè)距離就越大。不同方位角上的探測(cè)能力不盡一致(如圖12所示)，表2和表3為全部方位角的平均，這種平均結(jié)果會(huì)導(dǎo)致在某些FOM值上的探測(cè)距離隨目標(biāo)深度的規(guī)律發(fā)生改變，如表3中FOM=65 dB時(shí)的結(jié)果。

表2 不同潛艇源級(jí)下的探測(cè)距離估計(jì)(HA11,North)Table 2 The estimation of detection range at different submarine source level(HA11,North)

表3 不同潛艇源級(jí)下的探測(cè)距離估計(jì)(HA11,South)Table 3 The estimation of detection range at different submarine source level(HA11,South)

圖13 以HA11 南北站位水聽器位置為中心方位角0?處的聲場(chǎng)分布(10～100 Hz 寬帶平均)Fig.13 2D transmission loss for the source at the position of HA11 north station and south station at the azimuth 0?in the frequency band of 10～100 Hz

3.2 對(duì)水下爆炸事件的監(jiān)測(cè)能力分析

水下突發(fā)事件經(jīng)常伴隨水下爆炸，水下爆炸產(chǎn)生的聲信號(hào)一般包含沖擊波及多個(gè)氣泡脈動(dòng)成分，如圖14所示。Cole在文獻(xiàn)[14]中對(duì)水下爆炸現(xiàn)象進(jìn)行了分析歸納，系統(tǒng)總結(jié)和研究了水下沖擊波形成及傳播理論、沖擊波測(cè)量、界面效應(yīng)等，形成了一套較為完整的水下爆炸理論，建立了一定范圍內(nèi)爆炸流場(chǎng)中沖擊波壓力峰值、比沖量及能量密度的計(jì)算公式，此理論被大量試驗(yàn)所驗(yàn)證，并有很高的精度。

圖14 水下爆炸產(chǎn)生的沖擊波及氣泡脈動(dòng)Fig.14 The explosion waveform

圖15為1 kg 三硝基甲苯(TNT)當(dāng)量的爆炸聲源的源級(jí)譜級(jí)均值(考慮了沖擊波和氣泡脈動(dòng))，分別在100 m和300 m深度爆炸的結(jié)果。在100 Hz頻點(diǎn)上，譜級(jí)約為203 dB。爆炸產(chǎn)生的沖擊波和氣泡脈動(dòng)之間的時(shí)延導(dǎo)致頻譜上出現(xiàn)一定的干涉結(jié)構(gòu)，頻率小于100 Hz 時(shí)，不同爆炸深度的聲彈聲源級(jí)譜級(jí)有明顯差異。在估計(jì)水聽器臺(tái)站對(duì)水下爆炸的監(jiān)測(cè)能力時(shí)，認(rèn)為1 kg TNT 當(dāng)量的聲源譜級(jí)為205 dB，考慮沖擊波和氣泡脈動(dòng)的總能量，爆炸當(dāng)量每擴(kuò)大10倍，源級(jí)增加6.4 dB[15]，則得到不同爆炸當(dāng)量的源級(jí)譜級(jí)，如表4所示。

圖15 1 kg TNT 當(dāng)量爆炸聲源級(jí)均值Fig.15 The average source level of 1 kg TNT equivalent weight exposive charge

表4中的數(shù)據(jù)是以爆炸當(dāng)量為kg 量級(jí)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)外推得到，對(duì)于大當(dāng)量的水下爆炸來說，具有參考意義。但對(duì)于實(shí)際情況，水下爆炸產(chǎn)生的水下聲源級(jí)與多種因素有關(guān)，如爆炸深度、爆炸類型。水下突發(fā)事件伴隨的爆炸，一般相當(dāng)于100 kg TNT 當(dāng)量量級(jí)，如2017年11月15日失事的阿根廷潛艇圣胡安號(hào)相關(guān)的爆炸[16?17]。對(duì)于水下核爆的情況，其和化學(xué)爆炸也有區(qū)別。與化學(xué)爆炸相比，核爆釋放的能量更多轉(zhuǎn)換為沖擊波?；瘜W(xué)爆炸產(chǎn)生的氣泡中主要是爆炸產(chǎn)物，可以認(rèn)為是同質(zhì)(Homogeneous)的；而核爆產(chǎn)生的氣泡包含蒸汽，是不同質(zhì)(Nonhomogeneous)的。在氣泡振蕩過程中，氣泡-水界面上的泰勒不穩(wěn)定性(Taylor instability)使水進(jìn)入氣泡并冷卻氣泡，導(dǎo)致更多的能量損失，使得氣泡的振蕩次數(shù)減少。化學(xué)爆炸中，首次氣泡的40%能量保留在二次氣泡中，而核爆中首次氣泡的能量只有8%保留在二次氣泡中。這導(dǎo)致核爆的氣泡脈動(dòng)次數(shù)比化學(xué)爆炸的明顯要少，如圖16[18]所示。水下爆炸產(chǎn)生的沖擊波和氣泡脈動(dòng)是遠(yuǎn)距離傳播的主要形式，不同爆炸類型及爆炸深度都會(huì)影響實(shí)際的源級(jí)。當(dāng)核爆發(fā)生的深度較淺時(shí)，產(chǎn)生的氣泡不完整，大量能量傳遞到大氣中，也會(huì)降低其產(chǎn)生的水下聲場(chǎng)強(qiáng)度，從而影響水聲臺(tái)站對(duì)此類事件的監(jiān)測(cè)能力。

表4 爆炸源級(jí)與當(dāng)量的關(guān)系Table 4 The relationship between explosive source level and equivalent weight

圖16 氣泡能量損失及脈動(dòng)次數(shù)[18]Fig.16 The relationship between bubble energy loss and bubbble pulsation[18]

根據(jù)表4中的數(shù)據(jù)，對(duì)比前面計(jì)算得到的傳播損失圖像，對(duì)于1 kg TNT 當(dāng)量的爆炸，HA11 臺(tái)站的監(jiān)測(cè)能力覆蓋了北太平洋的大部分區(qū)域。對(duì)于更大當(dāng)量的水下爆炸，監(jiān)測(cè)能力可部分覆蓋中國南海東北部及中國東海東部部分海區(qū)。

4 結(jié)論

IMS 水聲臺(tái)站利用深海信道實(shí)現(xiàn)了大范圍的核爆監(jiān)測(cè)。由于潛艇的輻射噪聲源級(jí)很低，現(xiàn)有IMS水聽器臺(tái)站對(duì)潛艇的探測(cè)能力非常弱。只有當(dāng)潛艇本身源級(jí)較高或者因航速提高而源級(jí)增大時(shí)，才可能有1 km 左右的探測(cè)能力。為了提高對(duì)潛艇的被動(dòng)水聲探測(cè)能力，有必要利用接收系統(tǒng)的陣處理增益或者時(shí)間增益，以提高聲吶系統(tǒng)的優(yōu)質(zhì)因子FOM。另外，當(dāng)潛艇必須通過位于深海聲道軸附近的接收水聽器時(shí)，根據(jù)本文的仿真結(jié)果，應(yīng)該選擇較淺的工作深度，并選擇噪聲級(jí)較小的工況(航速)。而對(duì)于水下爆炸引起的突發(fā)事件等，由于水下爆炸的聲源級(jí)較高，水中的傳播損失低，IMS水聽器臺(tái)站對(duì)水下爆炸事件的監(jiān)測(cè)能力可覆蓋絕大部分大洋區(qū)域。