声学论文
摘 要： 根据海洋水声环境的常见现象，分析海洋水声环境在水声探测设备应用环节存在的影响，研究操作水声探测设备的有效方法，旨在加强海域探测能力。
关键词： 海洋水声环境; 水声探测设备; 海洋内波; 中尺度海洋涡旋;
Abstract： This paper discusses the common phenomena of the marine acoustic environment, analyzes the influence of the marine acoustic environment on the application of the underwater acoustic detection equipment, and studies the effective methods of operating the underwater acoustic detection equipment to strengthen the sea area detection capability.
Keyword： marine acoustic environment; underwater acoustic detection equipment; marine internal wave; mesoscale marine vortex;
引言
海洋占据地球表面约70%的面积，是人类开展交通运输、军事斗争和获取资源的场所。这就必须有观测、通讯、导航、定位的工具。开展海洋水声环境的探测工作，一般会运用到电磁波、光学仪器等，由于电磁波等在海水中衰减过大，不能进行远距离传播，故这一类设备在目标探测中存在限制，导致功能发挥被限制。为了采集海洋水声环境的信息，建议采用水声探测设备。但是结合实际情况发现，海洋水声环境对于水声探测设备的应用有一定影响，这些影响的存在直接关系到信息的准确性。所以，下面重点围绕海洋水声环境对水声探测设备的应用进行论述。
1 、海洋水声环境的常见现象
1.1、 中尺度海洋涡旋
这里提到的中尺度涡主要是指具有某种特性的水团在其他属性水体的包围下，导致发生封闭顺时针、反时针旋转运动，在海洋环境内呈现中尺度特点。大洋环境内的海流流系两侧有环流性涡旋的存在，这种环流性涡旋便是中尺度涡[1]。这种形式的涡旋直径在100～200 km之间，涡流流速在2～3.9 kN区间内，影响深度与持续时间较大。
1.2 、海洋锋
海洋锋是比较常见的海洋水声环境之一，也可以直接理解为多个水团形成的边界线，或者海洋环境参数跃变带。通常海洋锋持续时间并不固定，且周围有流场，和锋的流分量为平行状态，而垂直于锋方向有时会产生水平切变。
1.3、 海面波动
受到海面上风的影响会形成波浪，具有周期性与随机起伏性的特征。如果水内声波传播至起伏海面，会形成散射波，导致能量方面的损失。
1.4、 海洋内波
在海洋水声环境中，除了海面波动以外，海洋内部波动也比较常见，即海洋内波。海洋的密度层化海水在外力干扰影响下，会在海水内部形成波动，这种波动的最大振幅产生于海洋内部，波形特殊，传播距离远，且具有随机性的特点，波动的周期持续几分钟、数十小时不等，振幅在几米到百米量级之间[2]。结合实践分析海洋内波的原因，总结为两点：其一是海水的稳定分层、密度层化，这是形成海洋内波的必要前提。如果密度层化强度降低，那么内波频率和传播速度也会随之减小；其二是扰动问题，海表层如果有风的存在，或者在海流与地震等的影响下，会在海底形成剧烈的震动，进而导致海洋内波。
1.5 、海底
海底根据不同地形主要有四类：一是阶梯类。阶梯类海底存在于浅海环境，是水声探测的主要影响因素。二是海沟类。海沟类海底对于水声探测设备的影响集中于浅海海区。三是斜坡类。该类型可能带来的影响主要表现在过渡海区、浅海海区。四是海山类。对深海海区、强切割海区的水声探测设备有影响。
2、 海洋水声环境在水声探测设备应用环节存在的影响
2.1 、降低水声探测精准性
如果海域附近的水声环境比较复杂，并且有黑潮现象存在，在黑潮水、温度较低的陆架水交界处，水平温度也会有明显变化，这是海洋锋的形成条件。黑潮搅拌剧烈，有可能会形成涡旋，空间尺度多达数百公里，时间尺度跨度也非常大，所以海洋学领域将其认定为中尺度现象[3]。与之相似的现象还包括近岸潮汐锋与涌升流锋。一旦形成海洋锋，会在水下形成一道声屏障，不仅会导致声线弯曲，还无法保证水声探测设备探测的精准度，这是对水声探测设备的直接影响。
2.2、 深海会聚区影响探测信号传输
当声源和接收装置全都位于海洋近表层时，声源发出的声波经过深海海水的反射后会折回海面，并在间隔60～70 km的区域范围内形成较高声强环带状区域，称之为深海会聚区。通过会聚区效应监测目标信号，可以发现两个特征：一是目标信号直接出现与消失。这与声会聚区、影区有直接关系，因为装载平台、目标均处在运动状态下，相互态势也是不断变化的，如果此时突然出现目标信号代表目标已经驶入到声会聚区内，若目标信号再次突然消失，则代表已经离开目标声会聚区域驶入影区。二是目标信号的持续时间有限。一般目标信号只能持续几分钟，其原因在于装载平台、目标为相对运动的过程，会聚区域的范围有限。
2.3、 威胁舰船航行安全
中尺度涡作为海洋环境中比较常见的一种中尺度现象，在强环流、温度、声速结构等方面有显着特征，所以难免会对航行状态下的舰船安全造成威胁。一方面，舰船开始各项行动前需要全面分析活动海域内的海洋涡分布，确定海洋涡是否存在、判断海洋涡属性与作用范围等；另一方面，若活动海域范围内存在海洋涡，布设水声探测设备时，要针对目标位置将其设置在偏冷一侧，如果海洋涡为冷涡，那么水声探测设备要远离涡中心位置，若遇暖涡时建议布设在涡中心。
3、 操作水声探测设备的有效方法
3.1、 采用低频探测确定目标
为了能够更加准确地完成目标探测，科考、测量船会提前准备各个型号的水声探测设备，且各种探测设备有适合的工作频段。在开展目标探测的过程中，采用不同的设备，可以对水中传播各个频段的水声信号进行接收与处理。根据掌握的水声专业知识，可以确定水内声波的传播距离与频率关系非常紧密，如果声波的传播频率高，那么其在水中传播期间能量衰减的速度也会加快，传播距离、作用范围反而会缩小。反之，声波的传播频率低，在水内传播期间能量衰减速度减缓，传播距离与作用范围扩大。通常船只目标处于航行状态下，低频螺旋桨噪声会发出辐射噪声，所以为了能够尽快判断噪声目标，工作人员可以采用低频探测设备搜索附近海域，或者将水声探测设备调整至低工作频段，这样可以保证探测目标的效率与准确性。
3.2 、判断目标运动的方向与速度
如果水声探测设备在操作过程中，针对目标噪声进行跟踪，建议实时描绘出运动轨迹。等间隔描绘可以将目标方位的改变真实呈现出来，将其与所在船只运动轨迹对比，便可以大概判断目标运动方向。
4、 结语
海洋水声环境是水声探测设备实际应用的重要影响因素，操作人员需要切实掌握比较常见的几种水声环境现象，以便在目标探测环节能够及时分析周围环境，作出正确的判断，以免因为海洋水声环境了解程度不足而影响到探测设备的使用，降低探测目标的准确性。
参考文献
[1]张庆国，黄其培，汤志峰，等.用于水声探测的小型ROV系统设计与实现[J].海洋工程装备与技术，2019(5):698-707.
[2]笪良龙，过武宏，崔宝龙，等.海洋水声环境敏感区诊断与适应性观测研究进展[J].应用声学，2019(4):553-561.
[3]张英东，黄俊斌，顾宏灿，等.弱反射光纤光栅水听器水声探测机理研究[J].舰船电子工程，2018(12):180-184.