海军武器工程导论

声纳传播

由于声波的传播速度取决于介质（即海水）的性质，声纳的传播将变得复杂。事实上非常复杂，如果不使用计算机模型就不可能准确预测。然而，声纳系统严重依赖操作员的输入和控制，以最大限度地提高其性能。关于携带声纳系统的船舶操纵的许多决定也将影响声纳的性能。因此，详细了解声纳传播的显著特征对于成功使用声纳至关重要。我们从传输损耗的简单模型开始。

传输损耗公式

可以预测传输损耗（TL），以非常粗略的程度，仅仅是在几个因素的基础上。这些因素是范围和频率。

范围效果

最简单的情况是假设所有的声能在各个方向上都是均匀分布的，这与光电和雷达中使用的情况相同。这在声纳中被称为球形扩散损失，因为强度会与球体的表面积成正比。

图1所示。球面扩散。

由于能量在范围内分布的区域，是4PR²，则可计算出任意两个不同范围的强度等级之比。如果我们取分贝当量，取第一个量程为一米，这恰好是源能级的定义处，我们得到TL的球形传播损耗f部分:

热释光_球形= -10日志{i（r）/ i（1 m）} = -10 log {1 / r²}

热释光_球形= 20 Log(R)。

由于TL被定义为正数，因此包括负标志，并在SNR方程中减去。

当声能到达海洋表面或海底时，通常会被反射回来。在较长的距离内，所有的声能都将局限在两个平面之间，一个在表面，另一个在底部。因此，能量不再像球面扩散那样扩散，而是变成了圆柱形扩散．

图2.圆柱形扩展。

现在，能量分布的区域直接变化，范围，R。共同因素将取消，并且两个范围之间的传输损耗将为10个log（r）。明确地这意味着

SPL(右₂) = SPL (R₁) - 10log (R₂/ R₁)．

如果我们能选择R就好了₁是一个米，其中spl（r₁）= SL，但这将是不正确的。这将是类似于从一米开始的圆柱形的扩散损失。显然，在水深大于范围的地区，散布必须是球形的。

现在的问题成为：球形和圆柱形壳体之间的扩散损耗过渡的范围是什么。如果源位于中间的源泉（表面和底部之间的中途），那么当范围是水深时，它似乎是合理的，因为这是当球体的表面触摸底部时和顶部。过渡范围取决于源极和水深的位置。出于目的，我们假设过渡范围为1000米，因为平均海洋深度约为2000米。

在1000米处，透射损耗仅为球形扩展为60 dB。将此作为圆柱形扩展的起点，我们可以通过将30 dB添加到10对数（R）扩展来将两个方程贴在一起。这是证明的：

热释光_球形（在1000 m）= 20 log（1000）= 60 dB

热释光_圆柱(在1000米处)= 10 Log(1000) = 30 dB

如果我们希望应用TL_圆柱公式从1m开始，然后我们必须加上1000m处的差值，因此

热释光_圆柱（R） =10对数（R）+30分贝(R>1000米时有效）

在不到1000米的范围内，必须使用传播扩展丢失公式，TL_球形=20对数（R）。

吸收/散射

像电光的空气一样，源和接收器之间的中间水将吸收通过它的一些声能。对范围的依赖将与Bougher的法律相同，但现在以分贝形式：

TL._{防抱死制动系统}= - 10日志（e^-BR）=（10BR)

哪里B为消光系数。在吸收系数的定义中吸收了因子10和一个单位换算成km，A.B/ 100,所以

TL._{防抱死制动系统}＝A.R。



哪里A.单位是dB/km。吸收系数与频率有很强的相关性，这意味着在更高的频率上损耗更大。吸收系数可由以下公式计算:




其中f处于kHz中，结果是DB / Km。

或使用图形：

图3.吸收系数
作为频率的函数。

其他损失

在传播时，许多其他事情可能发生在声波上。例如，能量可能散射颗粒或生物学。从表面和底部的反射反射时会丢失能量。最后，到目前为止，所有的最大因素都是由于温度，深度和盐度的速度变化导致传播的变化。速度的变化倾向于扭曲波前的完美球形或圆柱形状。但是，这始终导致更大的传输损耗。正如我们很快就会看到，有许多条件往往会集中声能，导致低于预期的传输损失。

刚刚讨论的所有这些因素都可以被列入一个术语，一个叫做传输损耗异常. 这当然是人为的，只是为了能够写出一个完整的TL方程才使用。所有与预测结果的偏差都可以用术语a来解释。这样写的方程式是

tl = 10 log（r）+ 30 +A.R +一个

如果您忽略了最后两种术语，则依赖范围依赖性非常直，并且可用于生成一些拇指规则：

TL 60 dB达1公里

10公里时的TL 70 dB

100公里时TL为80 dB。

这是基于球形和圆柱形扩散损失，假设源正好在2000米深水中的中间。在实践中发现的是什么，是关于这些基线数字的变化。这也可以以图形形式，TL与范围示出。

图4。几何
传输损耗曲线。

传播路径

为了进一步了解环境如何影响传播，我们首先研究海洋中传播速度的变化。

声速概况（SVP）

最大的变化是水中的声速发生变化是深度。显然，压力随深度增加，导致每100米均匀增加+ 1.7米/秒。此外，环境温度随深度而变化。作为深度函数的传播速度（速度）的图称为声速概况它是预测声音传播方式的基本工具。忽略盐度，SVP可从不同深度的环境温度取样获得（压力贡献从不变化）。一种廉价的探针被称为一次性地热仪（XBT）。生成的SVP如下所示：

图5. OEAN图层。

高级副总裁揭示了海洋的一些常见结构。水可分为三个垂直区域。

表面（季节性）层位于顶部，是最可变的部分。顾名思义，个人资料将根据日期（昼夜变异）和季节（季节性变化）而变化。在白天，来自太阳（Insolation）的热量使得在顶部的水比下面的水更温暖。由于感冒的温暖条件稳定，因此条件非常常见。下午晚些时候，特别是在一个明亮的一天，表面温度将是最大的，因此人们会期待最大的梯度（随着深度的变化）。

图6.气温的日变化
SVP。

主要的温跃层将季节层与深海中均匀的冷水连接起来。在500米以下，世界上所有的海洋都在34米左右^oF.深等温区的正梯度完全是由于压力效应。

在夏季，季节层倾向于有强烈的负梯度，这与解释日变化的原因相同。所以夏天的资料是这样的:

图7.夏季SVP。

冬天，水一般比空气暖和。大量热量通过平流和辐射损失。然而，人们不会期望看到冷水在温水之上停留很长时间。对流将温水带到表面，破坏了这种效果。表面层比其他任何东西都更接近等温。此外，强烈的冬季风暴和它们的大浪经常将表层混合到高达100米的深度。对于接近等温的表层，可以预期主温跃层上方存在弱正梯度。

图8.冬季SVP。

雷追踪

具有深度的传播速度的变化将通过声音的折射表示自身。说明效果的图形方法称为射线跟踪。基本思想是将垂直于波端的线绘制并遵循其路径。对于典型的声纳阵列，这些行在阵列的光束能力（在下一章中讨论）时同样地间隔开。

图9。射线跟踪。

光线越深，就开始折射。回想一下折射率的差异（折射率是传播速度的一种度量）是如何影响电磁波的。当光线进入传播速度较慢的介质时，它们会变得更垂直。总的来说，光线将以负梯度向下偏转。

图10。-高级
坡度

正如您可能期望的那样，当梯度是积极的时，就会发生相反的效果。由于光线进入更深的水，因此传播速度增加并且光线向上弯曲。

图11.正SVP梯度。


所有光线都将向上偏转。当光线到达表面时，光线将向下反射，同样的过程再次开始。自然，一些能量会损失，反射也会消失，但总体效果是将声音捕获在地表以下相对较小的一层中。声音无法到达更深的区域，因此传输比圆柱形传播预期的要少。这种效应称为表面管道．

图12.表面管道。

在正梯度和负梯度的组合期间发生其他常见的传播模式。在负梯度上的正渐变产生了一种特殊的传播，其中光线在边界处分裂，称为层. 聚焦在该层上的最大声速深度称为层深（ld）。

图13。声波层。

在该层之上，正梯度将产生如上所述的表面管道。当光线穿透层以下时，它们会向下偏转。因此，光线在层的上方和下方发散。超过一定的最小范围，来自光源的光线将永远不会到达层下的位置。这就是所谓的影子区。正是因为这个原因，它是潜艇工作的最佳深度。最佳操作深度，称为最佳深度(BD)，是层深度的函数。由此可以计算出最佳深度






在负梯度大于正梯度的情况下，从边界发出的光线，无论向上还是向下，都会偏转回中间。这形成了一个良好的渠道，然后光线被限制在轴的上方和下方的小区域，称为声道轴．

图14.声道。

声道对于从表面开始的光线不工作，就像在其他情况下一样。源必须位于轴附近。一些声纳系统的特点是允许它们被放置在声音通道轴线附近。例如，一种小型的、独立的声纳系统，设置在一个典型的声道轴深度。


另一种特殊类型的传播发生在水深如此之深的时候，以致于在水深等温层中发现的正梯度使声音不向上偏转而不能到达底部。这种情况需要至少200米的距离深度超过它被定义为

深度超出：从声道下边界到底部的距离。

当所有的声射线返回到近表面时，它们往往会聚成一个小区域。因此，在这个被称为a的区域，声压级急剧增加融合区域（捷克）。

图15.融合
区。

会聚区往往距离较远，通常距离源20-30 nm。可能有多个会聚区，这些会聚区将定期出现。例如，如果第一个CZ为30 nm，则第二个CZ为60 nm。CZ只有几英里宽，因此，通过会聚区获得的接触往往会快速出现和消失。

由于常规传输损耗但多个收敛区域，船舶可能有可能具有相当有限的声纳范围。这些区域形成了船的保护环。在通过各种融合区域的过程中，将检测到船上的敌对潜水艇关闭，从而提醒船舶的存在。然后，该船可以部署像直升机这样的移动ASW资产来处理潜艇。

图16。CZ的环。

最后一种传播发生在声音从海底强烈反射的时候。光线趋向于在表面附近收敛，从而减少了传输损耗。这就是所谓的底部弹跳传播。由于入射角度较大，从底部反弹的光线可以从其他光线中识别出来。典型的底界进入声纳的角度超过30度^o从水平。

图17.底部反弹。

只有某些海底条件才有利于海底反弹传播。平坦和坚硬的海底往往是最好的。另一方面，软泥是最糟糕的。

优点

由于声波在海洋中的传播相当复杂，因此使用传输损耗公式的精度有限。计算机模型可以用来生成更精确的TL曲线图，作为范围的函数，称为传输损耗曲线。这是一条典型的TL曲线，显示了刚才讨论的一些特征：

图18.典型的TL
曲线。

与几何TL(球形和圆柱形传播损耗)相比，你会注意到在某些范围内，TL实际上随着范围的增加而下降。在这些地方，海洋的折射效应导致声音射线集中。这个例子说明了底界和CZ的作用。

鉴于准确的传输损耗曲线，我们现在处于估计声纳系统的最大检测范围的位置。回想一下，可以随时检测

信噪比< DT。

要解决范围，我们只需要重新排列术语来隔离范围依赖性。对于被动案例，定义优点，FOM

f_被动的SL + DI - NL - DT

现在的检测准则是

FOM> TL。

这导致了以下解释:

优点（FOM）的数字是系统可以具有并且仍然能够检测目标的最大传输损耗（在50％的时间）。

如果已知FOM，则可通过将FOM绘制为TL曲线上的水平线来确定最大范围。FOM>TL的所有范围（记住TL在向下方向上增加）都是可检测的。

图19所示。确定
最大探测范围从FOM。

在本例中，FOM=75 dB。从图中可以明显看出，FOM>TL的最大探测距离小于18km。

f_活跃的Sl + ts + di - nl - dt

对于有源系统，存在（至少）两个并发症。首先，修改了FOM

其次，由于声音向目标和背部行驶，传输损耗发生了两次。您可以使用单独的曲线，其中TL与范围两倍，或者或者，使用FOM的一半，这是一个首选方法。因此，对于活动系统，检测标准是：


FOM>2 TL或FOM/2>TL。

因此，您计算FOM，然后在TL曲线上绘制FOM / 2以以相同的方式获得范围。