定深爆炸声源声信号能量分配试验研究

曹 亮，韩引海，谢 辉

(91388 部队45 分队，广东湛江524022)

0 引 言

为提高海洋水声环境调查效率，在海洋水声传播调查过程中，大量地使用大功率、宽频带、机动方便、无指向性的定深爆炸声源[1-2]。该声源级的准确测量对声传播损失的确定至关重要。

由于定深爆炸声源的声信号经过声信道的多途传播，远程(>10 km)获取的爆炸声信号难以分离出冲击波及后续气泡脉冲，导致冲击波的传播损失难以获取。因此，测量爆炸声信号总声能量的传播损失成为一种替代手段。

爆炸声信号的总声能量应当只包含爆炸声源的直达波，不包含海面、海底等声信道导致的反射波。然而，由于实际测量条件的限制或者采用了不合理的测量方法，导致获取的爆炸声信号直达波和反射波交织在一起，难以分离，为爆炸声源级的准确测量带来了困难。肖勇兵等[1]、刘清宇等[3]通过截取主要能量段的方法来近似计算声源级。库尔[4]曾对混合炸药爆炸的能量分配进行了试验研究，获得了不同阶段的能量分配情况，但未将其应用于爆炸声源级的测量。

本文通过合理设计测量方案，在某次海上试验中，获取了理想的水下爆炸声信号，以此为基础计算了不同阶段内声信号的能量分配情况，并分析了不同信号截取方式带来的声源级测量误差。

1 水下爆炸声信号的特性

水下爆炸会产生压力巨大的冲击波，峰值Ps(单位：µPa)为[1]

式中：ω 为炸药的有效药量，单位为kg；R 为测量点至爆炸点的距离，单位为m。

冲击波离开后，爆轰产物在水中以气泡的形式存在。气泡内部压力远大于周围静水压力，气泡以较大速度膨胀，并迫使周围的水体向外运动，气泡内部压力逐渐降低，当膨胀到内部压力与静水压力平衡时，气泡膨胀速度达到最大，此后，因惯性作用气泡继续向外膨胀直至体积最大，气泡停止膨胀；此时，静水压力大于气泡内部压力，气泡开始收缩，直至体积变成最小，气泡内部压力大于外部压力，气泡又开始膨胀，如此反复膨胀、收缩，形成气泡脉动[5]。水下爆炸声信号示意图如图1 所示。

图1 水下爆炸声信号示意图Fig.1 Schematic diagram of underwater explosion sound signal

爆炸产生的冲击波和一次气泡脉动之间的时间间隔(单位：s)为[1]

二次气泡脉动与一次气泡脉动之间的时间间隔为

三次气泡脉动与二次气泡脉动之间的时间间隔为

式(2)～(4)中：H 为爆炸声源离海面的深度，单位为m，该深度由压力引信控制。由式(2)～(4)可知，气泡脉动的时间间隔由炸药的有效药量和爆炸深度决定。

盛振新经过仿真计算，发现水下爆炸冲击波在传播至距离爆炸中心90 倍药包半径处，其传播速度降到1 500 m·s-1左右，和声信号在水中的传播速度相近，可以认为冲击波经过一定距离传播后，可作为水下声信号来研究[6]。因此，文中将水听器接收到的冲击波作为水下爆炸声信号的一部分。

理想的水下爆炸声信号应由无边界的水域中爆炸声源所产生。但现实环境中难以找到无边界的水域进行测量，只能尽可能将爆炸声信号的界面反射波与直达波在时间上进行分离。考虑爆炸声信号的实际能量分配，认为冲击波的界面反射波在三次气泡脉动后到达的声信号为理想的水下爆炸声信号。

2 理想水下爆炸声信号测量限定条件

海上定深爆炸声源的声源级测量系统示意图如图2 所示。系统采用双船作业，测量船停主辅机漂泊，将温深传感器固定在接收水听器上，再将水听器布放入水中一定深度，用导航系统(Global Positioning System, GPS)实时记录入水点位置，水听器信号接入录音机；定深爆炸声源在投弹船上投入水中，到达一定深度时会自动触发引信爆炸，用手持GPS 实时记录声源入水点位置。图2 中，定深爆炸声源爆炸深度为H，接收水听器深度为h，二者的水平距离为L，直线距离为r1，爆炸声源声波经海面反射到达接收水听器的距离为r2+ r3。

由于试验海区选在水深大于5 000 m 的深海区域，海底反射波到达测量水听器的时间将远远落后于海面反射波，因此，本文不予讨论。

图2 定深爆炸声源声源级测量系统的示意图Fig.2 Schematic diagram of explosion sound source level measurement

2.1 反射波在三次气泡脉动后到达(条件1)

冲击波的界面反射波是在三次气泡脉动后到达的声信号，即

式中，c 表示声波在海水中的传播速度。将式(2)、(3)、(4)代入式(5)，可得：

2.2 信号不限幅(条件2)

搭建的测量系统使用BK8105 标准水听器，灵敏度LM为−220.0 dB，数字录音机量程UM最大为20 V，为确保冲击波峰值不限幅，应满足式(7)：

式中，Ps表示冲击波峰值，P0为声压基准值，P0=1 µPa，将式(1)代入式(7)，得

2.3 信噪比足够(条件3)

在水声传播关心的20Hz～10kHz 频段内，对于航运中等，风速11～16 kn，可根据深海平均环境噪声谱[7]，计算得到海洋环境噪声宽带声压级约为98 dB，对于所搭建的测量系统，采集获取的环境噪声电压有效值略小于1 µV。

由式(1)可知，对于有效药量大于100 g 的爆炸声源，在接收距离小于2 km 时，其冲击波的峰值压力大于6.95×108µPa。该压力导致测量系统产生的电压响应为16.8 mV，远大于环境噪声电压的有效值。

3 数值计算

图3 B300 声源级测量时水平距离和水听器深度的取值范围Fig.3 Value range of honrizontal distance and hydrophone depth for B300 explosion sound source level measurement

图4 B100 声源级测量时水平距离和水听器深度的取值范围Fig.4 Value range of honrizontal distance and hydrophone depth for B100 explosion sound source level measurement

取有效药量为1 kg 的炸药、深度分别为300、100 和50 m 的三型定深爆炸声源(后面分别简称为B300、B100 和B50)。接收水听器电缆总长度为200 m，考虑风、流的影响，以及测量船上预留部分用于连接采集设备，水听器的实际深度将不大于150 m。

将各参数代入式(5)和式(8)，经计算，对不同型号的爆炸声源，投弹船与测量船的水平距离L 与水听器深度h 在图3～5 中阴影处取值时，可获得符合条件1～3 的声信号。

图5 B50 声源级测量时水平距离和水听器深度的取值范围Fig.5 Value range of honrizontal distance and hydrophone depth for B50 explosion sound source level measurement

4 试验验证及能量分配计算

4.1 试验验证

在某次海洋调查中，在图3 中的阴影区域选择一个点(水平距离L 为260 m，水听器深度h 为57 m)，设计了B300 爆炸声源的测量方案，对11枚该型声源进行了测量，水听器接收到的典型爆炸声信号如图6 所示。由图6 可知：三次气泡脉动峰值时刻为0.121 s，在冲击波的水面反射波(到达时刻为0.137 s)之前到达。因此，根据第3 节所限定条件设计的测量方案能获取理想的爆炸声信号。

图6 实测B300 爆炸声信号Fig.6 The measured B300 explosion sound signal

4.2 能量分配计算

对图6 中的电压波形，从冲击波电压响应起，电压波形出现5 个零点，依次将该波形划分为t1～t5时间段，之后至冲击波水面反射波电压响应到达前的时间段为t6，之后的信号为海面反射波。分别计算各时间段能量分配情况，具体结果如表1 所示。

表1 B300 爆炸声信号能量分配表Table 1 Energy distribution of the B300 explosion sound signal

由表1 可知：

(1) t1～t6各时间段的能量分配基本稳定，说明：爆炸声源重复性好，冲击波及气泡脉动过程能量分配基本稳定；

(2) 冲击波正脉冲能量(t1时间段)约占声源总能量的53.8%，一次气泡脉动正脉冲能量约占声源总能量的32.4%(t3时间段)，t1+ t3时间段合计占总能量的86.3%；

(3) 二次气泡脉动正脉冲能量约占声源总能量的2.2%(t5时间段)，t1+ t3+ t5时间段合计占总能量的88.5%。

4.3 爆炸声源级计算

爆炸声源级的计算公式为

式中，E 为选取时间段的信号能量。根据文献[1]的信号选择方式，截取图6 中的t1和t3时间段信号计算爆炸声源级，由此带来的误差为0.64 dB；根据文献[3]的信号选择方式，选取t1、t3和t5时间段信号计算爆炸声源级，信号截取带来的误差为0.53 dB。

5 结 论

在定深爆炸声源的声源级测量中，若未能合理设计测量方案或者担忧船体受损等因素，会导致水听器接收的信号不是理想的爆炸声信号。

为获取理想的爆炸声信号，本文给出了测量方案设计应满足的三个条件：界面反射波在三次脉动后到达、信号不限幅以及足够的信噪比。基于三个限制条件，对B300、B100、B50 三型爆炸声源的声源级测量时，对投弹船与测量船的水平距离L 与水听器深度h 的取值范围进行了数值计算。以B300为例，选取取值范围中的一点，设计了海上测量方案，并进行了海上试验验证。测量结果表明：基于这三个条件限制进行测量，能获取理想的爆炸声信号。

对实测的11 组B300 爆炸声信号各阶段的能量分配进行了计算，结果表明：该型爆炸声源重复性好，冲击波及气泡脉动过程能量分配基本稳定；在对声源级近似计算时，仅截取信号的冲击波和一次气泡脉动正峰值时，带来的误差为0.64 dB；截取信号的冲击波正峰值、一次气泡脉动和二次气泡脉动正峰值时，带来的误差为0.53 dB。

在后续的海洋调查中，对同一批次、同一型号的爆炸声源，可根据本文给出的限制条件，设计测量方案，以获取理想爆炸声信号，准确计算爆炸声源级。