水下爆炸聲學(xué)效應(yīng)研究現(xiàn)狀與展望

郭 銳, 俞旸暉

水下爆炸聲學(xué)效應(yīng)研究現(xiàn)狀與展望

郭 銳, 俞旸暉

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 江蘇 南京, 210094)

水下爆炸聲源具有功率高、頻帶寬、無指向性等特點(diǎn), 在海洋資源探測(cè)、水文環(huán)境反演、水下微小隱身目標(biāo)探測(cè)和水聲對(duì)抗干擾等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。文中綜述了水下爆炸聲源特征中沖擊波及理想氣泡脈沖的聲輻射機(jī)理, 分析了聲場(chǎng)模型中用于描述水下爆炸聲源傳播和混響效應(yīng)的水聲傳播模型與混響模型, 總結(jié)了水下爆炸聲源的典型信號(hào)分析方法及其聲學(xué)特性, 并結(jié)合水下爆炸聲源的特點(diǎn)介紹了相關(guān)的典型工程應(yīng)用。最后, 展望了水下爆炸聲學(xué)效應(yīng)研究在高能炸藥材料水下爆炸的能量轉(zhuǎn)換機(jī)制和致聲機(jī)理、聲混響強(qiáng)度預(yù)報(bào)、陣列多脈沖爆炸聲源工程應(yīng)用等方面的發(fā)展趨勢(shì), 為水下爆炸聲學(xué)效應(yīng)的進(jìn)一步研究提供參考。

水下爆炸; 致聲機(jī)理; 聲場(chǎng)模型; 聲學(xué)特性

0 引言

聲波是目前可知唯一可以在水介質(zhì)中遠(yuǎn)距離傳遞信息的載體。利用深海信道, 幾千克炸藥產(chǎn)生的爆炸聲在海水中傳播幾千公里后, 依然可被信號(hào)接收裝置接收, 因此水聲效應(yīng)已在海洋探索和開發(fā)中得到了廣泛應(yīng)用。

由于水介質(zhì)的特殊性, 炸藥水下爆炸特性與空氣中爆炸相比要復(fù)雜的多。水下爆炸時(shí), 爆炸沖擊波波陣面壓力和速度在水中傳播過程中下降很快, 迅速衰減成強(qiáng)聲波。炸藥小藥量裝藥水下爆炸所產(chǎn)生的噪聲總聲源級(jí)可以達(dá)到200 dB以上, 其頻率分布在50 Hz～50 kHz的寬闊范圍內(nèi), 尤其在10 kHz以下的低頻分量具有相當(dāng)高的聲功率, 如圖1所示。

圖1 25 g黑索金(RDX)炸藥水下爆炸聲學(xué)特性曲線

Urick[1]引述Arons[2]的研究結(jié)論指出, 傳統(tǒng)炸藥材料(如TNT)裝藥水下爆炸所產(chǎn)生的總化學(xué)能中, 約有40%的能量轉(zhuǎn)化為聲能輻射到1 m以外的距離上, 具有相當(dāng)高的聲轉(zhuǎn)換效率, 如表1所示[2]。水下爆炸聲源因其高聲功率和高聲轉(zhuǎn)換效率的特點(diǎn), 已作為一種傳統(tǒng)聲源被廣泛應(yīng)用于地球物理勘探、反潛回聲定位及水聲干擾中。

表1 TNT爆炸能量分配表

隨著人類對(duì)海洋探索的深入, 海洋開發(fā)和軍事需求進(jìn)一步促進(jìn)了水下聲源技術(shù)的發(fā)展, 新型高性能水下聲源的作用方式和發(fā)聲機(jī)理已成為各水聲強(qiáng)國競(jìng)相研究的熱點(diǎn)[3-4]。水下爆炸及其擾動(dòng)傳播過程屬于大變形、高度非線性、流固耦合的瞬態(tài)動(dòng)態(tài)響應(yīng), 涉及非常復(fù)雜的能量轉(zhuǎn)換過程。目前, 海洋科學(xué)已成為我國未來發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域, 對(duì)海洋信息的感知與辨識(shí)需求日益迫切。為此, 文中從水下爆炸的致聲機(jī)理出發(fā), 系統(tǒng)綜述了水下爆炸聲的發(fā)生、傳播及聲學(xué)特性的研究進(jìn)展, 以期為我國水中爆炸聲源技術(shù)的發(fā)展提供參考。

1 水下爆炸致聲機(jī)理

由于水介質(zhì)的特殊性, 炸藥水下爆炸特性與空氣中爆炸相比要復(fù)雜的多。當(dāng)炸藥在均勻、靜止的深水中爆炸時(shí), 高壓爆轟產(chǎn)物急劇向外膨脹, 在水中形成初始沖擊波。同時(shí)在爆轟產(chǎn)物與水的界面處反射一稀疏波, 以相反的方向向爆轟產(chǎn)物中心運(yùn)動(dòng)。由于水的密度大、可壓縮性小, 水中爆炸沖擊波初始?jí)毫Ρ瓤諝獯蟮枚? 空氣中爆炸沖擊波初始?jí)毫υ?0～130 MPa, 而水中爆炸沖擊波初始?jí)毫υ?0 GPa以上, 接近于炸藥爆轟區(qū)壓力。隨著水中爆炸沖擊波的傳播, 其波陣面壓力和速度迅速下降, 波形不斷拉寬。由于水的體積模量相比空氣極高, 當(dāng)波陣面壓力下降約為250 MPa時(shí), 波陣面?zhèn)鞑ニ俣纫严陆抵两咏曀?。在形成初始沖擊波的同時(shí), 爆轟產(chǎn)物迅速向外膨脹, 并以氣泡的形式推動(dòng)周圍的水沿徑向向外運(yùn)動(dòng)。氣泡壓力隨膨脹不斷下降, 當(dāng)其膨脹到壓力等于靜水壓后, 在慣性作用下繼續(xù)向外膨脹直至達(dá)到最大體積, 此時(shí)氣泡內(nèi)部壓力約為靜水壓的1/5～1/10。而后, 由于外界壓力的作用使氣泡收縮, 同樣由于慣性的作用, 在氣泡內(nèi)壓力達(dá)到靜水壓時(shí)仍繼續(xù)收縮, 直到最小體積時(shí)又開始膨脹, 如此反復(fù)膨脹、收縮, 形成氣泡脈動(dòng)。在氣泡脈動(dòng)過程中, 同時(shí)產(chǎn)生稀疏波和壓縮波[5]。擴(kuò)展和崩潰過程重復(fù)進(jìn)行, 直到氣泡向上移動(dòng)到水面或分裂為許多小的氣泡時(shí)為止[6]。在水下爆炸過程中, 爆炸產(chǎn)生了如圖2所示的2種不同的聲信號(hào), 一種是持續(xù)時(shí)間很短, 功率高、頻帶寬的沖擊波脈沖, 另一種是氣泡脈動(dòng)的輻射脈沖, 當(dāng)聲信號(hào)或氣泡與邊界相互作用時(shí), 又會(huì)形成新的聲信號(hào)。

圖2 水下爆炸聲信號(hào)結(jié)構(gòu)與產(chǎn)生過程示意圖

水中沖擊波的有限振幅效應(yīng)使得沖擊波不同部分以不同的速度傳播, 從而導(dǎo)致頻譜能量發(fā)生轉(zhuǎn)移, 并使波陣面附近的粘性能量損失保持在較高水平。沖擊波傳播過后, 氣泡的遷移、破裂及合并等效應(yīng)也會(huì)影響水下爆炸聲輻射過程。與此同時(shí), 水下爆炸還涉及多物理場(chǎng)之間的耦合作用, 尤其對(duì)于含鋁炸藥, 爆炸氣泡膨脹時(shí)氣體和高溫殘?jiān)Ｗ涌赡車娚溥M(jìn)入水中, 當(dāng)氣泡回彈時(shí)部分粒子滯后于氣泡, 產(chǎn)生了復(fù)雜的聲輻射特征。目前, 還沒有一個(gè)完整的理論體系將水下爆炸致聲機(jī)理闡述清楚, 通常根據(jù)流體動(dòng)力聲源輻射思想進(jìn)行解釋。

1.1 流體動(dòng)力聲輻射機(jī)理

19世紀(jì)中后期, Stokes和Rayleigh就認(rèn)識(shí)到擾動(dòng)的質(zhì)量和力作為聲源的作用, Lighthill[7]于1952年發(fā)現(xiàn)湍流切變應(yīng)力也可起到聲源的作用, 提出了聲比擬思想, 從而形成了將質(zhì)量通量、力源和粘性應(yīng)力視為噪聲源項(xiàng)的廣義Lighthill方程

式中:為單位體積內(nèi)新增質(zhì)量的速率;f為作用在單位體積流體上任何外部機(jī)械力的凈力;為粘性應(yīng)力。

根據(jù)式(1), 可將致聲機(jī)理歸結(jié)為3種: 脈動(dòng)體積源致聲、脈動(dòng)力源致聲和湍流致聲, 分別對(duì)應(yīng)單極子聲源、偶極子聲源以及自由四極子聲源, 不同聲源的速度勢(shì)場(chǎng)參見圖3, 圖中的、均為空間坐標(biāo)。

圖3 典型流體動(dòng)力源速度勢(shì)

單極子聲源主要是體積或者質(zhì)量發(fā)生脈動(dòng)的點(diǎn)源, 其水下聲場(chǎng)分布比較均勻, 無指向性; 偶極子聲源則是壓力脈動(dòng)以及振動(dòng)的剛性物體, 其主要特征為聲譜具有余弦方向性; 四極子聲源主要是湍流運(yùn)動(dòng)引起的壓力脈動(dòng)。一般情況下, 前兩者經(jīng)常出現(xiàn)在流體界面層中, 而后者不僅在流體界面層發(fā)生, 在流體內(nèi)部也會(huì)同時(shí)出現(xiàn)。

1.2 沖擊波聲輻射機(jī)理

目前Lighthill的聲比擬理論已被普遍接受, 然而Tam[8]指出當(dāng)聲波考慮有限振幅效應(yīng)時(shí), 式(1)的左側(cè)應(yīng)該包含非線性波陡化項(xiàng), 而流體力學(xué)控制方程中普遍存在的守恒概念在聲比擬理論中并沒有保留, Euler方程描述的激波傳播解不能通過求解具有精確四極子項(xiàng)和源的Lighthill方程獲得, 這意味著通過Lighthill方程來計(jì)算沖擊波的輻射過程可能存在一定問題。

1.2.1 沖擊波單極子源輻射模型

在20世紀(jì)30～60年代, 以歐美、前蘇聯(lián)為首的主要軍事強(qiáng)國開展了水下爆炸理論研究, 同時(shí)進(jìn)行了大量的水下爆炸試驗(yàn)和水下核試驗(yàn), 獲得了大量試驗(yàn)數(shù)據(jù), 為總結(jié)水下爆炸的致聲機(jī)理奠定了基礎(chǔ)。

在水中爆炸沖擊波聲輻射理論研究方面, 國內(nèi)外普遍將該輻射過程視為爆炸氣泡單極子源的輻射。自20世紀(jì)40年代開始, Kirkwood等[9]采用等容爆轟模型對(duì)沖擊波和氣泡脈動(dòng)部分解耦, 將沖擊波的傳播轉(zhuǎn)變成氣泡表面上動(dòng)焓的計(jì)算, 為沖擊波波形描述和波后流場(chǎng)分析提供了理論參考。其后, Kirkwood等[10]對(duì)上述理論進(jìn)行了發(fā)展, 提出用能流密度結(jié)合沖擊波陣面上的壓力和速度關(guān)系求解波陣面后參數(shù), 這種近似計(jì)算方法可由試驗(yàn)直接測(cè)量的沖擊波超壓時(shí)程積分, 非常適合將某一距離處的數(shù)據(jù)推算到其他距離處, 但不能很好地建立沖擊波傳播與氣泡脈動(dòng)的聯(lián)系, 在近場(chǎng)計(jì)算時(shí)易存在誤差。Kedrinskii[11]基于瞬時(shí)爆轟假設(shè), 考慮水下爆炸氣泡界面處壓力和焓以指數(shù)衰減規(guī)律變化, 給出了氣泡界面處的初始條件, 在Kirkwood-Bethe假設(shè)[9]下得到了任意時(shí)刻流場(chǎng)中一點(diǎn)處的動(dòng)焓與氣泡界面處動(dòng)焓的關(guān)系, 由此得到了柱形炸藥的沖擊波聲輻射過程的解。Geers等[12]給出了一種遠(yuǎn)場(chǎng)沖擊波壓力的雙指數(shù)擬合形式, 同時(shí)依據(jù)聲學(xué)理論中的脈動(dòng)球源思想建立了沖擊波階段氣泡體積加速度與不同位置處壓力分布的超聲關(guān)系, 該模型將沖擊波階段與氣泡脈沖階段的壓力關(guān)系分時(shí)段表示。李澎等[13]在Kirkwood-Brinkley理論[10]的基礎(chǔ)上分析了能流密度-時(shí)間曲線的表達(dá)式, 并簡(jiǎn)化了水中爆炸沖擊波的傳播計(jì)算方法, 針對(duì)不同距離之間沖擊波的壓力峰值, 運(yùn)用實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)近似計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。Wang等[14]根據(jù)Tait方程和JWL方程描述相應(yīng)介質(zhì)獲得了精確氣泡膨脹初速表達(dá)式, 將流體可壓縮性用焓表示, 結(jié)合Lezzi-Prosperetti方程給出了比Geers-Hunter模型[12]更貼近實(shí)際的單極子源膨脹過程控制方程, 通過求解該方程可以獲得沖擊波輻射壓力。

水下爆炸沖擊波在傳播到一定藥包半徑距離處后, 可將沖擊波波頭視為一個(gè)帶有間斷的壓縮波。當(dāng)沖擊波傳播到距爆心約90倍藥包半徑處的時(shí)候[15], 沖擊波馬赫數(shù)(/0)接近于1。Weston[16]指出, 水下爆炸形成的聲信號(hào)在100 yd范圍內(nèi)需要考慮有限振幅效應(yīng)和耗散, 而這些效應(yīng)在100 yd之外可以忽略。

在沖擊波輻射參數(shù)半經(jīng)驗(yàn)關(guān)系擬合方面, Cole[17]所在的水下爆炸研究實(shí)驗(yàn)室對(duì)TNT等理想炸藥的球形藥包水下爆炸沖擊波進(jìn)行了系統(tǒng)試驗(yàn)研究, 驗(yàn)證了Kirkwood等提出的沖擊波傳播理論, 揭示了爆炸參數(shù)之間的關(guān)系, 其提出的半經(jīng)驗(yàn)半理論公式至今仍被廣泛應(yīng)用, 而該半經(jīng)驗(yàn)關(guān)系的適用TNT等效爆距范圍隨后被Arons[18]、Blaik等[19]分別推廣至794.40 m/kg1/3和15 868 m/kg1/3。Cole提出的TNT炸藥水下爆炸壓力衰減公式如式(2)所示。

式中:為沖擊波壓力峰值;為衰減常數(shù);為沖擊波壓力;為測(cè)距;為藥包質(zhì)量;為沖擊波到達(dá)時(shí)間。

Alpaslan等[20]對(duì)炸藥在海洋環(huán)境下的爆炸壓力進(jìn)行了測(cè)量, 記錄的峰值超壓通過對(duì)數(shù)和線性2種不同形式的最小二乘方法重新確定經(jīng)驗(yàn)公式常數(shù), 新確定的常數(shù)與Cole經(jīng)驗(yàn)公式的常數(shù)略有不同。

Arons[18]測(cè)量了遠(yuǎn)距離處的水下爆炸沖擊波信號(hào), 指出沖擊波超壓峰值冪函數(shù)的斜率與無量綱量1.0的偏離是由于能量的耗散和波形的傳播造成的。同時(shí), Arons指出在689 kPa(100 psi)以上的壓力范圍內(nèi), Kirkwood-Bethe理論[9]很好地解釋了式(2)中超壓峰值冪函數(shù)的斜率為1.13的原因, 即耗散主要出現(xiàn)在激波陣面的不可逆壓縮中, 但在傳播到更遠(yuǎn)的距離時(shí), Kirkwood-Bethe理論產(chǎn)生了一個(gè)對(duì)數(shù)形式的解, 與實(shí)際結(jié)果并不相符, Temkin[21]認(rèn)為這可能是沖擊波在水中傳播時(shí)非線性效應(yīng)導(dǎo)致的。

1.2.2 弱沖擊波輻射中的非線性效應(yīng)

水中沖擊波在傳播過程中會(huì)在很遠(yuǎn)的距離上仍然保持銳利的間斷面, 這種波形被DuMond等[22]稱為N形波。在一定距離內(nèi), 沖擊波陣面處的峰值衰減速率比線性聲學(xué)預(yù)測(cè)的更快。雖然此時(shí)的波陣面峰值超壓一般較低, 但其非線性效應(yīng)依然不可忽略。當(dāng)保留聲壓的2階小量時(shí), 通過引入非線性聲學(xué)中的非線性系數(shù)0構(gòu)建一個(gè)如圖4所示的簡(jiǎn)化模型進(jìn)行分析。

DuMond等[22]于1946年通過觀測(cè)時(shí)間-壓力剖面中的周期隨傳播的變化率來測(cè)量N形波絕對(duì)振幅的方法, 研究了這種波形在理想空氣介質(zhì)中的傳播過程, 該方法給出了在大傳播距離上距離、振幅和觀測(cè)周期之間的絕對(duì)關(guān)系。Landau等[23]論述了聲波間斷形成的原因, 通過簡(jiǎn)單波漸近表示的方式給出了速度間斷值及其間斷位置所滿足的關(guān)系。

Wright[24]、Temkin等[25]分別通過短球面沖擊波和平面沖擊波對(duì)上述理論進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。在圖4表示的結(jié)構(gòu)中, 球面理論給出了當(dāng)距離大于沖擊波脈沖長(zhǎng)度1時(shí)球面波的參數(shù), 且

式中:1為所選擇的距離炸藥較遠(yuǎn)的沖擊波陣面到達(dá)位置, 滿足1>>1;1為沖擊波陣面?zhèn)鞑サ皆撎帟r(shí)的正壓脈寬(空間量);1為該位置處沖擊波陣面后的峰值壓力。

圖4 N形波空間-壓力剖面

考慮聲速1階小量后, 弱沖擊波可借助非線性聲學(xué)中的聲學(xué)近似方法描述, 非線性效應(yīng)不斷將低頻能量轉(zhuǎn)移到高頻, 沖擊波能一直保持銳利的間斷面, 但隨著傳播距離持續(xù)增大的高頻諧波分量并不符合真實(shí)情況。因此還需要考慮介質(zhì)的黏滯熱傳導(dǎo)效應(yīng), 此時(shí)真實(shí)沖擊波寬度必須考慮, 黏滯吸收系數(shù)與波數(shù)、非線性系數(shù)相互競(jìng)爭(zhēng), 最終導(dǎo)致沖擊波信號(hào)在遠(yuǎn)場(chǎng)時(shí)具有明顯的上升時(shí)間。

1.3 氣泡脈沖聲輻射機(jī)理

氣泡脈沖壓力是在炸藥水下爆炸的準(zhǔn)靜態(tài)過程中輻射出來的, 取決于氣泡的脈動(dòng)與遷移[26]。大量研究結(jié)果表明, 氣泡在水中的體積振動(dòng)可作為質(zhì)量-彈性系統(tǒng)來處理, 其可視作單極子源, 聲輻射效率相比于偶極子源和四極子源高[6], 是沖擊波輻射之外的另一個(gè)重要的水下聲源。但在有的應(yīng)用過程中, 有時(shí)還需額外濾去氣泡脈沖以提取純凈的爆炸聲信號(hào)[27-29]。

實(shí)際的氣泡振動(dòng)過程中受多種因素影響, 氣泡脈沖聲輻射機(jī)理是根據(jù)水下多種聲輻射機(jī)理總結(jié)而成的, 包括水下氣泡振動(dòng)方程[30-31]、湍流噪聲[32]、熱聲效應(yīng)[33]、單極子源噪聲、偶極子源噪聲以及四極子源噪聲原理等[34]。

國內(nèi)外在氣泡脈沖聲輻射領(lǐng)域的研究方法以模型分析和試驗(yàn)研究為主, 其中模型分析有助于研究簡(jiǎn)單的模型, 揭示其機(jī)理。在推導(dǎo)氣泡運(yùn)動(dòng)的理論模型過程中, 通常認(rèn)為在第1個(gè)脈動(dòng)階段壓縮效應(yīng)和黏性效應(yīng)均不重要, 往往忽略可壓縮效應(yīng)和黏性效應(yīng)。

Besant[35]首先提出了一個(gè)球形氣泡在無粘、無限空間、不可壓縮液體中運(yùn)動(dòng)的問題, 建立了分析模型預(yù)測(cè)了液體中任意一點(diǎn)的壓力及氣泡潰滅時(shí)間。Rayleigh[36]在Besant球形氣泡膨脹和收縮運(yùn)動(dòng)模型的基礎(chǔ)上加入了氣體的等溫狀態(tài)方程, 通過對(duì)連續(xù)性方程進(jìn)行積分獲得徑向速度場(chǎng)的方式得到了無限流域中的氣泡解, 該數(shù)學(xué)模型表明氣泡表面速度是通過假定液體所做的功等于氣泡運(yùn)動(dòng)的全部動(dòng)能得到的。Plesset[37]則利用連續(xù)性方程和運(yùn)動(dòng)方程得到了微分形式的氣泡運(yùn)動(dòng)方程, 即Rayleigh-Plesset(RP)方程。利用此方程研究氣泡的饋滅過程, 在氣泡的半徑較大時(shí), 所得結(jié)果具有一定準(zhǔn)確性, 但當(dāng)氣泡潰滅至很小的半徑時(shí), 由于沒有考慮氣泡的含氣量、表面張力、黏滯性及可壓縮性等因素的影響, 將會(huì)導(dǎo)致一些不合理的結(jié)果。

為了對(duì)Rayleigh理想氣泡的運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行修正, 研究人員從不同的角度修正了RP方程, 得到了考慮不同因素的氣泡運(yùn)動(dòng)方程。Poritsky[38]第1個(gè)討論了液體粘性對(duì)氣泡行為的影響, 同時(shí)討論了考慮及不考慮表面張力條件下氣泡潰滅時(shí)間的有限性。Noltingk等[39-40]在考慮氣泡內(nèi)氣體成分影響的基礎(chǔ)上修正了RP方程。綜合以上成果, Lauterborn[41]總結(jié)出著名的氣泡運(yùn)動(dòng)方程

基于上述理論, 將方程與Bernoulli方程聯(lián)立可得氣泡作為單極子源在流場(chǎng)中輻射出的聲壓。

2 水下爆炸聲場(chǎng)模型

水下爆炸聲在水中傳播、反射、被接收以及目標(biāo)探測(cè)和定位等規(guī)律, 可以用水聲模型加以描述。水聲模型包括環(huán)境模型、聲場(chǎng)模型和聲吶性能模型3類[42], 模型之間的關(guān)系如圖5所示。

2.1 水聲傳播模型

水聲傳播模型用于描述聲源發(fā)出的聲波在海洋環(huán)境中傳播產(chǎn)生的能量衰減和波形畸變的規(guī)律, 對(duì)于噪聲、混響以及最終的基于聲吶性能的更高層次的建模是不可或缺的。目前, 傳播模型主要分為5種不同的技術(shù)[43], 包括射線理論技術(shù)、簡(jiǎn)正波方法、多途展開技術(shù)、波數(shù)積分方法和拋物方程近似等。根據(jù)不同的條件還出現(xiàn)了混合模型[44-46], 各類方法適用的場(chǎng)景如表2所示[47]。

圖5 3類水聲模型關(guān)系示意圖

水下爆炸沖擊波傳播到一定距離后, 可通過線性聲學(xué)理論處理, 其在水中的傳播過程可利用線性波動(dòng)方程描述。在不同的初始條件和邊界條件下, 由波動(dòng)方程推導(dǎo)出不同的聲學(xué)傳播模型, 常見的有射線理論模型和簡(jiǎn)正波模型。

表2 各類水聲傳播模型適用場(chǎng)景對(duì)照表

注: 表中RI表示環(huán)境與水平距離無關(guān); RD表示環(huán)境與水平距離有關(guān); “●”表示傳播模型既在物理上是準(zhǔn)確的, 又在執(zhí)行速度上是實(shí)用的; “○”表示在準(zhǔn)確性或執(zhí)行速度上存在限制; “—”表示不可行。

當(dāng)信號(hào)幅值在一個(gè)波長(zhǎng)內(nèi)的改變量很小時(shí), 可以得到程函方程和強(qiáng)度方程, 這是射線聲學(xué)的基本方程

式中:(,,)為程函, 長(zhǎng)度量綱;0為參考點(diǎn)聲速;(,,)為空間某點(diǎn)的聲速;(,,)為空間某點(diǎn)折射率;(,,)為聲壓幅值。

通過求解方程(6)可得聲線傳播過程的近似解。Porter[48]于1987年編寫了基于射線理論的BELLHOP模型, 該模型基于幾何和物理的傳播規(guī)律, 可以跟蹤多種波形類型的射線在海洋環(huán)境中的傳播軌跡, 從而達(dá)到預(yù)測(cè)聲壓的目標(biāo)。該模型還可以輸出傳播損失、本征聲線、到達(dá)和接收時(shí)間序列等信息, 被指定為美國海軍海洋預(yù)報(bào)10～100 kHz頻帶聲傳播的標(biāo)準(zhǔn)模型[49]。吳麗麗等[50]基于2013年7月在西太平洋進(jìn)行的遠(yuǎn)程聲傳播試驗(yàn), 使用拋物方程模型和射線模型分析解釋了125 m深拖曳換能器發(fā)射的線性調(diào)頻聲信號(hào)(260～306 Hz)和水下1 000 m深爆炸產(chǎn)生聲信號(hào)的遠(yuǎn)程脈沖聲傳播現(xiàn)象。

1948年, Pekeris[51]發(fā)展了海水和沉積物的兩層模型, 用簡(jiǎn)正波理論解決了水下爆炸導(dǎo)致的聲源傳播問題。為了研究水平變化緩變的海洋環(huán)境下爆炸聲脈沖的頻散特性, Pierce[52]首先提出絕熱簡(jiǎn)正波理論計(jì)算方法, 但該理論忽略了由于水平變化導(dǎo)致的簡(jiǎn)正波耦合, 不適用于水平變化劇烈的海洋環(huán)境。Evans[53]則在考慮簡(jiǎn)正波耦合的基礎(chǔ)上修正了絕熱簡(jiǎn)正波理論, 可用于水平變化較大的環(huán)境, 但本征值、本征函數(shù)和耦合系數(shù)的計(jì)算較為困難。20世紀(jì)70年代后期, 一些簡(jiǎn)正波模型被廣泛用于預(yù)報(bào)海洋傳播損失, 但對(duì)特定聲速剖面存在數(shù)值不穩(wěn)定性, 且不能計(jì)算完整模態(tài)序列。20世紀(jì)80年代起, Michael等[54]為了解決這些問題, 發(fā)展了一種新的算法構(gòu)成Kraken簡(jiǎn)正波建模的基礎(chǔ)。張仁和等[55-56]提出并完善了計(jì)算深海聲場(chǎng)的廣義相積分簡(jiǎn)正波理論(WKBZ簡(jiǎn)正波理論)與計(jì)算淺海聲場(chǎng)的波束位移射線(beam displacement ray mode, BDRM)簡(jiǎn)正波理論, 提高了計(jì)算精度, 計(jì)算速度也比國際上流行的算法快1～ 2個(gè)數(shù)量級(jí)。

2.2 聲混響模型

水下爆炸產(chǎn)生的聲信號(hào)在傳播過程中, 經(jīng)過分布在水面、水中和水底的散射元的散射后形成混響。水下爆炸產(chǎn)生的脈沖壓力波持續(xù)時(shí)間較短, 受海水介質(zhì)的特殊性、海洋特有的不均勻性以及其他外界因素(如海面、水深、海底介質(zhì)、海底地形)的綜合影響而產(chǎn)生的聲混響效應(yīng)會(huì)使脈沖爆炸聲在水中能持續(xù)一段時(shí)間。

由于水下爆炸沖擊波是一種寬頻短時(shí)脈沖信號(hào), 持續(xù)時(shí)間短(僅有幾百微秒), 頻率范圍廣(從幾赫茲到幾十赫茲), 并且頻率特性不穩(wěn)定。除了體積混響外, 當(dāng)不滿足獲取理想爆炸聲信號(hào)的3個(gè)限制條件時(shí)[57], 水聽器測(cè)得的信號(hào)往往存在邊界效應(yīng)干擾, 即信號(hào)為混響信號(hào)。水下爆炸聲混響的常用計(jì)算模型有射線方法和簡(jiǎn)正波方法等。

Bucker等[58]最先使用簡(jiǎn)正波理論分析均勻淺海中的混響, 其通過將簡(jiǎn)正波分解為上行波與下行波, 并將下行波與海底散射相聯(lián)系的方法進(jìn)行計(jì)算。吳承義[59]則利用射線方法計(jì)算了淺海的平均混響強(qiáng)度。張仁和等[60]將Bucker等的方法[58]推廣到非均勻淺海環(huán)境, 利用簡(jiǎn)正波理論計(jì)算了淺海的平均混響強(qiáng)度。Ellis等[61]建立了將Lam-bert散射定律與基于Kirchhoff近似的表面散射函數(shù)相結(jié)合的三維散射模型, 在美國海軍水下系統(tǒng)中心(Naval Underwater Systems Center, NUSC)的通用聲吶模型中增加了所提出的散射模型, 建立了一種基于本征射線求取的海底雙基地混響模型, 并通過了試驗(yàn)驗(yàn)證。Peter等[62]利用射線理論計(jì)算了水下爆炸聲混響, 由于該方法不考慮頻率因素, 所以可避免由頻率引起的計(jì)算量較大的問題。然而射線理論的基礎(chǔ)是求取本征聲線來表示信號(hào)的傳播路徑, 對(duì)于深水區(qū)域, 求取本征聲線的計(jì)算量較小, 而對(duì)于淺水區(qū)域, 由于水面和水底的多次反射和散射引起的多途效應(yīng), 求取本征聲線的計(jì)算量將大幅增加。因此為了減小計(jì)算量, 惠娟等[63-64]基于射線方法和Lambert散射定律, 在等聲速環(huán)境假定下利用橢圓和橢球的幾何性質(zhì), 即橢圓和橢球面上任意1點(diǎn)到2個(gè)焦點(diǎn)的距離之和為常數(shù), 給出了二維和三維收發(fā)分置混響平均強(qiáng)度的預(yù)報(bào)公式, 不需要求取本征聲線, 大大減小了計(jì)算量。盛振新等[65]將惠娟的雙基地混響模型推廣到一般橢球公式控制下的混響模型, 對(duì)海底界面混響進(jìn)行了討論。Guo等[66]在盛振新提出的混響模型的基礎(chǔ)上考慮了海面、海底界面散射效應(yīng)及常聲速梯度環(huán)境, 建立了雙基地界面混響預(yù)報(bào)模型, 對(duì)2種距離處的聲混響進(jìn)行了計(jì)算, 并探討了界面散射及聲速梯度對(duì)混響場(chǎng)的影響, 模型如圖6所示(假設(shè)負(fù)聲速梯度條件)。

3 水下爆炸聲學(xué)特性

水下爆炸相比于煙火藥[67]、氣槍[68]等能在水中形成高聲源級(jí)、高功率、寬頻帶的聲信號(hào),信噪比很高, 但爆炸沖擊波壓力衰減快, 聲信號(hào)持續(xù)時(shí)間較短。為了將水下爆炸聲信號(hào)應(yīng)用到實(shí)際工程領(lǐng)域中, 需要對(duì)水下爆炸的聲信號(hào)特性進(jìn)行分析研究。

3.1 信號(hào)分析方法

水下爆炸聲信號(hào)分析方法是研究水下爆炸聲信號(hào)聲學(xué)特性的基礎(chǔ)。受限于數(shù)字計(jì)算機(jī)的不成熟, 早期一般采用倍頻程濾波對(duì)信號(hào)進(jìn)行特征提取以獲得信號(hào)的頻帶特性。隨著數(shù)字計(jì)算機(jī)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展, 1965年, Cooley和Tukey提出了快速傅里葉變換(fast Fourier transform, FFT), 此后研究人員常常通過FFT提取數(shù)字信號(hào)的頻率特性對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析。在信號(hào)頻率的定義方式上, 目前有2種分類, 一種是傅里葉所提出的穩(wěn)態(tài)頻率, 另一種則是Carson提出、Gabor等完善統(tǒng)一的瞬時(shí)頻率。2種頻率定義為不同信號(hào)特征提取方法提供了理論基礎(chǔ)。

圖6 界面散射引起的三維雙基地混響示意圖

水下爆炸壓力信號(hào)持續(xù)時(shí)間短、突變快, 屬于非平穩(wěn)信號(hào), 信號(hào)的結(jié)構(gòu)及其頻譜都是時(shí)變的, 與傅里葉變換建立的理論基礎(chǔ)不一致[69-70], 傅里葉變換會(huì)高估高頻分量的成分。隨著信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展, 水下爆炸壓力信號(hào)的分析方法主要經(jīng)歷了傅里葉變換、短時(shí)傅里葉變換、小波變換、小波包變換和希爾伯特-黃變換階段[15, 71-75]。

在上述信號(hào)分析方法中, 傅里葉變換和短時(shí)傅里葉變換隱含了信號(hào)分解為無限長(zhǎng)正弦信號(hào)疊加的條件, 而小波變換、小波包變換屬于多尺度分析方法, 在信號(hào)的高頻處時(shí)間細(xì)分、低頻處頻率細(xì)分, 能自動(dòng)適應(yīng)時(shí)頻信號(hào)分析的要求, 且對(duì)分解得到的成分沒有強(qiáng)制規(guī)定頻率的類型。因此小波變換仍是目前非平穩(wěn)態(tài)信號(hào)分析的最有效方法之一。但小波變換要求小波窗內(nèi)信號(hào)必須平穩(wěn), 小波基的有限長(zhǎng)又會(huì)造成信號(hào)能量泄漏, 同時(shí)小波函數(shù)具有多樣性。無論是傅里葉變換還是小波變換都是用一種固定的基或核函數(shù)來對(duì)信號(hào)進(jìn)行分解, 均受到海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理的限制, 希爾伯特-黃變換(Hilbert-Huang transform, HHT)這類自適應(yīng)分解算法也被更多學(xué)者關(guān)注[76]。

3.2 水下爆炸聲信號(hào)時(shí)域特性

炸藥水下爆炸沖擊波的水聲特性與沖擊波峰值壓力、正壓持續(xù)時(shí)間和能流密度等特征相關(guān)。這些特征是信號(hào)在時(shí)域中的投影, 能較為直觀地體現(xiàn)聲信號(hào)的性能, 也為頻譜分析提供了依據(jù)。

Blaik等[19]分析了6 706 m深度以內(nèi)的小藥量(最小20 g于4 145 m深爆炸)水下爆炸試驗(yàn)數(shù)據(jù)與Arons[18]總結(jié)得到的沖擊波峰值經(jīng)驗(yàn)公式, 認(rèn)為沖擊波峰值超壓不受爆炸深度的影響, 但正壓作用時(shí)間隨爆炸深度的增加而減小, 導(dǎo)致沖擊波聲輻射能減少。Goertner[77]研究了沖擊波壓力的影響因素, 分析了不同介質(zhì)聲速和密度對(duì)其的影響。Geoff等[78]對(duì)小當(dāng)量炸藥爆炸聲壓級(jí)測(cè)量進(jìn)行了研究, 得出了風(fēng)速、溫度等氣象條件與爆炸聲壓級(jí)的擬合關(guān)系并得出計(jì)算公式。Alexander等[79]在距離維吉尼亞海岸7 km外進(jìn)行了水下爆炸峰值壓力和聲壓級(jí)的測(cè)量, 并將試驗(yàn)測(cè)量得到的峰值壓力與半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果相比較, 給出了淺海環(huán)境下利用能流密度計(jì)算水下爆炸聲壓級(jí)的半經(jīng)驗(yàn)公式。

吳成等[80-81]對(duì)比了TNT、RS211和RS3-4等3種炸藥等體積爆炸條件下在不同距離處的沖擊波聲壓級(jí)L及其高于背景噪聲聲壓級(jí)的持續(xù)時(shí)間, 如圖7所示。潘正偉等[82]對(duì)RDX、TNT、8701等炸藥進(jìn)行了小藥量爆炸試驗(yàn), 測(cè)得的等效聲源級(jí)均在210 dB以上,炸藥質(zhì)量、爆距與等效聲源級(jí)之間滿足水下爆炸相似律。

圖7 不同位置處3種炸藥聲壓級(jí)時(shí)程曲線

在淺海環(huán)境下, 實(shí)際測(cè)得的水下爆炸聲信號(hào)往往受各類散射元或等效散射元的影響, 不再是純凈的沖擊波和氣泡脈沖信號(hào), 而是如圖8所示的混響信號(hào)(圖中, Δ表示超壓, 即總壓力與環(huán)境靜水壓力的差值), 這種混響效應(yīng)能夠增加水下爆炸聲信號(hào)的持續(xù)脈寬。

圖8 實(shí)測(cè)混響信號(hào)聲壓隨時(shí)間變化曲線

Vadov[83]和Mikryukov等[84]研究了從深海到近海水下爆炸聲波的遠(yuǎn)程傳播, 并在2種深度上對(duì)距爆源80～120 km的聲混響信號(hào)進(jìn)行了觀測(cè)分析。Hines等[85]在淺海進(jìn)行了試驗(yàn), 得到頻率分別為21、28和36 kHz的混響信號(hào), 并與通用聲吶模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比, 對(duì)混響曲線中極值點(diǎn)的形成機(jī)理進(jìn)行了研究。Stanic 等[86]在巴拿馬城進(jìn)行了試驗(yàn), 得到了高頻信號(hào)雙基地混響, 經(jīng)過分析可知混響強(qiáng)度隨著掠射角的減小而減小。Guzhaniva等[87]在淺海進(jìn)行了試驗(yàn), 近似估計(jì)了40～400 Hz信號(hào)的吸收系數(shù)和反射系數(shù)。Li等[88]分析了2001年ASIAEX項(xiàng)目的試驗(yàn)數(shù)據(jù), 發(fā)現(xiàn)延遲一段時(shí)間的雙基地混響曲線和單基地混響曲線是近似的。

3.3 水下爆炸聲信號(hào)頻譜特性

水下爆炸能量分布在很寬的頻率范圍內(nèi)?；诖颂攸c(diǎn), 許多領(lǐng)域都將水下爆炸作為聲源, 為了更好地描述聲信號(hào)的特性, 需要獲取其在頻率上的分布。水下爆炸聲信號(hào)的頻譜特性反映了信號(hào)所含分量的幅度、相位隨頻率的分布情況。

3.3.1 能流密度譜級(jí)

潘正偉等[82]指出水聲設(shè)備一般都具備抗干擾能力, 如在電子線路中設(shè)置積分電路。因此早期對(duì)水下爆炸聲信號(hào)頻譜特性研究時(shí)往往分析的是信號(hào)的能流密度譜級(jí)而不是實(shí)時(shí)的聲壓譜級(jí)。

早期實(shí)測(cè)水下爆炸聲信號(hào)處理時(shí)一般采用倍頻程濾波的方式獲得信號(hào)的頻帶特性。Weston[89]將25～6 400 Hz之間的頻段劃分為8個(gè)倍頻程, 利用倍頻程對(duì)不同質(zhì)量炸藥水下爆炸信號(hào)進(jìn)行濾波, 獲得了對(duì)應(yīng)頻程的能流通量, 并將該能流通量除以帶寬以獲得絕對(duì)自由場(chǎng)能流譜級(jí)。隨后, Weston在對(duì)水下爆炸信號(hào)進(jìn)行頻譜分析的基礎(chǔ)上, 提出可將各種頻譜等效為1 lb炸藥的譜, 理論曲線與不同質(zhì)量炸藥縮放結(jié)果如圖9所示(圖中,()表示絕對(duì)能流譜級(jí), 其中理論曲線為頻譜級(jí), 試驗(yàn)點(diǎn)為1/3倍頻程濾波后的頻帶級(jí),為頻率)。

圖9 歸一化至1 lb炸藥的絕對(duì)能流譜級(jí)隨頻率變化曲線

在水下爆炸半經(jīng)驗(yàn)公式的基礎(chǔ)上, Raitt、Weston[89]等采用傅里葉變換對(duì)Arons等[18, 90-91]擬合得到的沖擊波、氣泡脈沖半經(jīng)驗(yàn)公式分別進(jìn)行了處理, 將時(shí)域關(guān)系投影到頻域中獲得了能流密度譜, 并分析了炸藥質(zhì)量和爆炸深度對(duì)能流密度譜的影響。Christian等[92]發(fā)現(xiàn)Weston導(dǎo)出的能流密度譜在氣泡脈沖基頻(第1次氣泡脈動(dòng)周期的倒數(shù))處具有明顯的峰值, 該峰值隨著爆炸深度的增加以及炸藥質(zhì)量的減少而增加。隨后, Christian[93]分離了水平距離與深度的影響, 利用氣泡脈動(dòng)基頻和炸藥質(zhì)量將頻率和能流密度歸一化, 獲得了適用于深水爆炸條件下的能流密度譜。Kibblewhite等[94]通過不同炸藥質(zhì)量、起爆深度的試驗(yàn)結(jié)果證明了Christian能流密度譜的正確性。張翠平[95]從傅里葉變換出發(fā)推導(dǎo)了水下爆炸能量譜密度關(guān)系, 并根據(jù)量綱分析導(dǎo)出了水下爆炸頻率特性相似關(guān)系與能量譜密度相似關(guān)系。

江國進(jìn)等[96]采用HHT方法對(duì)水下爆炸聲信號(hào)進(jìn)行處理, 通過球面擴(kuò)展修正和1/3倍頻程頻帶化的方式得到了Hilbert能量譜, 并與傅里葉能流密度譜進(jìn)行了對(duì)比, 兩者所表示的頻帶聲源級(jí)E(0)如圖10所示。從圖中可看出, 經(jīng)過1/3倍頻程平均后, 傅里葉能流密度譜和Hilbert能量譜較為接近。

圖10 基于Hilbert能量譜與Fourier能流密度譜的1/3倍頻程頻帶聲源級(jí)曲線

3.3.2 水下爆炸聲壓譜級(jí)及能量分布

隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的快速發(fā)展, 研究者開始借助FFT算法、多尺度分析方法及自適應(yīng)分解算法等信號(hào)分析工具對(duì)水下爆炸聲信號(hào)的譜特征進(jìn)行提取。

潘正偉等[82]用FFT將不同藥量、不同距離處測(cè)得的RDX炸藥水下爆炸沖擊波壓力信號(hào)從時(shí)域變換到頻域獲得了沖擊波信號(hào)的傅里葉譜, 結(jié)果表明沖擊波信號(hào)的頻率成分極為豐富。吳成等[81, 97]借助Welch方法提取了兆帕級(jí)水下爆炸沖擊波原始信號(hào)和小波分層信號(hào)的功率譜, 發(fā)現(xiàn)TNT、RS211、RS3-4這3種炸藥的功率隨頻率變化的特性在遠(yuǎn)場(chǎng)時(shí)差別不大, 且10 kHz以下的信號(hào)能量占比較大。

賈虎等[98-99]計(jì)算了纖維爆炸索水下爆炸沖擊波信號(hào)的功率譜, 并分別利用小波變換和基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(empirical mode decomposition, EMD)算法的HHT對(duì)沖擊波信號(hào)進(jìn)行了特征提取, 討論了水下爆炸沖擊波信號(hào)在各層小波頻段上的能量分布狀況。范志強(qiáng)等[100]利用小波變換方法對(duì)纖維爆炸索水下連續(xù)脈沖爆炸信號(hào)進(jìn)行了時(shí)頻特性分析, 認(rèn)為每個(gè)脈沖沖擊波主要分布在125 kHz以下。

盛振新、裴善報(bào)等[15, 74, 101-104]采用小波變換和HHT分別對(duì)850 m處、6 200 m處測(cè)得的水下單藥包爆炸沖擊波信號(hào)、單藥包爆炸聲信號(hào)和連續(xù)爆炸聲信號(hào)進(jìn)行了分解, 計(jì)算了信號(hào)的功率譜、能量分布狀況、Hilbert譜和邊際譜, 并研究了起爆間隔時(shí)間對(duì)連續(xù)爆炸聲信號(hào)的影響。結(jié)果顯示: 單藥包情況下, 聲信號(hào)的能量主要分布頻帶相對(duì)于沖擊波信號(hào)更低; 不同起爆間隔時(shí)間下, 連續(xù)爆炸聲信號(hào)的功率譜和能量分布狀況相差不大, 能量分布情況與單藥包爆炸聲信號(hào)類似, 但會(huì)有部分能量從低頻向高頻轉(zhuǎn)移。

易流[105]針對(duì)不同水深條件下的爆炸沖擊波試驗(yàn)數(shù)據(jù)用2種小波基函數(shù)進(jìn)行了分解, 證明了水下爆炸沖擊波壓力信號(hào)對(duì)小波基函數(shù)的選擇不敏感。孫鐘阜等[106]基于HHT法對(duì)水下單藥包爆炸試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理, 得到了水下爆炸聲信號(hào)的Hilbert譜, 同時(shí)根據(jù)聲速剖面計(jì)算了聲線軌跡, 發(fā)現(xiàn)能量譜中的局部極值點(diǎn)是由聲線軌跡和海底相互作用導(dǎo)致的。

4 水下爆炸聲源應(yīng)用

水下爆炸聲學(xué)效應(yīng)的研究表明, 水下爆炸產(chǎn)生的強(qiáng)噪聲源除了具有高聲功率、寬頻率及無指向性等優(yōu)點(diǎn)外, 還可以很方便地投擲到指定的任意深度上爆炸, 成本低、經(jīng)濟(jì)性好。因此, 水下爆炸聲源在海洋資源探測(cè)、水文環(huán)境反演、水下微小隱身目標(biāo)探測(cè)和水聲對(duì)抗干擾等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

4.1 目標(biāo)探測(cè)與定位

水面艦艇編隊(duì)是水下攻防的重要力量, 在與水下威脅目標(biāo)的對(duì)抗中, 面臨的首要困難在于難以遠(yuǎn)程發(fā)現(xiàn)和準(zhǔn)確識(shí)別水下威脅目標(biāo)。通過爆炸聲源產(chǎn)生高強(qiáng)度低頻爆炸聲信號(hào), 并利用異地艦載聲吶接收目標(biāo)回波的方式可有效解決上述問題, 完成對(duì)目標(biāo)的快速檢測(cè)與定位。

劉琳等[107]針對(duì)拖曳陣聲吶采用主動(dòng)工作模式時(shí)水面艦艇易于過早暴露、遭受攻擊的問題, 提出了一種基于爆炸聲源的多基地遠(yuǎn)程探測(cè)新技術(shù), 該技術(shù)通過爆炸聲源產(chǎn)生高強(qiáng)度低頻爆炸聲信號(hào), 利用大孔徑低頻拖曳線列陣聲吶進(jìn)行高增益接收, 結(jié)合對(duì)潛艇回波與直達(dá)波的參數(shù)提取與處理, 同步完成對(duì)潛艇目標(biāo)的快速檢測(cè)與定位。

黃聰?shù)萚108]基于雙基地聲吶定位原理和均勻水聲環(huán)境假設(shè), 結(jié)合爆炸聲源在基線延長(zhǎng)線附近一定開角范圍內(nèi)具有探測(cè)優(yōu)勢(shì)的特點(diǎn), 提出了在以聲吶為圓心的圓周上配置多枚爆炸聲源的方式擴(kuò)大探測(cè)覆蓋角度, 實(shí)現(xiàn)在大開角范圍內(nèi)的艦船警戒, 多爆炸聲源布置如圖11所示(圖中顯示了7個(gè)均勻布置的爆炸聲源, 分別位于距離接收聲吶的半徑為80 km、開角范圍為15°～165°的圓弧上, 圖中坐標(biāo)軸表示的、均為空間坐標(biāo))。

圖11 爆炸聲源距接收平臺(tái)80 km的探測(cè)曲線

張朝金等[109]提出了一種基于半經(jīng)驗(yàn)公式與匹配場(chǎng)聯(lián)合處理的單陣元爆炸聲源快速定位方法。該方法在匹配場(chǎng)定位的基礎(chǔ)上, 根據(jù)沖擊波峰值和氣泡脈動(dòng)周期測(cè)量值、水下爆炸半經(jīng)驗(yàn)公式與多途時(shí)延差建立代價(jià)函數(shù), 實(shí)現(xiàn)了用單陣元在近距離爆炸聲源的深度和距離精確反演。該方法指出, 一次氣泡脈動(dòng)周期與多途時(shí)延差的聯(lián)合匹配可提高對(duì)爆炸聲源深度的估計(jì)精度, 且沖擊波峰值與多途時(shí)延差的聯(lián)合匹配可提高對(duì)距離的估計(jì)精度。

4.2 水聲對(duì)抗

水下爆炸噪聲不僅聲源級(jí)高, 而且頻帶寬, 特別在低頻段具有很強(qiáng)的聲功率, 是良好的水下聲干擾源, 不僅能對(duì)在高頻聲頻帶工作的魚雷自導(dǎo)系統(tǒng)實(shí)施干擾, 而且能對(duì)在低頻工作的聲吶實(shí)施干擾。水下爆炸產(chǎn)生的聲信號(hào)從幾十赫茲到 50 kHz以上都有相當(dāng)強(qiáng)的聲功率, 可完全覆蓋目前世界上魚雷聲自導(dǎo)系統(tǒng)的各個(gè)工作頻段, 使魚雷聲自導(dǎo)系統(tǒng)產(chǎn)生偵聽飽和、阻塞抑制, 使自導(dǎo)跟蹤失去目標(biāo)接觸。

李繼民[110]用水下連續(xù)爆炸聲信號(hào)分別對(duì)某型號(hào)國產(chǎn)魚雷和從國外引進(jìn)的A244/S型魚雷進(jìn)行對(duì)抗試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明, 無指向性的水下連續(xù)爆炸聲信號(hào)能夠使魚雷丟失目標(biāo)并不斷重新搜索目標(biāo)。特別地, 當(dāng)水下爆炸出現(xiàn)在魚雷和目標(biāo)之間時(shí), 聲自導(dǎo)魚雷即使是現(xiàn)代智能化的自導(dǎo)魚雷也難以在此噪聲背景下區(qū)分出有效信號(hào), 更無法對(duì)目標(biāo)回波信號(hào)的前后沿陡度、形狀和距離進(jìn)行邏輯判別。

曾星星[111]、裴善報(bào)[74]以主動(dòng)聲制導(dǎo)魚雷自導(dǎo)探測(cè)距離平均下降率為水下爆炸聲干擾彈對(duì)抗效果的評(píng)價(jià)指標(biāo), 建立了魚雷自導(dǎo)探測(cè)模型, 并分別對(duì)不同海況、魚雷航行深度、干擾彈裝藥量等因素影響下的魚雷自導(dǎo)探測(cè)距離進(jìn)行了仿真, 結(jié)果如圖12所示。仿真結(jié)果表明水下爆炸聲干擾彈產(chǎn)生的噪聲信號(hào)能夠?qū)χ鲃?dòng)聲吶起到很好的干擾效果, 尤其是在海況好、航深大的情況下自導(dǎo)探測(cè)距離下降率能夠接近50%。

鑒于單個(gè)水下爆炸藥包難以形成長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間的低頻輻射壓力信號(hào), Kedrinskii[112]在其著作中引述了幾種索式水下爆炸聲源, 通過給定時(shí)間間隔單獨(dú)或連續(xù)地起爆, 在水中產(chǎn)生了一系列脈沖式?jīng)_擊波和強(qiáng)混響聲。其中一種爆炸聲源將一系列高爆炸藥包按照鏈?zhǔn)酱怪迸帕? 另一種爆炸聲源將炸藥制成爆炸索并螺旋纏繞。螺旋纏繞爆炸索產(chǎn)生的典型信號(hào)如圖13所示。盛振新[15]、裴善報(bào)[74]將10個(gè)爆炸單元用纜繩串聯(lián)后設(shè)定一定的時(shí)間間隔連續(xù)起爆, 同樣形成了類似于圖13所示的連續(xù)脈沖信號(hào), 有效干擾時(shí)間可達(dá)秒級(jí)。

圖13 扁平螺旋裝藥水下爆炸時(shí)的水聲信號(hào)

4.3 海洋預(yù)報(bào)

全球業(yè)務(wù)化海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)以海洋動(dòng)力數(shù)值模式作為動(dòng)力框架, 將近實(shí)時(shí)高質(zhì)量的觀測(cè)場(chǎng)通過資料同化輸入到模式中, 實(shí)現(xiàn)對(duì)全球范圍多時(shí)空尺度海洋狀況的預(yù)報(bào)。海洋環(huán)境的參數(shù)反演是海洋預(yù)報(bào)環(huán)節(jié)中不可缺少的重要步驟。

海底聲學(xué)參數(shù)如海底密度、聲速和聲衰減等是利用聲學(xué)研究海底的重要指標(biāo), 與海底物理特性有著密切的關(guān)系。對(duì)海底直接取樣, 價(jià)格昂貴, 速度慢, 且只能提供離散點(diǎn)的信息, 而通過信噪比較高的爆炸聲回波反演海底聲學(xué)參數(shù)可以消除海底直接取樣所面臨的大部分問題, 越來越受到人們的關(guān)注。海底聲學(xué)參數(shù)反演試驗(yàn)布置一般如圖14所示。

圖14 海底參數(shù)反演試驗(yàn)示意圖

商德江等[113]在中國北海海區(qū)使用手榴彈作為爆炸聲源進(jìn)行了海底參數(shù)反演試驗(yàn), 反演過程中, 根據(jù)本地混響試驗(yàn)時(shí)所投的爆炸聲信號(hào)的直達(dá)波和海底反射波的功率譜得到不同頻率下的垂直反射系數(shù)幅值, 結(jié)合Hamilton經(jīng)驗(yàn)公式反演了海底的聲速和密度。

周鴻濤等[114]利用2014年在南中國海開展的定深爆炸聲信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行海底地聲參數(shù)反演, 反演過程中考慮到不同海底聲參數(shù)對(duì)不同聲場(chǎng)物理參數(shù)的敏感程度不同、不同海底聲參數(shù)對(duì)不同反演方法的敏感程度亦不同的特征, 綜合應(yīng)用了3種不同反演方法得到了海底聲阻抗、沉積物聲速、沉積物密度和海底沉積層厚度等地質(zhì)聲參數(shù)。

徐東等[115]考慮到爆炸聲源的二次脈動(dòng)時(shí)間只與爆炸深度和炸藥當(dāng)量有關(guān), 利用濾去二次脈動(dòng)和海面反射信號(hào)的爆炸聲, 結(jié)合射線模型反演了沉積層的聲速和厚度, 并根據(jù)Hamilton經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到了沉積層密度。

5 展望

綜上所述, 在工程界和學(xué)術(shù)界, 國內(nèi)外學(xué)者對(duì)水下爆炸及其聲學(xué)效應(yīng)進(jìn)行了大量的理論、試驗(yàn)研究和探索, 盡管相關(guān)研究取得了重要進(jìn)展, 但在諸多方面仍然面臨新的挑戰(zhàn), 水下爆炸聲源技術(shù)的研究工作在以下幾個(gè)方面仍有待于加強(qiáng), 主要包括:

1) 水下爆炸聲源的能量輸出特性與典型炸藥材料尤其是新型高能非理想含鋁炸藥的裝藥結(jié)構(gòu)、起爆狀態(tài)的量化關(guān)系尚不明確, 從水下爆炸動(dòng)力學(xué)理論和波動(dòng)理論等方面深入闡述高能炸藥材料水下爆炸的能量轉(zhuǎn)換機(jī)制和致聲機(jī)理方面的研究較為缺乏;

2) 對(duì)于水下爆炸聲混響效應(yīng)的評(píng)估和表征多依賴于水下爆炸試驗(yàn)方法, 缺乏綜合考慮爆炸聲信號(hào)時(shí)空特性和水域界面效應(yīng)的水下爆炸聲混響強(qiáng)度預(yù)報(bào)表征方法。HHT等信號(hào)分析方法在水下爆炸的應(yīng)用愈發(fā)廣泛, 但仍存在包絡(luò)定義、模態(tài)混疊現(xiàn)象等許多問題, 需要研究適合水下爆炸聲的寬帶非平穩(wěn)信號(hào)分析方法;

3)陣列式水下多脈沖爆炸強(qiáng)噪聲源的致聲機(jī)理及工程應(yīng)用尚處于探索研究階段, 對(duì)于水下多脈沖爆炸聲混響效應(yīng)的表征評(píng)估及應(yīng)用有待于進(jìn)一步拓展, 多脈沖爆炸單元在不同空間陣列散布形式、不同水下爆炸界面的聲學(xué)特性以及多個(gè)裝藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波之間相互作用規(guī)律方面的研究尚不完善。

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Progress and Prospect of the Acoustic Effects of Underwater Explosions

GUORui, YU Yang-hui

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Sound sources generated by underwater explosions exhibit the characteristics of high power, wide frequency band, and nondirectivity and are applicable to marine resource detection, hydrological environment inversion, underwater small stealthy target detection, and underwater acoustic countermeasures. Herein, information on the acoustic radiation mechanisms of two features of sound sources, namely, shock waves and ideal bubble pulses, are summarized. Underwater acoustic propagation and reverberation models used to describe the propagation and reverberation effect of the underwater explosion sound sources in the acoustic field model are analyzed; additionally, an overview of typical signal analysis methods and the acoustic characteristics of the sound sources is presented. In addition to the characteristics of the sound sources, typical engineering applications of underwater explosions are introduced. Finally, some future developments of investigations pertaining to the acoustic effects of underwater explosions based on high-explosive materials, the reverberation prediction of explosions, and the engineering applications of sound sources generated by arrays of multipulse explosions are presented. This review can serve as a reference for future studies related to the acoustic effects of underwater explosions.

underwater explosion; sound generating mechanisms; acoustic field model; acoustic characteristic

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TJ6; U674.7; O427.9

R

2096-3920(2022)03-0266-17

10.11993/j.issn.2096-3920.2022.03.001

2022-05-10;

2022-06-06.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(11972197).

郭 銳(1980-), 男, 博士, 教授, 主要研究方向?yàn)樗卤晫W(xué)效應(yīng).

(責(zé)任編輯: 楊力軍)