定深炸弹爆炸信号声源级测量与数据分析

邹伟仁 赵秋茁

(91388部队，湛江，524002)

在海洋声学调查中，声传播损失的测量是必不可少的一项重要内容，得到作业海区的声传播的特征有利于己方舰艇探测敌方，以及寻求己方声隐蔽。在声传播损失调查中，一般采用单船作业方式，利用浮标或潜标接收投放炸弹水下爆炸产生的爆炸信号[1]。定深炸弹的声源级采取类似方法测量，采用小艇投放定深炸弹，作业船尾舷边布放信号接收水听器，爆炸与接收位置的水平距离可以利用小艇与舷边水听器布放点的GPS坐标计算。在这种水平距离的计算中，爆炸点的位置等效小艇的GPS坐标位置，接收水听器的位置等效船舷边布放点的GPS坐标位置，这种等效位置在海流较大时会产生一定距离计算误差。本文介绍基于单水听器接收的定深炸弹爆炸信号计算爆炸点与接收点距离的方法，可为海洋调查提供一定的参考。同时也分析了爆炸信号激波与第一气泡脉冲的声能量关系。

1 声源级测量实施方法

1.1 海域的选择

测量区域选择水深>1000 m的开阔海域，测量时海况要求不大于2级，实施示意图见图1。

图1 声源级测试实施示意图

为准确测量爆炸信号的声源级，一般需要选择深度较大且海流较小的海域，在间隔水听器10 cm处设置一个温深测量仪（Temperature-Depth data logger，TD）传感器，可以在整个测量过程中记录水听器的深度信息。海深较大时可减少海底反射对源级测量的影响。在实际测量过程中，定深炸弹投掷出去距离小艇2～3 m，同时因为海流的作用，水听器不在布放船舷边点的垂直布放位置，而在水平方向偏离船舷边布放点。Δr为信号接收点的水平距离偏离值：

式中，h1为信号接收点水深，Δh1为接收点深度变化值。以h1=80 m为例，假如因为海流的作用，实际水听器布放深度只有 78 m，则在水平方向偏离17 m，说明布放深度的变化会引起水平方向更大的变化。此时接收水听器的位置等效于船舷边布放点的GPS坐标位置，这种等效方法会产生一定的误差。

1.2 水平距离与水听器布放深度的选择

定深炸弹的爆炸点与测量水听器的水平距离是影响两者之间距离的主要因素。源级测量时两者不能相距很远，距离远时爆炸声信号受散射与粘滞吸收较大，有一定物理损失能量，产生声源级测量系统误差；距离近则水听器接收信号会限幅。水平距离一般选择100～250 m之间为宜。为方便提取直达声信号，准确计算接收信号的声能级，应在时域区分激波与其海面的反射声，直达激波脉冲与海面反射波之间的时间间隔T为[2]

式中，r为爆炸点与信号接收点的水平距离，h2为爆炸点水深。假如爆炸深度为25 m，有效炸药量为0.1kg，水平距离设计150 m，则T随接收点的深度变化如图2所示。图中，T随接收深度的增加而增加，同时T必须小于爆炸产生的第一次气泡脉冲与激波脉冲的时间间隔t[3]：

图2 时间间隔随接收点深度的变化

式中，W为有效的爆炸药量。经计算，t=50.5 ms。因电缆长度限制，选择接收点80 m水深，满足T

2 爆炸信号处理与分析

2.1 爆炸信号时域分析

按图1所示布放设备，设计小艇距离工作母船150 m，水听器布放深度80 m，投放25 m定深炸弹，有效炸药量为0.1 kg。信号时域波形如图3所示。

图3 信号时域波形

图3中，标准水听器接收的信号含有激波脉冲、两次明显的气泡脉冲以及它们的海面反射声信号。激波的反射声与直达声时间间隔T大约为15 ms，与图2所示设定值大体一致。6组定深炸弹的爆炸信号时域波形如图4所示。由图可以看出，波形一致，都出现了典型冲击信号。

图4 6组爆炸信号波形

由6组定深炸弹的爆炸信号时域波形得到时间间隔T，由T计算得到爆炸点与接收点之间的水平距离r，如表1所示。

表1 爆炸点与接收点之间的水平距离

2.2 爆炸信号声源级计算

声源级的计算首先截取水听器接收的直达声部分，去除海面反射部分，计算公式如下[4]。

图5 截取爆炸信号直达声波形示例

6组定深炸弹信号的声源级如图6所示，信号的源级变化趋势一致，且低频能量明显高于高频能量；其中在500～2000 Hz范围内6组信号的源级计算大体一致，误差很小；2000～4000 Hz之间最大差异在3 dB范围内，存在一定误差。

图6 6组炸弹声源级计算值

在实际情况应用定深炸弹声源级计算声传播损失时，可以通过计算同一类型炸弹的多组信号源级均值减少误差。

2.3 爆炸信号声能级分析

爆炸信号激波与气泡脉冲的声能量关系如图7～8所示。6组炸弹的爆炸信号第一气泡脉冲与激波声能级比在500～4000 Hz范围内大致呈线性递减的关系；第二气泡脉冲与激波声能级比总体都小于第一气泡脉冲与激波声能级比。同时，因为第二气泡脉冲包含了干涉的结果，能级比在 0.72～0.86的范围内有一定的差异。

图7 爆炸信号第一气泡脉冲与激波能级比值

图8 爆炸信号第二气泡脉冲与激波能级比值

3 结束语

在海洋调查水下定深炸弹爆炸信号声源级测试过程中，因爆炸点与信号接收点距离近，由直达声与海面反射声到达接收点的时间差计算两者之间的距离是可行的。建议在海流较大且实际海况较复杂时，按图1测试方法，采取本文介绍的方法计算爆炸点与信号接收点之间的距离。而且爆炸信号第一气泡脉冲与激波声能级比大致呈线性递减的关系，在低频段能量比高，高频段能量比低，炸弹爆炸低频能量衰减较高频慢。