水下爆炸聲學效應研究現狀與展望

郭 銳, 俞旸暉

水下爆炸聲學效應研究現狀與展望

郭 銳, 俞旸暉

(南京理工大學 機械工程學院, 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, 在海洋資源探測、水文環境反演、水下微小隱身目標探測和水聲對抗干擾等領域有著廣泛的應用前景。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理, 分析了聲場模型中用于描述水下爆炸聲源傳播和混響效應的水聲傳播模型與混響模型, 總結了水下爆炸聲源的典型信號分析方法及其聲學特性, 并結合水下爆炸聲源的特點介紹了相關的典型工程應用。最后, 展望了水下爆炸聲學效應研究在高能炸藥材料水下爆炸的能量轉換機制和致聲機理、聲混響強度預報、陣列多脈沖爆炸聲源工程應用等方面的發展趨勢, 為水下爆炸聲學效應的進一步研究提供參考。

水下爆炸; 致聲機理; 聲場模型; 聲學特性

0 引言

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

由于水介質的特殊性, 炸藥水下爆炸特性與空氣中爆炸相比要復雜的多。水下爆炸時, 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, 迅速衰減成強聲波。炸藥小藥量裝藥水下爆炸所產生的噪聲總聲源級可以達到200 dB以上, 其頻率分布在50 Hz～50 kHz的寬闊范圍內, 尤其在10 kHz以下的低頻分量具有相當高的聲功率, 如圖1所示。

圖1 25 g黑索金(RDX)炸藥水下爆炸聲學特性曲線

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

表1 TNT爆炸能量分配表

隨著人類對海洋探索的深入, 海洋開發和軍事需求進一步促進了水下聲源技術的發展, 新型高性能水下聲源的作用方式和發聲機理已成為各水聲強國競相研究的熱點[3-4]。水下爆炸及其擾動傳播過程屬于大變形、高度非線性、流固耦合的瞬態動態響應, 涉及非常復雜的能量轉換過程。目前, 海洋科學已成為我國未來發展的重點領域, 對海洋信息的感知與辨識需求日益迫切。為此, 文中從水下爆炸的致聲機理出發, 系統綜述了水下爆炸聲的發生、傳播及聲學特性的研究進展, 以期為我國水中爆炸聲源技術的發展提供參考。

1 水下爆炸致聲機理

由于水介質的特殊性, 炸藥水下爆炸特性與空氣中爆炸相比要復雜的多。當炸藥在均勻、靜止的深水中爆炸時, 高壓爆轟產物急劇向外膨脹, 在水中形成初始沖擊波。同時在爆轟產物與水的界面處反射一稀疏波, 以相反的方向向爆轟產物中心運動。由于水的密度大、可壓縮性小, 水中爆炸沖擊波初始壓力比空氣大得多, 空氣中爆炸沖擊波初始壓力在60～130 MPa, 而水中爆炸沖擊波初始壓力在10 GPa以上, 接近于炸藥爆轟區壓力。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, 當波陣面壓力下降約為250 MPa時, 波陣面傳播速度已下降至接近聲速。在形成初始沖擊波的同時, 爆轟產物迅速向外膨脹, 并以氣泡的形式推動周圍的水沿徑向向外運動。氣泡壓力隨膨脹不斷下降, 當其膨脹到壓力等于靜水壓后, 在慣性作用下繼續向外膨脹直至達到最大體積, 此時氣泡內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, 在氣泡內壓力達到靜水壓時仍繼續收縮, 直到最小體積時又開始膨脹, 如此反復膨脹、收縮, 形成氣泡脈動。在氣泡脈動過程中, 同時產生稀疏波和壓縮波[5]。擴展和崩潰過程重復進行, 直到氣泡向上移動到水面或分裂為許多小的氣泡時為止[6]。在水下爆炸過程中, 爆炸產生了如圖2所示的2種不同的聲信號, 一種是持續時間很短, 功率高、頻帶寬的沖擊波脈沖, 另一種是氣泡脈動的輻射脈沖, 當聲信號或氣泡與邊界相互作用時, 又會形成新的聲信號。

圖2 水下爆炸聲信號結構與產生過程示意圖

水中沖擊波的有限振幅效應使得沖擊波不同部分以不同的速度傳播, 從而導致頻譜能量發生轉移, 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、破裂及合并等效應也會影響水下爆炸聲輻射過程。與此同時, 水下爆炸還涉及多物理場之間的耦合作用, 尤其對于含鋁炸藥, 爆炸氣泡膨脹時氣體和高溫殘渣粒子可能噴射進入水中, 當氣泡回彈時部分粒子滯后于氣泡, 產生了復雜的聲輻射特征。目前, 還沒有一個完整的理論體系將水下爆炸致聲機理闡述清楚, 通常根據流體動力聲源輻射思想進行解釋。

1.1 流體動力聲輻射機理

19世紀中后期, Stokes和Rayleigh就認識到擾動的質量和力作為聲源的作用, Lighthill[7]于1952年發現湍流切變應力也可起到聲源的作用, 提出了聲比擬思想, 從而形成了將質量通量、力源和粘性應力視為噪聲源項的廣義Lighthill方程

式中:為單位體積內新增質量的速率;f為作用在單位體積流體上任何外部機械力的凈力;為粘性應力。

根據式(1), 可將致聲機理歸結為3種: 脈動體積源致聲、脈動力源致聲和湍流致聲, 分別對應單極子聲源、偶極子聲源以及自由四極子聲源, 不同聲源的速度勢場參見圖3, 圖中的、均為空間坐標。

圖3 典型流體動力源速度勢

單極子聲源主要是體積或者質量發生脈動的點源, 其水下聲場分布比較均勻, 無指向性; 偶極子聲源則是壓力脈動以及振動的剛性物體, 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動引起的壓力脈動。一般情況下, 前兩者經常出現在流體界面層中, 而后者不僅在流體界面層發生, 在流體內部也會同時出現。

1.2 沖擊波聲輻射機理

目前Lighthill的聲比擬理論已被普遍接受, 然而Tam[8]指出當聲波考慮有限振幅效應時, 式(1)的左側應該包含非線性波陡化項, 而流體力學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和源的Lighthill方程獲得, 這意味著通過Lighthill方程來計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30～60年代, 以歐美、前蘇聯為首的主要軍事強國開展了水下爆炸理論研究, 同時進行了大量的水下爆炸試驗和水下核試驗, 獲得了大量試驗數據, 為總結水下爆炸的致聲機理奠定了基礎。

在水中爆炸沖擊波聲輻射理論研究方面, 國內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40年代開始, Kirkwood等[9]采用等容爆轟模型對沖擊波和氣泡脈動部分解耦, 將沖擊波的傳播轉變成氣泡表面上動焓的計算, 為沖擊波波形描述和波后流場分析提供了理論參考。其后, Kirkwood等[10]對上述理論進行了發展, 提出用能流密度結合沖擊波陣面上的壓力和速度關系求解波陣面后參數, 這種近似計算方法可由試驗直接測量的沖擊波超壓時程積分, 非常適合將某一距離處的數據推算到其他距離處, 但不能很好地建立沖擊波傳播與氣泡脈動的聯系, 在近場計算時易存在誤差。Kedrinskii[11]基于瞬時爆轟假設, 考慮水下爆炸氣泡界面處壓力和焓以指數衰減規律變化, 給出了氣泡界面處的初始條件, 在Kirkwood-Bethe假設[9]下得到了任意時刻流場中一點處的動焓與氣泡界面處動焓的關系, 由此得到了柱形炸藥的沖擊波聲輻射過程的解。Geers等[12]給出了一種遠場沖擊波壓力的雙指數擬合形式, 同時依據聲學理論中的脈動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系, 該模型將沖擊波階段與氣泡脈沖階段的壓力關系分時段表示。李澎等[13]在Kirkwood-Brinkley理論[10]的基礎上分析了能流密度-時間曲線的表達式, 并簡化了水中爆炸沖擊波的傳播計算方法, 針對不同距離之間沖擊波的壓力峰值, 運用實際數據對近似計算結果進行了驗證。Wang等[14]根據Tait方程和JWL方程描述相應介質獲得了精確氣泡膨脹初速表達式, 將流體可壓縮性用焓表示, 結合Lezzi-Prosperetti方程給出了比Geers-Hunter模型[12]更貼近實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帶有間斷的壓縮波。當沖擊波傳播到距爆心約90倍藥包半徑處的時候[15], 沖擊波馬赫數(/0)接近于1。Weston[16]指出, 水下爆炸形成的聲信號在100 yd范圍內需要考慮有限振幅效應和耗散, 而這些效應在100 yd之外可以忽略。

在沖擊波輻射參數半經驗關系擬合方面, Cole[17]所在的水下爆炸研究實驗室對TNT等理想炸藥的球形藥包水下爆炸沖擊波進行了系統試驗研究, 驗證了Kirkwood等提出的沖擊波傳播理論, 揭示了爆炸參數之間的關系, 其提出的半經驗半理論公式至今仍被廣泛應用, 而該半經驗關系的適用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;為沖擊波壓力;為測距;為藥包質量;為沖擊波到達時間。

Alpaslan等[20]對炸藥在海洋環境下的爆炸壓力進行了測量, 記錄的峰值超壓通過對數和線性2種不同形式的最小二乘方法重新確定經驗公式常數, 新確定的常數與Cole經驗公式的常數略有不同。

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

1.2.2 弱沖擊波輻射中的非線性效應

水中沖擊波在傳播過程中會在很遠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, 沖擊波陣面處的峰值衰減速率比線性聲學預測的更快。雖然此時的波陣面峰值超壓一般較低, 但其非線性效應依然不可忽略。當保留聲壓的2階小量時, 通過引入非線性聲學中的非線性系數0構建一個如圖4所示的簡化模型進行分析。

DuMond等[22]于1946年通過觀測時間-壓力剖面中的周期隨傳播的變化率來測量N形波絕對振幅的方法, 研究了這種波形在理想空氣介質中的傳播過程, 該方法給出了在大傳播距離上距離、振幅和觀測周期之間的絕對關系。Landau等[23]論述了聲波間斷形成的原因, 通過簡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系。

Wright[24]、Temkin等[25]分別通過短球面沖擊波和平面沖擊波對上述理論進行了試驗驗證。在圖4表示的結構中, 球面理論給出了當距離大于沖擊波脈沖長度1時球面波的參數, 且

式中:1為所選擇的距離炸藥較遠的沖擊波陣面到達位置, 滿足1>>1;1為沖擊波陣面傳播到該處時的正壓脈寬(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中的聲學近似方法描述, 非線性效應不斷將低頻能量轉移到高頻, 沖擊波能一直保持銳利的間斷面, 但隨著傳播距離持續增大的高頻諧波分量并不符合真實情況。因此還需要考慮介質的黏滯熱傳導效應, 此時真實沖擊波寬度必須考慮, 黏滯吸收系數與波數、非線性系數相互競爭, 最終導致沖擊波信號在遠場時具有明顯的上升時間。

1.3 氣泡脈沖聲輻射機理

氣泡脈沖壓力是在炸藥水下爆炸的準靜態過程中輻射出來的, 取決于氣泡的脈動與遷移[26]。大量研究結果表明, 氣泡在水中的體積振動可作為質量-彈性系統來處理, 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重要的水下聲源。但在有的應用過程中, 有時還需額外濾去氣泡脈沖以提取純凈的爆炸聲信號[27-29]。

實際的氣泡振動過程中受多種因素影響, 氣泡脈沖聲輻射機理是根據水下多種聲輻射機理總結而成的, 包括水下氣泡振動方程[30-31]、湍流噪聲[32]、熱聲效應[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]。

國內外在氣泡脈沖聲輻射領域的研究方法以模型分析和試驗研究為主, 其中模型分析有助于研究簡單的模型, 揭示其機理。在推導氣泡運動的理論模型過程中, 通常認為在第1個脈動階段壓縮效應和黏性效應均不重要, 往往忽略可壓縮效應和黏性效應。

Besant[35]首先提出了一個球形氣泡在無粘、無限空間、不可壓縮液體中運動的問題, 建立了分析模型預測了液體中任意一點的壓力及氣泡潰滅時間。Rayleigh[36]在Besant球形氣泡膨脹和收縮運動模型的基礎上加入了氣體的等溫狀態方程, 通過對連續性方程進行積分獲得徑向速度場的方式得到了無限流域中的氣泡解, 該數學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動的全部動能得到的。Plesset[37]則利用連續性方程和運動方程得到了微分形式的氣泡運動方程, 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, 所得結果具有一定準確性, 但當氣泡潰滅至很小的半徑時, 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, 將會導致一些不合理的結果。

為了對Rayleigh理想氣泡的運動方程進行修正, 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動方程。Poritsky[38]第1個討論了液體粘性對氣泡行為的影響, 同時討論了考慮及不考慮表面張力條件下氣泡潰滅時間的有限性。Noltingk等[39-40]在考慮氣泡內氣體成分影響的基礎上修正了RP方程。綜合以上成果, Lauterborn[41]總結出著名的氣泡運動方程

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

2 水下爆炸聲場模型

水下爆炸聲在水中傳播、反射、被接收以及目標探測和定位等規律, 可以用水聲模型加以描述。水聲模型包括環境模型、聲場模型和聲吶性能模型3類[42], 模型之間的關系如圖5所示。

2.1 水聲傳播模型

水聲傳播模型用于描述聲源發出的聲波在海洋環境中傳播產生的能量衰減和波形畸變的規律, 對于噪聲、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[43], 包括射線理論技術、簡正波方法、多途展開技術、波數積分方法和拋物方程近似等。根據不同的條件還出現了混合模型[44-46], 各類方法適用的場景如表2所示[47]。

圖5 3類水聲模型關系示意圖

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

表2 各類水聲傳播模型適用場景對照表

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

當信號幅值在一個波長內的改變量很小時, 可以得到程函方程和強度方程, 這是射線聲學的基本方程

式中:(,,)為程函, 長度量綱;0為參考點聲速;(,,)為空間某點的聲速;(,,)為空間某點折射率;(,,)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律, 可以跟蹤多種波形類型的射線在海洋環境中的傳播軌跡, 從而達到預測聲壓的目標。該模型還可以輸出傳播損失、本征聲線、到達和接收時間序列等信息, 被指定為美國海軍海洋預報10～100 kHz頻帶聲傳播的標準模型[49]。吳麗麗等[50]基于2013年7月在西太平洋進行的遠程聲傳播試驗, 使用拋物方程模型和射線模型分析解釋了125 m深拖曳換能器發射的線性調頻聲信號(260～306 Hz)和水下1 000 m深爆炸產生聲信號的遠程脈沖聲傳播現象。

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

2.2 聲混響模型

水下爆炸產生的聲信號在傳播過程中, 經過分布在水面、水中和水底的散射元的散射后形成混響。水下爆炸產生的脈沖壓力波持續時間較短, 受海水介質的特殊性、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、海底地形)的綜合影響而產生的聲混響效應會使脈沖爆炸聲在水中能持續一段時間。

由于水下爆炸沖擊波是一種寬頻短時脈沖信號, 持續時間短(僅有幾百微秒), 頻率范圍廣(從幾赫茲到幾十赫茲), 并且頻率特性不穩定。除了體積混響外, 當不滿足獲取理想爆炸聲信號的3個限制條件時[57], 水聽器測得的信號往往存在邊界效應干擾, 即信號為混響信號。水下爆炸聲混響的常用計算模型有射線方法和簡正波方法等。

Bucker等[58]最先使用簡正波理論分析均勻淺海中的混響, 其通過將簡正波分解為上行波與下行波, 并將下行波與海底散射相聯系的方法進行計算。吳承義[59]則利用射線方法計算了淺海的平均混響強度。張仁和等[60]將Bucker等的方法[58]推廣到非均勻淺海環境, 利用簡正波理論計算了淺海的平均混響強度。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相結合的三維散射模型, 在美國海軍水下系統中心(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, 并通過了試驗驗證。Peter等[62]利用射線理論計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算量較大的問題。然而射線理論的基礎是求取本征聲線來表示信號的傳播路徑, 對于深水區域, 求取本征聲線的計算量較小, 而對于淺水區域, 由于水面和水底的多次反射和散射引起的多途效應, 求取本征聲線的計算量將大幅增加。因此為了減小計算量, 惠娟等[63-64]基于射線方法和Lambert散射定律, 在等聲速環境假定下利用橢圓和橢球的幾何性質, 即橢圓和橢球面上任意1點到2個焦點的距離之和為常數, 給出了二維和三維收發分置混響平均強度的預報公式, 不需要求取本征聲線, 大大減小了計算量。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, 對海底界面混響進行了討論。Guo等[66]在盛振新提出的混響模型的基礎上考慮了海面、海底界面散射效應及常聲速梯度環境, 建立了雙基地界面混響預報模型, 對2種距離處的聲混響進行了計算, 并探討了界面散射及聲速梯度對混響場的影響, 模型如圖6所示(假設負聲速梯度條件)。

3 水下爆炸聲學特性

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、高功率、寬頻帶的聲信號,信噪比很高, 但爆炸沖擊波壓力衰減快, 聲信號持續時間較短。為了將水下爆炸聲信號應用到實際工程領域中, 需要對水下爆炸的聲信號特性進行分析研究。

3.1 信號分析方法

水下爆炸聲信號分析方法是研究水下爆炸聲信號聲學特性的基礎。受限于數字計算機的不成熟, 早期一般采用倍頻程濾波對信號進行特征提取以獲得信號的頻帶特性。隨著數字計算機和數字信號處理技術的發展, 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提取數字信號的頻率特性對信號進行分析。在信號頻率的定義方式上, 目前有2種分類, 一種是傅里葉所提出的穩態頻率, 另一種則是Carson提出、Gabor等完善統一的瞬時頻率。2種頻率定義為不同信號特征提取方法提供了理論基礎。

圖6 界面散射引起的三維雙基地混響示意圖

水下爆炸壓力信號持續時間短、突變快, 屬于非平穩信號, 信號的結構及其頻譜都是時變的, 與傅里葉變換建立的理論基礎不一致[69-70], 傅里葉變換會高估高頻分量的成分。隨著信號處理技術的發展, 水下爆炸壓力信號的分析方法主要經歷了傅里葉變換、短時傅里葉變換、小波變換、小波包變換和希爾伯特-黃變換階段[15, 71-75]。

在上述信號分析方法中, 傅里葉變換和短時傅里葉變換隱含了信號分解為無限長正弦信號疊加的條件, 而小波變換、小波包變換屬于多尺度分析方法, 在信號的高頻處時間細分、低頻處頻率細分, 能自動適應時頻信號分析的要求, 且對分解得到的成分沒有強制規定頻率的類型。因此小波變換仍是目前非平穩態信號分析的最有效方法之一。但小波變換要求小波窗內信號必須平穩, 小波基的有限長又會造成信號能量泄漏, 同時小波函數具有多樣性。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來對信號進行分解, 均受到海森堡測不準原理的限制, 希爾伯特-黃變換(Hilbert-Huang transform, HHT)這類自適應分解算法也被更多學者關注[76]。

3.2 水下爆炸聲信號時域特性

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

Blaik等[19]分析了6 706 m深度以內的小藥量(最小20 g于4 145 m深爆炸)水下爆炸試驗數據與Arons[18]總結得到的沖擊波峰值經驗公式, 認為沖擊波峰值超壓不受爆炸深度的影響, 但正壓作用時間隨爆炸深度的增加而減小, 導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, 分析了不同介質聲速和密度對其的影響。Geoff等[78]對小當量炸藥爆炸聲壓級測量進行了研究, 得出了風速、溫度等氣象條件與爆炸聲壓級的擬合關系并得出計算公式。Alexander等[79]在距離維吉尼亞海岸7 km外進行了水下爆炸峰值壓力和聲壓級的測量, 并將試驗測量得到的峰值壓力與半經驗公式計算結果相比較, 給出了淺海環境下利用能流密度計算水下爆炸聲壓級的半經驗公式。

吳成等[80-81]對比了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L及其高于背景噪聲聲壓級的持續時間, 如圖7所示。潘正偉等[82]對RDX、TNT、8701等炸藥進行了小藥量爆炸試驗, 測得的等效聲源級均在210 dB以上,炸藥質量、爆距與等效聲源級之間滿足水下爆炸相似律。

圖7 不同位置處3種炸藥聲壓級時程曲線

在淺海環境下, 實際測得的水下爆炸聲信號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, 而是如圖8所示的混響信號(圖中, Δ表示超壓, 即總壓力與環境靜水壓力的差值), 這種混響效應能夠增加水下爆炸聲信號的持續脈寬。

圖8 實測混響信號聲壓隨時間變化曲線

Vadov[83]和Mikryukov等[84]研究了從深海到近海水下爆炸聲波的遠程傳播, 并在2種深度上對距爆源80～120 km的聲混響信號進行了觀測分析。Hines等[85]在淺海進行了試驗, 得到頻率分別為21、28和36 kHz的混響信號, 并與通用聲吶模型的計算結果進行了對比, 對混響曲線中極值點的形成機理進行了研究。Stanic 等[86]在巴拿馬城進行了試驗, 得到了高頻信號雙基地混響, 經過分析可知混響強度隨著掠射角的減小而減小。Guzhaniva等[87]在淺海進行了試驗, 近似估計了40～400 Hz信號的吸收系數和反射系數。Li等[88]分析了2001年ASIAEX項目的試驗數據, 發現延遲一段時間的雙基地混響曲線和單基地混響曲線是近似的。

3.3 水下爆炸聲信號頻譜特性

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

3.3.1 能流密度譜級

潘正偉等[82]指出水聲設備一般都具備抗干擾能力, 如在電子線路中設置積分電路。因此早期對水下爆炸聲信號頻譜特性研究時往往分析的是信號的能流密度譜級而不是實時的聲壓譜級。

早期實測水下爆炸聲信號處理時一般采用倍頻程濾波的方式獲得信號的頻帶特性。Weston[89]將25～6 400 Hz之間的頻段劃分為8個倍頻程, 利用倍頻程對不同質量炸藥水下爆炸信號進行濾波, 獲得了對應頻程的能流通量, 并將該能流通量除以帶寬以獲得絕對自由場能流譜級。隨后, Weston在對水下爆炸信號進行頻譜分析的基礎上, 提出可將各種頻譜等效為1 lb炸藥的譜, 理論曲線與不同質量炸藥縮放結果如圖9所示(圖中,()表示絕對能流譜級, 其中理論曲線為頻譜級, 試驗點為1/3倍頻程濾波后的頻帶級,為頻率)。

圖9 歸一化至1 lb炸藥的絕對能流譜級隨頻率變化曲線

在水下爆炸半經驗公式的基礎上, Raitt、Weston[89]等采用傅里葉變換對Arons等[18, 90-91]擬合得到的沖擊波、氣泡脈沖半經驗公式分別進行了處理, 將時域關系投影到頻域中獲得了能流密度譜, 并分析了炸藥質量和爆炸深度對能流密度譜的影響。Christian等[92]發現Weston導出的能流密度譜在氣泡脈沖基頻(第1次氣泡脈動周期的倒數)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, 利用氣泡脈動基頻和炸藥質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]通過不同炸藥質量、起爆深度的試驗結果證明了Christian能流密度譜的正確性。張翠平[95]從傅里葉變換出發推導了水下爆炸能量譜密度關系, 并根據量綱分析導出了水下爆炸頻率特性相似關系與能量譜密度相似關系。

江國進等[96]采用HHT方法對水下爆炸聲信號進行處理, 通過球面擴展修正和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行了對比, 兩者所表示的頻帶聲源級E(0)如圖10所示。從圖中可看出, 經過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倍頻程頻帶聲源級曲線

3.3.2 水下爆炸聲壓譜級及能量分布

隨著數字信號處理技術的快速發展, 研究者開始借助FFT算法、多尺度分析方法及自適應分解算法等信號分析工具對水下爆炸聲信號的譜特征進行提取。

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

賈虎等[98-99]計算了纖維爆炸索水下爆炸沖擊波信號的功率譜, 并分別利用小波變換和基于經驗模態分解(empirical mode decomposition, EMD)算法的HHT對沖擊波信號進行了特征提取, 討論了水下爆炸沖擊波信號在各層小波頻段上的能量分布狀況。范志強等[100]利用小波變換方法對纖維爆炸索水下連續脈沖爆炸信號進行了時頻特性分析, 認為每個脈沖沖擊波主要分布在125 kHz以下。

盛振新、裴善報等[15, 74, 101-104]采用小波變換和HHT分別對850 m處、6 200 m處測得的水下單藥包爆炸沖擊波信號、單藥包爆炸聲信號和連續爆炸聲信號進行了分解, 計算了信號的功率譜、能量分布狀況、Hilbert譜和邊際譜, 并研究了起爆間隔時間對連續爆炸聲信號的影響。結果顯示: 單藥包情況下, 聲信號的能量主要分布頻帶相對于沖擊波信號更低; 不同起爆間隔時間下, 連續爆炸聲信號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類似, 但會有部分能量從低頻向高頻轉移。

易流[105]針對不同水深條件下的爆炸沖擊波試驗數據用2種小波基函數進行了分解, 證明了水下爆炸沖擊波壓力信號對小波基函數的選擇不敏感。孫鐘阜等[106]基于HHT法對水下單藥包爆炸試驗數據進行處理, 得到了水下爆炸聲信號的Hilbert譜, 同時根據聲速剖面計算了聲線軌跡, 發現能量譜中的局部極值點是由聲線軌跡和海底相互作用導致的。

4 水下爆炸聲源應用

水下爆炸聲學效應的研究表明, 水下爆炸產生的強噪聲源除了具有高聲功率、寬頻率及無指向性等優點外, 還可以很方便地投擲到指定的任意深度上爆炸, 成本低、經濟性好。因此, 水下爆炸聲源在海洋資源探測、水文環境反演、水下微小隱身目標探測和水聲對抗干擾等領域有著廣泛的應用前景。

4.1 目標探測與定位

水面艦艇編隊是水下攻防的重要力量, 在與水下威脅目標的對抗中, 面臨的首要困難在于難以遠程發現和準確識別水下威脅目標。通過爆炸聲源產生高強度低頻爆炸聲信號, 并利用異地艦載聲吶接收目標回波的方式可有效解決上述問題, 完成對目標的快速檢測與定位。

劉琳等[107]針對拖曳陣聲吶采用主動工作模式時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程探測新技術, 該技術通過爆炸聲源產生高強度低頻爆炸聲信號, 利用大孔徑低頻拖曳線列陣聲吶進行高增益接收, 結合對潛艇回波與直達波的參數提取與處理, 同步完成對潛艇目標的快速檢測與定位。

黃聰等[108]基于雙基地聲吶定位原理和均勻水聲環境假設, 結合爆炸聲源在基線延長線附近一定開角范圍內具有探測優勢的特點, 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大探測覆蓋角度, 實現在大開角范圍內的艦船警戒, 多爆炸聲源布置如圖11所示(圖中顯示了7個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, 圖中坐標軸表示的、均為空間坐標)。

圖11 爆炸聲源距接收平臺80 km的探測曲線

張朝金等[109]提出了一種基于半經驗公式與匹配場聯合處理的單陣元爆炸聲源快速定位方法。該方法在匹配場定位的基礎上, 根據沖擊波峰值和氣泡脈動周期測量值、水下爆炸半經驗公式與多途時延差建立代價函數, 實現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, 一次氣泡脈動周期與多途時延差的聯合匹配可提高對爆炸聲源深度的估計精度, 且沖擊波峰值與多途時延差的聯合匹配可提高對距離的估計精度。

4.2 水聲對抗

水下爆炸噪聲不僅聲源級高, 而且頻帶寬, 特別在低頻段具有很強的聲功率, 是良好的水下聲干擾源, 不僅能對在高頻聲頻帶工作的魚雷自導系統實施干擾, 而且能對在低頻工作的聲吶實施干擾。水下爆炸產生的聲信號從幾十赫茲到 50 kHz以上都有相當強的聲功率, 可完全覆蓋目前世界上魚雷聲自導系統的各個工作頻段, 使魚雷聲自導系統產生偵聽飽和、阻塞抑制, 使自導跟蹤失去目標接觸。

李繼民[110]用水下連續爆炸聲信號分別對某型號國產魚雷和從國外引進的A244/S型魚雷進行對抗試驗。試驗結果表明, 無指向性的水下連續爆炸聲信號能夠使魚雷丟失目標并不斷重新搜索目標。特別地, 當水下爆炸出現在魚雷和目標之間時, 聲自導魚雷即使是現代智能化的自導魚雷也難以在此噪聲背景下區分出有效信號, 更無法對目標回波信號的前后沿陡度、形狀和距離進行邏輯判別。

曾星星[111]、裴善報[74]以主動聲制導魚雷自導探測距離平均下降率為水下爆炸聲干擾彈對抗效果的評價指標, 建立了魚雷自導探測模型, 并分別對不同海況、魚雷航行深度、干擾彈裝藥量等因素影響下的魚雷自導探測距離進行了仿真, 結果如圖12所示。仿真結果表明水下爆炸聲干擾彈產生的噪聲信號能夠對主動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探測距離下降率能夠接近50%。

鑒于單個水下爆炸藥包難以形成長持續時間的低頻輻射壓力信號, Kedrinskii[112]在其著作中引述了幾種索式水下爆炸聲源, 通過給定時間間隔單獨或連續地起爆, 在水中產生了一系列脈沖式沖擊波和強混響聲。其中一種爆炸聲源將一系列高爆炸藥包按照鏈式垂直排列, 另一種爆炸聲源將炸藥制成爆炸索并螺旋纏繞。螺旋纏繞爆炸索產生的典型信號如圖13所示。盛振新[15]、裴善報[74]將10個爆炸單元用纜繩串聯后設定一定的時間間隔連續起爆, 同樣形成了類似于圖13所示的連續脈沖信號, 有效干擾時間可達秒級。

圖13 扁平螺旋裝藥水下爆炸時的水聲信號

4.3 海洋預報

全球業務化海洋預報系統以海洋動力數值模式作為動力框架, 將近實時高質量的觀測場通過資料同化輸入到模式中, 實現對全球范圍多時空尺度海洋狀況的預報。海洋環境的參數反演是海洋預報環節中不可缺少的重要步驟。

海底聲學參數如海底密度、聲速和聲衰減等是利用聲學研究海底的重要指標, 與海底物理特性有著密切的關系。對海底直接取樣, 價格昂貴, 速度慢, 且只能提供離散點的信息, 而通過信噪比較高的爆炸聲回波反演海底聲學參數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注。海底聲學參數反演試驗布置一般如圖14所示。

圖14 海底參數反演試驗示意圖

商德江等[113]在中國北海海區使用手榴彈作為爆炸聲源進行了海底參數反演試驗, 反演過程中, 根據本地混響試驗時所投的爆炸聲信號的直達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幅值, 結合Hamilton經驗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數據進行海底地聲參數反演, 反演過程中考慮到不同海底聲參數對不同聲場物理參數的敏感程度不同、不同海底聲參數對不同反演方法的敏感程度亦不同的特征, 綜合應用了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聲參數。

徐東等[115]考慮到爆炸聲源的二次脈動時間只與爆炸深度和炸藥當量有關, 利用濾去二次脈動和海面反射信號的爆炸聲, 結合射線模型反演了沉積層的聲速和厚度, 并根據Hamilton經驗公式計算得到了沉積層密度。

5 展望

綜上所述, 在工程界和學術界, 國內外學者對水下爆炸及其聲學效應進行了大量的理論、試驗研究和探索, 盡管相關研究取得了重要進展, 但在諸多方面仍然面臨新的挑戰, 水下爆炸聲源技術的研究工作在以下幾個方面仍有待于加強, 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構、起爆狀態的量化關系尚不明確, 從水下爆炸動力學理論和波動理論等方面深入闡述高能炸藥材料水下爆炸的能量轉換機制和致聲機理方面的研究較為缺乏;

2) 對于水下爆炸聲混響效應的評估和表征多依賴于水下爆炸試驗方法, 缺乏綜合考慮爆炸聲信號時空特性和水域界面效應的水下爆炸聲混響強度預報表征方法。HHT等信號分析方法在水下爆炸的應用愈發廣泛, 但仍存在包絡定義、模態混疊現象等許多問題, 需要研究適合水下爆炸聲的寬帶非平穩信號分析方法;

3)陣列式水下多脈沖爆炸強噪聲源的致聲機理及工程應用尚處于探索研究階段, 對于水下多脈沖爆炸聲混響效應的表征評估及應用有待于進一步拓展, 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特性以及多個裝藥爆炸產生的沖擊波之間相互作用規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.

國家自然科學基金項目資助(11972197).

郭 銳(1980-), 男, 博士, 教授, 主要研究方向為水下爆炸聲學效應.

(責任編輯: 楊力軍)