声呐水声学(7)

典型的混响
混响的统计规律主要研究各类型混响的包络的概率分布和起伏率。混响是大量散射波的叠加，根据中心极限定理，混响的瞬时值应服从均值为零的高斯分布，其包络服从瑞利分布，起伏率等于0.523。而含有海底散射波的混响应服从均值不为零的高斯分布，其包络应服从赖斯(Rice)分布，实验结果表明，这一推断是正确的。浅海混响包络的起伏率一般在0.3～0.5之间。
以射线理论为基础的近程混响的理论早在40年代就已完成，并对近程混响的统计规律已作了大量的实验研究，包括混响振幅的起伏率、时间和空间的相关性、频率的分布等特性。随着现代声呐作用距离的提高，远程混响问题是正在大力探讨并取得进展的研究课题。
水声信号场

水上飞机船身侧视与剖面形状
水声信号的起伏和散射是由于海洋中存在着随机不均匀体，它们主要可分为三类：①海面和海底的随机不平整；②湍流引起的热微结构；③内波引起的声速变化。这三类不均匀体的前向散射或对声波相位的扰动，则形成信号场的起伏，它们引起的声场起伏的规律也各不相同。 水声信号场的起伏和散射是一个十分复杂的问题。到为止，还只有抽取某项主要机理而简化其他因素加以研究。
海面波浪引起的声起伏
是研究的重要课题，它简化为随机起伏表面所限制的均匀半空间中的声场起伏问题，理论分析方法基本上有两种：①从格林公式和相应的软边界条件出发，再假定表面的不平整性足够平缓，而得到解析解。②直接寻求起伏表面的平均反射系数，它适用于绝对软或绝对硬的界面，同时也只适用界面粗糙度较小，因而散射场的随机分量远小于平均分量的特殊情况。对于一般的情况还待于发展新的理论分析方法。
湍流引起的声起伏
湍流引起的各向同性分量的温度起伏场对于声速有扰动。声信号相对振幅的起伏同相位起伏的均方值相等，而且正比于波数的二次方、媒质折射率起伏的均方值和相关半径以及传播的距离。
内波引起的声起伏
内波属于重力波。近年来，关于低频远距离声传播起伏的实验结果表明：声信号在数分钟以至数小时时间尺度上，相位相当稳定，而振幅却有相当快的随机起伏，即振幅起伏与相位起伏具有完全不同的时间尺度，这与由湍流的弱散理论得到的结论完全不同。所以，这个研究课题引起了水声和海洋动力学的很大注意。 研究认为，内波对声场起伏起主要作用的频率范围是惯性频率和韦伊塞莱 (V?is?l?)频率之间（见海洋中的内波），在惯性频率以下，对声场起伏起主要作用的是内潮的活动。对于深海内波已取得不少实验资料，突出地反映在由C.加勒特和W.H.蒙克提出的 G-M谱。但是对于浅海内波的研究，在国际上还处于初级阶段。由中国浅海的内波研究表明，由于存在尖锐的负跃层等因素，它具有与深海内波明显不同的某些特性。①在夏季典型负跃层条件下，声振幅起伏可达20dB，而在同一海区，冬季典型均匀层（无内波）条件下，声振幅起伏一般不大于数分贝；
②声振幅起伏与内波的活动程度有很强的关联性；③声相位起伏主要出接收信号振幅出现最小值的附近一段时间；④声相位和振幅起伏谱并非随频率平滑下降，在内波谱出现峰值处，起伏谱也出现相应的峰值，特别是在周期为8～10min处，这种周期成分出现大起大落的现象。
由上所述可见：高频近距离的声场起伏可用于研究海浪和小标度湍流；低频中远距离的声场起伏在惯性频率和韦伊塞莱频率之间的相位和振幅谱可用于研究内波；在惯性频率以下的超低频相位和振幅谱可用于研究内潮。海洋中的大尺度漩涡的运动规律也可用声学方法进行遥测。从而发展成为一种新型的水声学遥感方法，这种以声波传播作为积分探头来探测海洋的问题已日益受到重视。