2.3.2 声速梯度的影响
图2-2 海洋环境噪声级与被动声呐浮标作用距离的关系
声速是一个非常重要的海洋环境要素,它决定声波的传播路线,并影响其他声学现象。声线在传播时不断改变路线,向速度更慢的方向折射。海水的物理性质有垂直分布的特点,将声传播速度发生极大变化的水层称为声跃变层。声速剖面结构对声传播路线的影响有直线、向海底偏转、向海面偏转、分裂衍射和声道传播等模式。声波以“向海面偏转”和“声道传播”模式传播时,通过反复折射和反射,声波被束缚在声道和近海面区域,形成声道效应和海面波导效应。通常把声波在海洋环境下所呈现的普遍和异常变化特征称为水声环境效应。海洋水声环境是比大气更具地域性、更多变且参数变化值更大的复杂环境。海洋中的跃层、锋面、内波、中尺度涡旋、海底地形、海底底质等对声传播都会造成强烈影响。水声装备效能在复杂海洋环境中都将产生或强或弱的不稳定变化,甚至导致声呐系统出现盲区或弱视区,严重影响声呐的远程探测。
海洋条件复杂多变,声传播损失不仅随距离变化,而且随深度变化,这就意味着声呐浮标工作时,在不同深度的探测距离是不一样的。根据不同的实际海洋环境,将浮标换能器基阵置于最合适的深度进行工作,才能发挥其最大的探测能力。海洋环境对声呐浮标作用距离的影响主要表现在声速梯度、海区深度、海底底质和海况等方面。在等温层或弱负梯度层环境下,声波基本为直线传播,声波能量在空间分布比较均匀,此时声呐作用距离只取决于声呐系统本身和目标声学特性[73]。但在非良好水文条件下的声波不是直线传播,声波能量在空间也不是均匀分布的,这时声呐系统作用距离还与声速梯度、声呐深度和目标深度有必然关系,其中声速梯度对作用距离的影响最大[74]。
在第二次世界大战中,某些声呐操作员发现,声呐设备的探测距离随季节和一天中的早、中、晚都会发生变化[75]。这种现象被称为午后效应,主要是因为声波传播的速度与水温有关。水温升高1℃,声速增加4.5m/s[76];下午阳光的直射使得上层5～9m深的海水温度上升1～2℃;而下层海水的温度随深度增加而迅速降低。这就造成图2-3所示的反声道型声速梯度模式。根据SHELL定律[77],声线传播时弯向声速较低的一面,由于声线弯曲,因此声呐的探测距离受到限制。当声速按负梯度分布时,声线向海底方向弯曲,造成的声影区如图2-3所示。由图可知,当潜艇位于声影区时,即使距离声源很近,声呐也难以发现潜艇。当潜艇位于海水上层时,有利于发挥声呐设备的最大效能[63]。
图2-3 声线传播特性示意图
声速梯度类型对声传播有很大影响,它决定了海洋中的声传播特性。根据文献[73]、[74],在此假定声速剖面是线性分层的,将声速剖面垂直分布划分为6种类型,如图2-4所示。这6种类型从理论原则上进行分类指导,具有理论指导意义。但是这些类型只是理论上的抽象分类,在实际的海洋环境中,声线剖面可能更复杂,所以在实际使用中需要结合具体的海域水声环境特点来确定具体的声速类型。
图2-4 声速剖面垂直分布类型示意图
Ⅰ型声速梯度称为正梯度,有利于浮标探测;Ⅱ型声速梯度称为反声道,有利于浮标探测位于正梯度层的潜艇,但不利于浮标探测位于负梯度层的潜艇;Ⅲ型和Ⅳ型声速梯度称为跃变层,当浮标和潜艇位于跃变层的上下不同位置时,将极度不利于浮标的探测;Ⅴ型声速梯度称为负梯度,不利于浮标探测;Ⅵ型声速梯度称为声道,有利于浮标探测位于声道轴附近的潜艇[63]。在中纬度的深海海洋环境中,可能出现Ⅲ型和Ⅳ型声速垂直剖面;在两极海域,可能出现Ⅰ型声速垂直剖面;其他类型基本不出现在深海海洋环境中[73]。在浅海环境,这6种类型都可能出现,但与深海环境相比,声速梯度小很多。我国近海区域属于浅海反潜海区,声速梯度的特点有明显的季节性。一般而言,冬季出现微弱的正梯度,即Ⅰ型声速梯度;夏季出现温跃层,即Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅵ型声速梯度;冬春之交出现负梯度,即Ⅴ型声速梯度。判断所处海域声线剖面类型更为准确的方法是根据海区声线剖面历史数据进行分析。
在海洋表面,受海面的冷热交换和风浪的搅拌作用,在海洋表面以下一定深度内的水温基本不变,形成混合层;混合层的深度在不同的海域各不相同,对应到声线剖面上,由于水温不变,因此海水的声速主要受压力的影响,随深度增加而缓慢增大,形成一个声速梯度为正梯度的声学层,该层的最大深度称为声学层深度[73]。在混合层下,随着深度的增加,水温急剧降低,形成温跃层,对应的声线剖面上出现一个负梯度的声速层。随着深度的继续增加,到一定深度,海水上下层的热量交换基本达到平衡,水温基本不变直至海底,形成深海等温层,反映在声线剖面上,受海水的静压力影响,声速随深度增大[73]。当声呐浮标的换能器置于等温层中(或者表面混合层中,或者深海声道轴附近)时,换能器可以获得最大的作用距离。实际上,换能器的工作深度是可以选择的。由于声速梯度的分布和声呐处于不同的深度,所以声呐发出的声线中只有一部分声线通过海水中的某一个局域范围。因此,声线轨迹图上声线密度较大的区域,传播到的声能量较大,传播损失较小;反之,在声线密度较小的区域,传播到的声能量较小,传播损失较大[78]。在其他条件不变的情况下,某一点的传播损失越小,那么声呐就越容易发现该处的目标。因此,通过声线轨迹图可以指导给出声呐浮标的最佳工作深度。根据声速垂直分布情况,合理地选择浮标换能器的工作深度将极大影响搜潜效果。但是,换能器的最佳工作深度并非仅由介质的声速垂直分布决定,它还与潜艇所在的深度有关。换能器最好与潜艇大致在同一深度,这样,不管潜艇在均匀层上还是在声道中,都能获得比较好的探测效果。