掩埋水雷在不同海底和掩埋深度的聲衰減建模

李通旭,張效民,韓沖,陳瑜

(1.西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院,陜西西安 710072;2.浙江大學(xué)城市學(xué)院,浙江杭州 310015）

掩埋水雷在不同海底和掩埋深度的聲衰減建模

李通旭1,張效民1,韓沖1,陳瑜2

(1.西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院,陜西西安 710072;2.浙江大學(xué)城市學(xué)院,浙江杭州 310015）

采用Biot-Stoll海底模型分別預(yù)測(cè)了聲波在粗沙、沙質(zhì)泥和粘土質(zhì)泥3種典型海底的聲衰減系數(shù)與聲透射系數(shù),通過(guò)研究多種海底的聲傳播特性,建立了掩埋條件下水雷在不同海底和不同掩埋深度的聲衰減模型,分析了掩埋對(duì)水雷聲引信性能的影響。研究結(jié)果表明:不同的海底底質(zhì)、不同的掩埋深度和不同的引信工作頻段都會(huì)在不同程度下影響水雷聲引信的工作性能,在相同的掩埋深度下,10 Hz～5 kHz引信頻帶內(nèi),粗沙海底對(duì)聲引信的影響最大,粘土質(zhì)泥對(duì)聲引信的影響最小,隨著海底底質(zhì)平均顆粒直徑的減小和孔隙度的增加,掩埋對(duì)聲引信的影響有逐漸減小的趨勢(shì)。

兵器科學(xué)與技術(shù);掩埋水雷;Biot-Stoll模型;聲衰減;聲引信

0 引言

水聲場(chǎng)是水雷引信探測(cè)識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)用的物理場(chǎng)之一,艦船輻射噪聲對(duì)水雷目標(biāo)探測(cè)識(shí)別具有十分重要的意義。然而,沉底雷被布放一段時(shí)間后,由于受海況、潮流、海底底質(zhì)及雷體形狀等因素的影響,會(huì)產(chǎn)生被泥沙等海底沉積物掩埋的現(xiàn)象。掩埋對(duì)水雷武器的影響是雙重的,一方面它能使敵方的反水雷作戰(zhàn)特別是獵雷行動(dòng)難度增加,目前獵雷基本采用獵雷聲納為主要手段,而掩埋水雷改變了自身的聲納特性,影響了獵雷的作戰(zhàn)效果;另一方面掩埋水雷在隱蔽自身不被發(fā)現(xiàn)的同時(shí)也減弱了其探測(cè)信號(hào)的能力,如果掩埋過(guò)深甚至?xí)屗淄耆?從而降低水雷的作戰(zhàn)效能。因此需要深入研究掩埋對(duì)水雷引信性能的影響,探索新技術(shù)、新方法,以確保并提升掩埋條件下水雷對(duì)目標(biāo)的探測(cè)能力,確保雷區(qū)的戰(zhàn)斗可靠性。

我國(guó)在水雷掩埋的探測(cè)上缺乏對(duì)水雷掩埋尤其是水雷掩埋預(yù)測(cè)及其相關(guān)問(wèn)題的系統(tǒng)性、專項(xiàng)性的研究。無(wú)論是在水雷掩埋過(guò)程的基礎(chǔ)物理研究,還是研究方法工具上,我國(guó)與西方國(guó)家都有較大的差距。掩埋條件下水雷利用被動(dòng)聲引信探測(cè)目標(biāo),艦船噪聲必須要穿透掩埋物才能被接收水聽器接收。由于聲波透射到沉積層會(huì)產(chǎn)生能量損失,而且聲波在海底沉積物中衰減大,因此針對(duì)掩埋條件下水雷在不同海底和不同掩埋深度的聲衰減進(jìn)行建模具有重要意義。

在以往的沉積層聲衰減研究中,通常是將海底沉積物當(dāng)作流體或粘彈固體,如Hamilton模型[1-2]。這種模型在物理上無(wú)法解釋實(shí)驗(yàn)測(cè)量的聲波速度和衰減隨頻率的變化(即頻散)特點(diǎn)。為了解釋這種頻散現(xiàn)象,Stoll等[3-4]應(yīng)用Biot孔隙介質(zhì)理論[5-6]并引入骨架損耗建立了沉積物的Biot-Stoll模型,該理論預(yù)測(cè)了在無(wú)限均勻的孔隙介質(zhì)中存在3類波(快縱波、慢縱波和橫波)。近期的海底沉積物聲學(xué)實(shí)驗(yàn)(SAX99)研究表明[7],以Biot-Stoll模型模擬的海底沉積物的聲學(xué)性質(zhì)(如速度、衰減等)在頻率小于50 kHz時(shí)與測(cè)量結(jié)果符合較好。由于,艦船噪聲的功率譜可以表示為疊加有線譜的連續(xù)譜,10 Hz～5 kHz或10 Hz～10 kHz的大約3個(gè)10倍頻程的頻率范圍基本覆蓋了目前沉底水雷工作的頻率范圍。因此,可以采用Biot-Stoll模型預(yù)測(cè)聲波在不同海底的聲衰減系數(shù)和聲透射系數(shù),建立掩埋條件下水雷在不同海底和不同掩埋深度的聲衰減模型。

1 理論模型

1.1 Biot-Stoll模型

Biot-Stoll模型所需的輸入?yún)?shù)有:孔隙度β、顆粒密度ρs、孔隙流體密度ρf、顆粒體變模量Kr、流體體變模量Kf、流體粘滯系數(shù)η、滲透率κ、彎曲度α、孔隙尺度a、骨架體變模量Kb、骨架剪切模量μ.Biot-Stoll模型的3類聲速[7]為

式中:c1、c2和ct分別為快縱波、慢縱波和橫波的復(fù)速度;變量與輸入?yún)?shù)之間的關(guān)系為

1.2 模型參數(shù)

Hamilton通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)給出9種海底的介質(zhì)參數(shù)[8],這里取粗沙、沙質(zhì)泥和粘土質(zhì)泥3種海底,介質(zhì)參數(shù)如表1.

表1 海底介質(zhì)參數(shù)Tab.1 Parameters of seafloor sediments

表1中的數(shù)據(jù)是在海底的液態(tài)模型或粘彈性模型假設(shè)下測(cè)量的,不足以提供多孔介質(zhì)模型使用,下面利用表1中的數(shù)據(jù)和Biot-Stoll模型參數(shù)的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式[9]計(jì)算相應(yīng)的多孔介質(zhì)參數(shù),如表2所示。對(duì)于其他類型海底的Biot-Stoll模型參數(shù)都可以根據(jù)平均顆粒直徑、孔隙度以及經(jīng)驗(yàn)公式(5)式推導(dǎo)得出。式中:φ為對(duì)數(shù)顆粒尺寸;d為平均顆粒直徑。

式中:σ為動(dòng)態(tài)泊松比;τa(z)為掩埋深度為z時(shí)的平均總壓力。

表2 3種海底的模型參數(shù)Tab.2 Model parameters of three types of sediments

2 不同海底的聲衰減模型

2.1 3種不同海底的快縱波聲速與聲衰減計(jì)算

圖1和圖2給出了Biot-Stoll模型在3種不同海底的快縱波聲速與聲衰減曲線。對(duì)比3種不同海底的快縱波聲速可看出,粗沙的快縱波聲速最高,粘土質(zhì)泥的快縱波聲速最低,且都有隨頻率增加而逐漸增大的趨勢(shì)。不同的底質(zhì)類型對(duì)快縱波的聲衰減也有不同程度的影響,隨著沉積物平均顆粒直徑的減小和孔隙度的增加,快縱波的聲衰減曲線逐漸向高頻處移動(dòng),且在頻帶1～10 kHz內(nèi),3種海底的快縱波衰減大小會(huì)有較明顯的過(guò)渡變化。當(dāng)頻率為10 kHz時(shí),粗沙海底的聲衰減系數(shù)為3 dB/m、沙質(zhì)泥海底的聲衰減系數(shù)為7 dB/m、粘土質(zhì)泥海底的聲衰減系數(shù)為2 dB/m.

圖1 3種不同海底的快縱波聲速曲線Fig.1 Velocity curves of sound in three types of sediments

圖2 3種不同海底的快縱波聲衰減系數(shù)曲線Fig.2 Attenuation coefficient curves of sound in three types of sediments

2.2 3種不同海底界面聲透射系數(shù)計(jì)算

假設(shè)所研究海底為平面模型,聲波在不同介質(zhì)海底的分界面將產(chǎn)生不同的聲反射和透射。圖3和圖4給出了頻率為1 kHz、10 kHz時(shí),Biot-Stoll模型在3類不同海底的快縱波透射損耗隨入射角變化的曲線。可以看出快縱波的透射損耗隨入射角的變化曲線都有一個(gè)頂點(diǎn),定義該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的角度為準(zhǔn)臨界入射角。對(duì)于不同類型海底,準(zhǔn)臨界入射角會(huì)隨著孔隙度的增大而增大;對(duì)于同一海底,由于Biot-Stoll模型的速度頻散特性,隨著頻率的增高準(zhǔn)臨界入射角逐漸減小。對(duì)于3類海底界面當(dāng)入射角小于50°時(shí),透射損耗隨入射角的變化很小。

圖5和圖6給出了當(dāng)入射角為50°和60°時(shí),Biot-Stoll模型在3種不同海底界面的快縱波透射損耗隨頻率變化的曲線。當(dāng)入射角為50°時(shí),3種海底界面的聲透射損耗都隨著頻率的增加逐漸增大,且粗沙海底界面的聲透射損耗最大,粘土質(zhì)泥海底界面的聲透射損耗最小。但當(dāng)入射角為60°時(shí),由于粗沙海底的準(zhǔn)臨界入射角在60°附近,粗沙海底界面的聲透射損耗則出現(xiàn)隨著頻率的增加而減小的現(xiàn)象,且粗沙海底界面的聲透射損耗最小,沙質(zhì)泥海底界面的聲透射損耗則最大。

圖3 3種不同海底界面的聲透射系數(shù)曲線(頻率1 kHz)Fig.3 Transmission coefficient curves of sound in three types of sediments(frequency of 1 kHz)

圖4 3種不同海底界面的聲透射系數(shù)曲線(頻率10 kHz)Fig.4 Transmission coefficient curves of sound in three types of sediments(frequency of 10 kHz)

圖5 3種不同海底界面的聲透射系數(shù)曲線(入射角50°)Fig.5 Transmission coefficient curves of sound in three types of sediments(arrival angle of 50°)

2.3 掩埋水雷在不同海底和不同掩埋深度的聲衰減建模

圖6 3種不同海底界面的聲透射系數(shù)曲線(入射角60°)Fig.6 Transmission coefficient curves of sound in three types of sediments(arrival angle of 60°)

通過(guò)預(yù)測(cè)聲波在不同海底的聲衰減系數(shù)和聲透射系數(shù),可以建立掩埋條件下水雷在不同海底底質(zhì)和掩埋深度的聲衰減模型。如圖7所示,水雷被泥沙等海底沉積物掩埋時(shí),假設(shè)掩埋深度用h表示,快縱波在海底中的衰減系數(shù)用A表示,入射角為θ的海底界面透射損失用T表示,快縱波從海底界面透射到深度為h的總損失為S,則掩埋條件下水雷在不同海底底質(zhì)和掩埋深度的總聲衰減可表示為S= T+h×A.

圖7 水雷在掩埋條件下的目標(biāo)探測(cè)示意圖Fig.7 Target detection of buried mine

假設(shè)θ=50°,h=2 m,圖8為當(dāng)水雷被掩埋在粗沙、沙質(zhì)泥和粘土質(zhì)泥3類海底時(shí),采用Biot-Stoll模型預(yù)測(cè)的3類不同海底的總聲衰減曲線。由圖8可知,當(dāng)頻率小于1 kHz時(shí),聲波在3種不同海底的總聲衰減隨頻率的增加而緩慢增大;當(dāng)頻率大于1 kHz時(shí),聲波在3種典型海底的總聲衰減有隨著頻率增加而明顯增大的趨勢(shì);在10～100 kHz頻段內(nèi),沙質(zhì)泥的總聲衰減最大,粗沙的總聲衰減最小。

3 掩埋對(duì)聲引信性能影響分析

針對(duì)水雷在不同海底地質(zhì)、不同掩埋深度和不同頻段的聲衰減進(jìn)行理論分析計(jì)算,可評(píng)估掩埋對(duì)不同頻段聲引信性能的影響。

圖8 Biot-Stoll模型預(yù)測(cè)的3類海底的總聲衰減曲線Fig.8 Attenuation coefficient curves of sound in three types of sediments predicted by Biot-Stoll model

根據(jù)本文建立的掩埋水雷在不同海底底質(zhì)和不同掩埋深度的聲衰減模型可以計(jì)算掩埋后頻帶能量的變化,表3給出了水雷被掩埋在3種不同類型海底,當(dāng)掩埋深度分別為1 m和2 m時(shí),掩埋對(duì)10 Hz～5 kHz頻帶能量的影響。經(jīng)計(jì)算分析可得,在相同的掩埋深度下,聲引信在3類海底的信噪比都會(huì)降低,降低了檢測(cè)概率。其中粗沙海底對(duì)聲引信的影響最大,粘土質(zhì)泥海底對(duì)聲引信的影響最小,隨著海底底質(zhì)平均顆粒直徑的減小和孔隙度的增加,掩埋對(duì)聲引信的影響有逐漸減小的趨勢(shì)。

表3 掩埋對(duì)10 Hz～5 kHz頻帶能量的影響Tab.3 Effect of burial on 10 Hz～5 kHz frequency band energies

4 結(jié)論

通過(guò)研究3種海底底質(zhì)聲傳播特性,建立了不同海底底質(zhì)和不同掩埋深度的聲衰減模型,計(jì)算并分析了掩埋對(duì)水雷聲引信的影響,為提出掩埋條件下水雷探測(cè)技術(shù),提高掩埋條件下水雷對(duì)目標(biāo)的探測(cè)能力和將來(lái)新型沉底水雷、自掩埋水雷設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

References)

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Acoustic Attenuation Modeling of Buried Mines in Different Sediments and Depths

LI Tong-xu1,ZHANG Xiao-min1,HAN Chong1,CHEN Yu2
(1.School of Marine Science and Technology,Northwestern Polytechnical University,Xi'an 710072,Shaanxi,China;2.College of City,Zhejang University,Hangzhou 310015,Zhejiang,China)

Biot-Stoll model is used to predict the attenuation and transmission coefficients of sound in coarse sand,sandy clay and clay mud.A sound attenuation model for buried mines in different sediments and depths is established by studying the acoustic propagation characteristics of various sediments,and the effect of burial on buried mine is analyzed.The result shows that the different sediments,the buried depth and the operating frequency of fuze have different impacts on the functions of mine fuze.In the same depth and the frequency range of 10 Hz～5 kHz,the coarse sand has the greatest influence on the acoustic fuze,and the clay mud has the least influence on the acoustic fuze.The effect of burial on acoustic fuze is decreased with the increase in porosity and the decrease in average particle diameter.

ordnance science and technology;buried mine;Biot-Stoll model;acoustic attenuation; acoustic fuze

TJ61+1.2

:A

1000-1093(2014)03-0428-05

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.03.021

2013-06-18

李通旭(1986—),男,博士研究生。E-mail:litongxu@gmail.com;

張效民(1963—),男,教授,博士生導(dǎo)師。E-mail:xmzhang@nwpu.edu.cn