Page 19 - 《应用声学》2021年第4期

第 40 卷 第 4 期 张朝金等： 国际监测系统水听器台站监测能力分析 503

3 监测能力分析 互易原理，以水听器深度为声源深度，在每个方

位角上计算距离 -深度的二维传播损失。声场分布
3.1 对潜艇的监测能力分析
的部分结果如图 9 所示，图 9(a) ∼ 图 9(c) 分别对应
对声呐系统的探测性能进行分析本质上就是 HA11台站北侧水听器在 315 方位角的传播损失结
◦
比较传播损失 TL与优质因子 FOM的关系，以此得 果，图 9(e) ∼ 图 9(g) 分别为 225 方位角的传播损
◦
到声呐系统的探测距离或者探测概率。潜艇目标一 失，频率依次是10 Hz、50 Hz和100 Hz。从图9中可
般可根据声源级进行分类，如 Miasniko [13] 给出了 以看出，随着频率的增加，声场的空间分布起伏越发
部分潜艇的源极数据，如图 8所示，对常规柴油动力 剧烈且海底地形对声场有一定的遮蔽作用。
潜艇，在 10 ∼ 100 Hz 频段，潜艇源级功率谱密度约 图 10 为 HA11 北侧水听器附近的声场在不同
为 110 ∼ 135 dB。随着潜艇技术的进步，新建潜艇 深度上的二维分布 (10 ∼ 100 Hz 宽带平均的结果)。
的辐射噪声功率谱密度逐渐降低。文献 [13] 中根据 深度变化导致的声场变化明显，从而导致潜艇在不
频率范围 5 ∼ 200 Hz 内最大功率谱密度对潜艇进 同深度上探测距离有明显变化。图 11 为不同月份
行分类，定义噪声 (Noisy)潜艇的源级为 140 dB，安 的结果对比，由于水听器处于深海声道轴附近，深海
静型 (Quite)潜艇的源级为 120 dB，极安静型(Very 的声速剖面比较稳定，表层的声速变化对声场的影
quite) 潜艇的源级为 100 dB。以上数值是潜艇在 响较小，所以不同月份引起的探测能力变化很小，可
“极安静工况 (Ultraquiet operation)” 下的结果，此 忽略不计。
时，螺旋桨和电力系统引起的噪声是主要的噪声 从图 10 可以看出，对于 FOM=60 dB 的情况，
源。当潜艇提高航速时，源级会相应地增加，潜艇巡 台站的探测距离也只局限在水听器附近非常小的
航时，速度为 8 kn，辐射噪声源级比 “安静工况” 下 距离范围内。深海近距离的声场传播损失可以近
高约 5 ∼ 10 dB，在航速 15 kn 时，会高 15 ∼ 20 dB。 似用球面衰减(20 lg r)来计算。当优质因子FOM =
设潜艇在10 ∼ 100 Hz频段内的SL为100 ∼ 140 dB， 60 dB 时，球面衰减的距离仅仅为 1 km，图 10 所示
当 NL = 75 dB 时，可计算得到无指向性水听器相 的距离范围 (半径 100 km) 对于潜艇探测能力估计
应的FOM为25 ∼ 65 dB。 来说过大，不利于进行准确的图像分析。将图 10
放大到半径 10 km 的范围，如图 12(a)、图 12(b) 分
1 2. ੍̄˗ᄊ໸ᓙѬѿښ10ᓬ֗6ᓬᓈᤴʾᄊູጟ;
3.—ΩᎭள641໸ᓙښᓈᤴ2ᓬʾ50 Hz௑ູጟ; 4. ॴ 别为潜艇位于100 m和300 m深度时的传播损失分
ڎ209໸ᓙښ8ᓬᓈᤴʾˀՏᦊͯᄊູጟ; 5. ဘ̽ኄ
ʼˇႍڎࠒ಑үҧ໸ᓙᄊູጟ; 6. ΩᎭள887໸ᓙ 布。从图 12 中可以看出，传播损失存在不同方向上
50 Hz௑ູጟ
140 的差异，在某一方向上，传播损失也不一定是单调
递减的。
໸ᓙູጟ/(dB re 1mPa) 120 6 4 4 1 2 听器对不同源级的潜艇在不同下潜深度 (100 m、
130
表 2 和表 3 给出了 HA11 台站北侧和南侧水
3
300 m和500 m)的探测距离估计，计算时使用 10 ∼
110
100 Hz 的宽带传播损失。表中的探测距离是所有
100
指定 FOM 值的传播损失对应的最大距离。从表中
90 5 方向上的平均结果，每个方向上的探测距离为大于
10 2 10 3 可以看出，当FOM 6 50 dB 时，对任意深度的潜艇
ᮠဋ/Hz
目标均没有探测能力，此时潜艇的源级为 125 dB
图 8 常规潜艇 (柴电动力) 的源级 [13]
(10 ∼ 100 Hz 频带内的谱级)，已经高于安静型潜艇
Fig. 8 The source level of conventional submarine
在低速时的数值。利用潜艇噪声限值模型，可计算
(diesel electric) [13]
得到当低频连续谱谱级为125 dB 时，其线谱的最大
使用基于抛物方程方法的水声传播模型计算 值约为 131 dB，此时对于 500 m 深度的目标探测距
水听器台站 HA11 附近的传播损失。海底地形选 离仅 400 m。当FOM 进一步提高时，才有了一定的
用如图 2 所示 GEBCO 提供的数据，声速剖面选用 探测能力，例如FOM = 60 dB 时，对300 m 深度的
全球海洋地图集 (WOA) 提供的月平均数据。根据 目标探测距离为0.9 km。