【海洋技术】浅谈海洋水声环境对水声探测设备使用的影响

水声探测设备作为舰艇水下最有效的观察器材，水声环境的好坏将直接影响到其水下信息的获取能力。声波在海水中的传播，相对于在大气中传播要复杂得多，海水作为声传媒，其温度随季节、气候而变化，各水层的压力随深度而增加，其盐度（影响介质密度）随海区的不同也各有差异，其中的生物与小气泡也会对声波产生吸收和散射等效应。海洋水声环境造成的诸如跃层、中尺度涡、海洋锋、内波以及海底地形等都会对声的传播产生重大影响。

中尺度海洋涡旋是指一种特性的水团被另一种特性不同的水体所包围，同时自身具有封闭的顺时针和反时针方向旋转运动的海洋中尺度特征。在大洋中，海流流系两侧通常存在环流性涡旋，即中尺度涡。中尺度涡中的温、盐、声的空间结构与涡体外的结构明显不同。中尺度涡直径一般为100Km~200Km,涡流流速可达2Kn~3.9Kn,影响深度可达几百米，且中尺度涡的持续时间很长，有3~6个月或更长时间的寿命。

海洋锋一般指性质明显不同的两种或几种水体之间的狭窄过波带。狭义而言，有人将其定义为水团之间的边界线，广义的说，可泛指任一种海洋环境参数的跃变带。海洋锋的持续时间，短者仅数小时，长者可达数月或更长。海洋锋附近流场的分布，具有明显的特征，即平行于锋的流分量，在垂直于锋的方向上常有强烈的水平切变。

除了海面的波动外，在海洋内部也会发生波动形象，称为海洋内波。海洋内波是指密度层化的海水在受外力扰动后，在海水内部产生的波动，其最大振幅发生在海洋内部，具有独特的波形、远距离传播特性和很强的随机性，其波长一般为近百米至几十公里，周期一般为几分钟至几十小时，振幅一般为几米至百米量级。导致海洋内波的发生有两大要素：一是海水稳定分层，密度层化是内波存在的必要条件，密度层化强度越小，内波频率就越低，内波的传播速度就越小；二是存在扰动，如海表层的风、各种海流、海底地形的起伏、地震等引起的海底剧烈震动、船舶或潜体的运动以及鱼群游动等。

在风的作用下，海面会生成波浪，海面波浪既呈现周期性（或准周期性），又呈现随机起伏性。当水中的声波入射到起伏的海面上时，就会产生散射波，其中一部分声能量弥散到散射场，造成能量损失。海底也是影响海洋水声环境极其重要的环境因素。一般可以把地形分为四大类，第一类是阶梯形，这类海底主要是在浅海环境中对水声探测影响较大；第二类为海沟形，这类海底对水声探测的影响也主要表现在浅海海区；第三类是斜坡形，主要在过渡海区和浅海海区对水声探测影响较大；第四类为海山型，主要在深海海区和强切割海区出现。

不同的海洋水声环境对水声探测设备使用影响各不相同，并有着其内在的规律性。影响水声探测设备使用的海洋水声环境种类很多，这里仅从海洋锋、深海会聚区和中尺度涡这几种对其使用影响较大的海洋水声环境作简单的介绍。

例如某海峡附近海域水声环境非常复杂，强劲的黑潮从东边流过，温暖的黑潮水和较冷的陆架水交界处会产生显著的水平温度变化，形成“海洋锋”，由于黑潮强烈搅拌，还会产生涡旋。它们的空间尺度大约几百公里左右，时间尺度几天到几个月，在海洋学中称为中尺度现象。类似的还有近岸的潮汐锋、涌升流锋、河口锋等。锋好似一道水下声屏障，而且还会引起声线弯曲，大大降低水声探测设备的方位精度和探测距离。

深海声道或声波汇聚，是声波在深海传播过程中所形成的特殊现象。发生这种现象的必要条件之一是海区必须具有足够的深度，这样由声源发出的传播于海水中的声波便不至于触及海底而产生散射，而是通过各层海水的折射向更远处继续传播，形成多个声波会聚的区域，处于会聚区内的水声探测设备便可在该区接收到声波信号，深海的这一特殊的水声传播特性——会聚区现象，将使其作用距离可能增加至几十海里，甚至一百余海里。利用会聚区效应测得的目标信号具有明显的特征。

一是目标信号突然出现、突然消失。这正是由声会聚区和声影区影响所致。由于装载平台与目标都在运动，相互态势随时在变，目标信号突然出现，表明目标驶入声会聚区；目标信号突然消失，表明其驶出目标声会聚区。

二是目标信号持续时间比较短，通常为数分钟。这是由于装载平台与目标相对运动，而会聚区的区域范围一般比较小；

海洋中尺度涡是海洋中普遍存在的中尺度现象，由于具有较强环流特点和温度、声速结构的变异特性，其对舰船的航行安全和水下隐蔽、目标搜索都会带来重要影响。

一是在舰船行动展开之前，要充分掌握和了解活动海域海洋涡的分布情况，了解是否有海洋涡存在，以及海洋涡的基本属性、水平范围和影响深度，活动海域在海洋涡中的位置等。

二是如果活动海域在海洋涡中，水声探测设备相对于目标位置，适宜在偏冷一侧布设；冷涡时应远离涡中心，暖涡时应偏向涡中心。