声呐水声学(4)

对混响的研究大体上分为能量规律和统计规律两个方面。混响的能量规律的理论分析以声波在海洋中的传播理论和散射理论的结合为出发点，主要涉及混响强度同信号参量和环境因素的联系以及衰减规律。
随着声纳信号处理技术的发展，接收机输出数据率不断提高，靠声纳员来辨认出目标并测定其参量是很困难的，这就发展了机器辅助检测和自动检测的技术。
虽然水声信号处理的理论与雷达很相似，但由于水声信道的复杂性，仍有许多不同之处。
媒质中的波动理论
当声传播水平距离不特别远（几百千米以内）时，往往把海洋看作分层媒质，分层媒质中的波动理论在60年代已达到较为成熟的阶段（见分层媒质中的波）。 研究声波在海洋媒质中传播的主要方法是简正波理论和射线理论，它们是波动方程满足定解条件的解的两种表达形式。前者把声场表示为许多简正波的和，在浅海远程情况，一般只有头几号甚至只有第1号简正波起重要作用，因此用起来很方便。后者把声场表示为许多射线解的和，在高频极限情况，这些解退化为声线，类似于经典的几何光学射线，它具有清晰的直观图像，更适合深海。可以证明，波动方程解的这两种表达形式满足某种傅里叶变换关系。对于一般情况，W.K.B.近似方法是一种很有用的近似方法。基于W.K.B.近似的简正波解析表达式的物理图像不够直观，射线－简正波理论赋予简正波本征函数以射线解释，对于浅海情况，简正波本征函数的指数衰减系数可被理解为对应角度射线的海底反射损失除以跨度。
深海中的声传播
通过混合层声道、声发声道和会聚区等方式传播。
① 深海混合层声道。它使掠射角小于在混合层底部（即下边界）发生反转的临界角，使声线保持在声道中，从而形成较为良好的声波传播通道。在层的下面产生声影区，由于海面的声散射以及声道下边界引起的衍射，一些能量进入了影区，故影区不是完全无声的。混合层声道的传播损失除了几何扩展和吸收衰减外，还包括泄漏衰减。当频率低于第1号简正波的截止频率时，这种声道作用不复存在。 ② 深海声发声道。声发 (sofar)声道词意来源于SOFAR 系统营救坠海失事的飞行员。当声源置于声道轴附近时，由于声线向声速较小处弯曲，使一定掠射角内的声线不触及海面和海底而被保留在声道内。它的传播损失只包括吸收衰减和几何扩展，因此，对于较低频率的声波，由于吸收很小，能够传播得非常远。这种超远传播现象在40年代就已被发现。已经证明，几千克三硝基甲苯的爆炸声能够在海洋中 6000km远处被收听到。
图2绘出了中国南海典型深海声道的声速分布及声源位于声道上的声线图。如果接收器同样位于声道轴，则在这些声线中，偏离声道轴最大的声线最先到达，沿声道轴的声线最后到达，使在声道轴上爆炸声变为一个拉长的信号。
③ 会聚区。越靠近声道轴的声线携带的能量越大，所以接收信号的幅值随时间缓慢上升，到沿声道轴声线到达时取最大值，尔后突然截止。在声道中，由于邻近射线的交会形成声强度较强的焦散区。由交会而构成的包络线称焦散线，焦散线相交海面的区域称会聚区。会聚区中的峰值声强级有超过球面扩展加吸收达25dB的会聚增益，通常取10～15dB。会聚区宽度的数量级约为距离的5%～10%，而第一会聚区宽度约为5.5km。理论预言，在中国南海表面声速小于底部声速的海洋中也存在较强的反转点会聚区，结果已被实验证实。利用会聚区实现远程探测已成为现役声呐的一种重要工作方式。此外，还有相对次要的海底反射束传播方式。
浅海中的声传播
由于海底参与作用，使浅海声道比深海声道还要复杂。
① 均匀层声场。它是浅海声场中最简单、也是最基本的情况。C.L.皮克里斯首先以均匀液态海底模型及两液层海底模型讨论了均匀浅海中爆炸声的传播问题，为水声场的简正波理论作了开创性的工作。图4是高声速均匀层液态海底在一水平距离处所接收到的波形示意图，首先到达的是以海底声速作为群速度的底波，然后是群速度等于海水声速的水波，最后到达的是爱里(Airy)波。在频率较高时，海底的影响主要表现于界面反射损失。对于高声速海底，使用以小掠射角斜率、大掠射角常反射损失及分界角表示的三参量模型来描述海底反射损失，给理论分析带来很大方便。 ② 负梯度声场。在夏季无风天气，由于太阳照射造成声速随深度下降，形成负梯度声速剖面。浅海负梯度的平滑平均场强也存在类似的四个场区，但由于声速负梯度所引起的声线向下弯曲，使声线以较大的角度触及海底，导致声线碰撞海底的次数增加，并且每次碰撞又有较大的反射损失，使声能漏出声道的效应显著地大于均匀层，场强以更快的速度随距离而衰减。