水声学及其在海洋工程中的应用

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一、水声学是什么

水声学是研究声波在水中(主要是海水中)的发射、传播与接收的科学技术。它是近代声学的一个重要分支，是古老的物理学中的声学与信息理论、电子学、材料科学的有机结合。
海洋覆盖着71%的地球表面，海洋中容纳了地球上97.2 %的水。随着人类的开发，陆地资源日渐枯竭，有人预计21世纪将是开发海洋丰富资源的海洋世纪。水声学正是开发海洋的海洋工程的重要科学技术基础。

在陆上，用电磁波、光波从空中传递信息，进行测量、控制。但在海水中，电磁波、光波的吸收衰减非常大，在最清澈的海水中也只能穿透100m。而声波却得天独厚，在海水中的吸收只有电磁波、光波的1/1000。尽管声波比电磁波、光波的速度慢得多，能携带的信息量少得多，声波仍然是海水中唯一的传递信息的载体。

1912年，英国豪华游轮“泰坦尼克”号在北大西洋处女航中与冰山相撞沉没，成为一个世纪来令人关注的悲剧。第一次世界大战中隐蔽在水下的德国潜艇击沉了100多万吨位协约国的舰船。为了保证航行安全与探测潜艇，水声学就应运而生了。法国物理学家朗之万用钢板夹石英晶体片制成水下电声换能器探测潜艇，接着又发明了回声测深仪， 普遍装在舰船上。第二次世界大战中和战后的冷战期间，水声在国防和海洋工程中的应用不断发展，水声学也形成了系统的科学。

二、下海比上天还难

海洋是与陆地完全不同的广袤空间，为开发海洋资源，保护海洋环境，在海水中或海底上必须建造工作面，如平台、船、潜水器、海岸及海底建筑等，这些工程统称为海洋工程。

海洋环境比陆上、空中严酷得多：海水有很大的压力， 每10m水深增加1个大气压(约0.1MPa)，马里亚纳海沟有10000m深，压力为100MPa，海洋工程设施要耐受得起。高压海水无孔不入，必须要有极好的水密措施。海水是盐溶液，对普通金属有很强的腐蚀力；海水中的生物会附着在结构上造成污损；海洋的大气中充满盐雾，使电子线路和材料腐蚀、发霉。所以说下海比上天难是不过分的。

在海洋工程的各个方面，如海洋环境的观测服务、海洋石油天然气的勘探开发、海底矿产(沙矿、锰结核)勘探、海岸工程(包括港口、航道)、造船、航海、潜水、捕捞渔业等， 无不需要水声学来解决水下探测、通讯、控制、操作等任务，它能不干扰环境，实现遥测、遥控。至于在国防中的应用更是推动水声学发展的主要动力，因超出本文范围，不再赘述。

作为水声信息传播通道的海洋水体及其与大气、海底的边界在时间、空间上都是随机变化的，水声学研究首先就要面对这个挑战。水声场比电磁场复杂，不能沿用电磁学研究的成果。要使水声学更好地为海洋工程服务，就得使发射声信号、声传播信道和接收信号的处理相互适配。其中声信道是客观存在的，对它的研究最为重要。

三、水声信道

在海洋中传播的声波遇到声速不均匀的介质就被折射/反射。声速随温度、盐度和深度的增大而增大。大洋中盐度比较稳定，而温度随深度的增加而降低，并有一跃变层，叠加的结果使大洋深水中存在一层声速为极小的声道。声波从声速较高的水体折射回声道， 集中在声道中，成为远程传播声波最有利的条件。在浅海中，声波从海面(水-气界面)和海底(水-固界面)反射，部分能量透射进海底。海底的密度、颗粒度、压缩性及其随深度、水平距离变化的规律都会影响声场。由于折射/反射，自点源发出的声波不再按球面扩展规律传播， 而由多个途径传播。

多途现象使连续波产生干涉，相干性降低；使脉冲波产生拖散， 信息变得不能辨认。海水的切变和体积两种粘滞性和海水中溶存的镁盐、硼盐的分子弛豫现象，会吸收一部分声波的能量，吸收系数在某一频率范围内与频率的平方大致成正比， 所以低频声波传得远，在声道内竟能传至10000km！

声场的结构很复杂，严格地解波动方程是不可能的，水声物理研究的工作归根到底就是用各种近似方法解波动方程。解析方法考虑的条件很简单，结果与实际相距甚远。计算技术发展后，出现了“计算水声学”，对各种声场的仿真模型反复计算，在模型水槽内模拟，也到海上验证。

对声场的最简单的假定是认为海水的不均匀性是分层的，海底是液态的，不存在横波。射线和简正波两种近似方法是最常用的。射线法认为从点声源向各个角度发射声束，各声束之间没有能量交换，射线由不均匀层折射/反射，形成表示声场强度的声线图。声线图的典型现象有声线的反转点，存在集中声能量的声道、会聚带， 也有声能量很小的声影区、散焦面。声线图适于表示高频深海声场。对低频浅海声场，用声线图表示太复杂。简正波是在波道中水平传播的垂直分布一定的波，声场可看作各号简正波之和，分布简单的低号简正波衰减较高号波慢，所以可以用有限个低号简正波叠加表示远程声场。这两种方法代表了同一种物理现象，已经证明其生成函数间有傅里叶变换的关系。用这种近似，建立了平滑平均声场方法，可以较好地预报声场。根据理论分析和实验资料，解决了小掠射角的海底反射损失问题，建立了三参数模型。此外，抛物线方程(PE)近似方法适用于解决水平不均匀问题；角度谱近似方法、小波变换方法也有一定的适用范围。

考虑到实际上介质和界面的声学性质随传播距离而变，在平面内还有横向的不均匀， 人们提出了三维声场模型(3D)。在这种情况下，声波不在平面内传播，而成为深度、距离和横向距离的函数。实际上是用多个平行的平面代替三维空间。还用阶梯形或楔形海底模拟崎岖不平的海底，用分层不均匀液态、颗粒状固态等来近似模拟实际海底沉积物。

水体中的内波、孤立子水团、生物散射体，海面的波浪和附近的气泡，海底的粗糙表面都会使声场变得更为复杂，除空间分布外，还有时间域的起伏。深海中200m左右深度有深海散射层，是聚集的生物产生的，这些生物每昼夜有逐光运动。用统计数学方法可以计算出声场的概率分布、起伏、空间和时间相关性、起伏谱等。研究结果表明，在浅海中虽然存在多途现象，远距离声场仍有相当强的空间相关和相对稳定性可以利用。

利用垂直阵可在水槽和海上过滤出各号简正波分量，从而可以用简正波匹配的处理方法解决预报声场、推测声源的正问题，设计出最佳接收系统，也可解决由声场反演海洋环境的逆问题。

国际上对深海声场研究多年，解决得比较好。近年来由于美国在冷战结束后准备打沿岸的有限战争需要，加上海洋油气勘探提出的课题，西方学者把注意力转向更为复杂的浅海声场研究。我国因有世界上最重要的大陆架浅海，从60年代以来致力研究浅海声场，取得可观的成果， 使西方同行瞩目。

海水介质中的不均匀水团、悬浮粒子对声波产生散射，叫做体积散射。在粗糙的海面和海底分别产生海面、海底散射。这些不均匀性尺度远小于声波波长，散射遵守瑞利定律，是全向性的。而在尺度比声波波长大的目标和界面上产生菲涅尔散射。在接收点同时接收到了众多散射叠加起来产生的混响，会干扰有用信号。远程混响也可用前述的声场计算理论加以研究。声信号的更加普遍的干扰背景是噪声。环境噪声是各种不同性质噪声源产生的噪声的叠加。低频段的噪声来自水静压力的变化。100Hz附近主要是航远噪声。数百至数千Hz 范围内环境噪声主要由风浪产生。10kHz以上则只有分子热噪声了。常把环境噪声当作各向同性，实际上噪声源大半分布在海面。航船噪声是螺旋浆、尾流、机械产生的，对应它们的转速，有一些很强的线谱。

四、声系统研究

适于制造声发射换能器和接收换能器(亦称水听器)的材料必须有很高的电声转换效率。朗之万用的石英等压电晶体性能低，已绝少使用。压电陶瓷是目前应用最广的，其中偏钛酸钡久已让位于锆钛酸铅(PZT)，而压电高聚有机物(PVDF)与金属板复合则是大有希望的材料。镍铁合金磁致伸缩材料被压电陶瓷淘汰，但最近发明的超磁致伸缩材料稀土铽(Tb)、镝(Dy)的铁合金的性能却远超过PZT，现已解决了磁路和结构问题，有望推广。光纤水听器比PZT 水听器的灵敏度高出100倍，发展也很迅速。

发射换能器的结构除沿用的平板夹心式外，还有叠片式、镶嵌圆柱形、弯张式等。水听器则多做成近似全向性的球形、环形。除用换能器本身设计达到一定的指向性要求外， 还常采用多个换能器在空间排列成阵来实现。可分为线阵、平板阵、圆形阵等，安装在船壳上的叫共形阵，拖在船尾的叫拖线阵。各阵元一般要求有一致的性能，也可以通过幅度加权或相位控制，形成需要的波束，并能对声场进行扫描。合成孔径声系统利用运动的阵元经过时空变换可以扩展阵的有效孔径。

远程声传播所需要的极低频通常用爆炸声作声源，这种脉冲有很宽的低频频带(0～100Hz)。活塞气枪、电磁脉冲声源、电火花声源等是可以控制的低频宽带声源。低频传得远， 但指向性差而分辨力低，在这两方面往往需要折衷，选取最佳频率。发射大功率声波时会出现非线性饱和畸变。两种相邻频率的高频同时发射时，由于干涉， 在远场产生非线性差频， 这种低频兼有高穿透力、高分辨力的优点，只是效率太低。

与所有的测量问题一样，声学测量也有测不准问题。单频填充的短脉冲的模糊度指标不高。为了增大TW，减小混响干扰，采用调频、正交调幅、伪随机脉冲。为了克服多途现象造成的不确定性，选用各种脉冲编码方法，如移频键控(FSK)、跳频等。

五、水声信息的检测识别

水声信息的检测识别的任务是按照已知的信道和声系统性能，用高速数字计算芯片对接收到的信号进行空域和时域处理，增强信号，滤去干扰，最后进行识别和估值。空间处理技术有波束形成、相控、数字多波束、分波束互相关等，形成最佳的接收指向性。可以根据预估的声场，组成与之相匹配的简正波过滤阵，利用声道、会聚区等条件。

被动声检测系统的最佳接收系统是能量接收；主动声检测系统则是匹配滤波器，其传递函数是发射信号的模糊度函数。频/时域所用的数字处理方法有滤波、时间压缩、快速傅里叶变换(FFT)、噪声抑制、卡尔曼滤波等。了解声场和干扰性能后可以进行自适应滤波或线谱增强。对付混响干扰则采用预白化处理。用相关运算可以克服信道的起伏。检测多普勒频移可以得到目标运动速度的信息。

目标识别实际上是似然比检验。人可以根据先验知识对模拟记录进行识别。分析目标回波，找出特征矢量，可以组成数据库和专家系统， 模拟人判断目标的过程。神经网络系统在水声信息接收识别中也得到了应用。

六、用水声学观测海洋环境

设计海洋工程建筑物时，必须掌握海洋环境参量(特别是浪、流)的统计值。用水声学原理的仪器可以观测这些量。

把声系统固定在海底，垂直向上发射，接收波浪海面反射，由传播时间的起伏可以测出波浪的有关参量。用空间分布的阵可以用相关运算求出波浪的方向谱。

普遍应用的多普勒海流计(ADCP)测出海流产生的多普勒频移，可在船上、海底遥测各层深度海流剖面。声学相关海流计(ACCP)则利用船上两处接收到的信号的相关求海流。用这两种原理测海底，可以设计成计程仪。矢量平均海流计(VACM)则是用于测量单点流矢量的，它的工作原理是检出邻近两相对的反射面间顺流、逆流向传播的高频声脉冲的时差。从声脉冲在海水中悬浮的泥沙、生物、污染物的反向散射可以遥测悬浮物的浓度剖面。因悬浮物的不一致性，仪器需要现场标定。

低频声波在大洋声道内可以传播数千公里，美国Munk提出用类似医学层析的方法由传播时间反演出大洋中的涡旋和水温变化。海洋气候声学测温计划(ATOC)打算预测气候变暖程度。

七、海洋测绘及资源勘探

测深仪是最早开发出来的水声学仪器，为提高准确度，用窄波束补偿船的摇摆，用全球定位系统(GPS)定位，现场作出电子海图。用多波束测深仪可以测出航线两侧宽带的深度，使测绘工作效率大大提高。海底地貌仪又叫侧扫声呐，向航线两侧发射水平指向性窄、垂直指向性宽的声束，能显示出航线两侧的地貌。图像声呐用阵列得到被测海底或目标的图像。用较低频率、较大功率声源发射，声波穿透海底沉积物，能探查其性能、结构，工程地质勘探、考古等需要这种浅地层剖面仪。单频脉冲、调频脉冲、电磁脉冲源能穿透100m 厚的软底，在不均匀界面反射，得到地层剖面图，也可以用专家系统判读。用气枪、电火花声源可做出能穿透1000m深沉积层的深地层剖面仪，可用来探查地质结构、勘探海洋油气资源。选择与优势尺寸的锰结核匹配的频率，制成深海多频测深仪，与深海浅地层剖面仪配合，可以调查大洋锰结核的丰度。

勘探油气资源的物探法(地震法)实质上也是水声测量方法。用水中爆炸产生人工地震， 在远处用船后拖曳的线阵接收由各地层反射或折射的信号，每船可拖多达4条线阵，每条可有1000个阵元，接收大量信息。

在渔业中，用鱼群探测仪来寻找鱼群。鱼鳔中的空气对声波有很强的反射能力。垂直鱼探仪只能找到船下方的鱼群，水平鱼探仪可以扫描船的四周， 预估鱼群的资源量。

八、水声定位通信

水声定位系统可以用几何定位法测出船相对于海上某目标的位置。把3个以上发声器布设在海底组成基阵，在船上接收，根据时差定位的系统叫长基线定位系统；利用船长布阵的定位系统叫短基线定位；基阵尺寸与声波同一量级的定位系统叫超短基线定位。用定位系统测出船与目标的偏差，引导船至偏差极小的自动控制系统叫动力定位系统， 用于钻探船的井口重入和张力腿式油气开发平台的海上定位。

现代海洋工程广泛应用载人或无人潜水器进行观察、测量、检查、操作等工作。潜水器上装有海底测高仪、侧扫声呐、图像声呐、避碰声呐等导航设备，声通信装置保持它与母船、其他水下设备的联系，传递信息和图像。无人潜水器的操纵控制也靠声通道。