第七章 海洋中的混响
海洋混响是主动声纳的背景干扰之一，它限制了声纳设备的作用距离。混响是伴随声纳发射信号产生的，它与发射信号特性密切相关，而且还与传播声道特性有关。混响是由海洋中大量无规散射体对入射声信号的声散射在接收点迭加而形成的，它是一个随即过程。
7.1 海洋混响的基本概念
1、混响的分类
海洋中存在大量的散射体：海洋生物、泥沙粒子、气泡、水团等，不平整海面和海底；它们构成实际海洋的不均匀性，声波投射其上时，产生散射声场，它们在接收点上形成混响场。下图为实测到混响的例子（爆炸声）。混响信号紧跟在发射信号之后，是随时间衰减的颤动声响。
根据混响场特性不同划分：
? 体积混响：海水中流砂粒子、海洋生物，海水本身的不均匀性等对声波散射所形成的混响。 ? 海面混响：海面的不平整性和波浪形成的气泡层对声波散射所形成的混响。 ? 海底混响：海底及其附近散射体形成的混响。
海面混响和海底混响统称为界面混响（散射体分布为二维的）。
2、散射强度
定义：参考距离1米处被单位面积或体积所散射的声强度与入射平面波强度比值的分贝数。
Ssv?10lgIs Ii式中，散射声强度是在远场测量后再归算到单位距离处的。散射强度是表征混响的一个基本比值，利用它计算各类混响的等效平面波混响级或进行混响预报。
体积混响的反向散射强度值为－70dB~－100dB，远小于海面和海底值。
3、等效平面波混响级
混响声场是非各向同性的，在混响为主的干扰背景情况下，声纳方程中用等效平面波混响级RL替代NL-DI项。
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等效平面波混响级：若接收器接收来自声轴方向入射的强度为I的平面波输出端电压为V，如将接收器放置在混响声场中，声轴对着目标，接收器输出端电压也为V，则混响场的等效平面波混响级RL：
RL?10lg式中，I0为参考声强。
I I0注意：混响是随时间指数衰减的，因此，要分析接收信号干扰的大小和到达时间。
4、基本假定
（1）直线传播，计及球面衰减和海水吸收；
（2）散射体分布是随机均匀的，且每个散射体贡献相同； （3）散射体数量极多，单位体积元和面元有大量散射体； （4）不考虑多次反射；
（5）脉冲时间足够短，忽略面元和体积元尺度范围内的传播效应。
7.2 体积混响
1、对混响有贡献的区域
海洋中散射体的散射波不会都在同一时刻到达接收器：海洋中存在大量散射体，它们距离声源和接收器的距离远近不一样，入射声波照射到散射的时刻有先有后。某时刻的混响是该时刻所有到达接收器的散射波的总和。
结论：只有海洋中部分散射体对某时刻混响有贡献。
以体积混响为例：
考虑收发合置情况，位于O点，发射脉冲宽度为?，根据球面扩展假设，该脉冲在海水中形成一个厚度为c?的扰动球壳层，发射脉冲结束后的t/2时刻，该扰动球的内外半径为
r1?ct/2，r2?ct/2?c?
解释：球壳内的散射体在t/2时刻的散射波，不能在同一时刻传到接收器。球壳内层半径为r1的A点脉冲后沿激发的散射波在t/2时刻开
始传向接收点；而半径为r0的B点，脉冲前沿在t/2??2时刻开始 c?/2的混响散射层 向接收点发出散射波，到达A点的时刻恰好也是t/2，它们可在t时 刻同时到达接收点。
注意：注意脉冲的前沿和后沿。位于r1和r0之间的散射体都和B点类似，都会对t时刻的混响有贡献。上述推导也适用于海面和海底混响，圆环替代球壳。
2、体积混响理论
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体积散射的几何图
（一）体积混响的等效平面波混响级 假设散射体为均匀分布，指向性发射器的指向性为b??,??。
（1）单位距离处的轴向声强为I0，则在空间(?,?)方向上的声强为I0b(?,?)； （2）考虑(?,?)方向上r处有一体积为dV的体积散射体，根据上节假设（1），dV处的入射声强度为I0b(?,?)/r2；
??Iscat/Iinc，则可得在返回声源（3）根据散射强度的定义：SV?10lg?Iscat/Iinc?，令SV?dV； 方向距离dV单位距离处的散射声强度为I0b(?,?)/r2?SV???dV/r4； （4）在入射声波作用下，由dV产生的返回声源处的散射声强度为I0b(?,?)SV（5）设接收器指向性为b?(?,?)（收发合置则有b??b），则对接收器输出端有贡献的声强
?dV/r4。 绝对值为I0b(?,?)b?(?,?)SV（6）总的散射声强为
I0?V?SVb(?,?)b?(?,?)dV r41b(?,?)b?(?,?)dV 4r（7）根据假设，每个散射体元的有相同的贡献，总散射声强绝对值为
??I0SVV（8）根据混响级的定义式和上式，体积混响的等效平面波混响级为
??1?I0???RL?10lg?SV?4b(?,?)b(?,?)dV? Vr???Iref?（二）积分计算 对体积混响有贡献的体积是厚度为c?/2的球壳层，则有
dV?r2c?d? c式中，d?是体积元对接收点所张的立体角。
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代入等效平面波混响级积分公式得：
??c?1?I0???RL?10lg?SVbbd?? 2?I2r???ref?注意：式中积分bb?d?一般不易求得，若将其视为发射-接收的组合束宽，则可以用一理想的等效指向性来替代它。
设有立体角?，具有如下指向性：在立体角?内，相对响应为1；在立体角?外，响应为零，即
??4?0bb?d???1?1d???
0?用理想指向性替代实际合成指向性，则等效平面波混响级为
?c??2??I0??RL?10lg?SVr? 4I2r???ref?或写成
?c??RL?SL?SV?40lgr?10lg?r2?? ?2?式中，SL为发射声信号的声源级；
c?2r?为产生混响的体积（注意：理想合成指向性条件下）；2r?ct/2
r是散射体到接收器之间的距离，它与传播时间t之间的关系为：
注意：传播时间t真正含义。
体积混响等效平面波混响级的理论公式：
RL?SL?SV?20lgct?c???10lg??? 2?2?变化规律：混响声强与入射声强度、发射信号的脉冲宽度、发射-接收换能器的组合指向性束宽等量成正比，与混响时间的平方成反比，与散射体元的散射强度也有关。
常识：如何减小混响，即如何抗混响？在不影响作用距离的前提下，适当减小发射信号声功率；采用尖指向性的收发换能器，以得到窄的组合波束；发射信号采用窄脉冲宽度。 问题：如何提高主动声纳的作用距离？
3、深水体积混响源及其特征
概念：回声强度强的层称为深水散射层（DSL），它是体积混响的主要来源。 混响源：生物性的：磷虾科动物、乌贼和挠足类动物；
非生物性的：尘粒和砂粒、温度不均匀水团、海洋湍流、舰船尾流
特点：有一定厚度；深度不固定不变的，具有昼夜迁移规律，深度变化可达几百米；具有低频选
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频特性。
混响产生的原因：散射体是生物性的，为存在于海洋中的海洋生物；低频选频特性是由含气鱼鳔所造成；非生物性的散射体对散射贡献微不足道的。 注意：用垂直向下的测深仪测量。 散射层声学特性：
（1）深度大约在180~900m，典型深度为400m，而其厚度则为90m；
（2）在24kHz左右，层中的SV值为-70~-80dB，整个层中的SV值也是变化的；
（3）在1.6~12kHz范围内，层中SV值具有频率选择性，在不同深度上，层有不同共振频率，反
映了层的多层结构；
（4）存在于全地球的海洋中，是全地球海洋声学和生物学上的有规律的特征； （5）散射层在日落时上升，日出时下降，白天和夜晚深度保持不变。
4、舰船尾流
概念：航行中的舰船的螺旋桨所产生的一条含气泡湍流 特点：宽度变化：开始时，其宽度与船宽一样，以后逐渐增宽；
深度变化：开始时，厚度约为2倍船吃水深度，而后逐渐发生变化； 持续时间：保持时间长，延伸很远。
结论：视为大目标，其回声具有混响的一些特征。
尾流强度W：用来描述尾流声散射作用的参量，定义为单位长度尾流的散射强度，与SV相类似的一个量；它与舰船类型、航行速度和深度以及频率等量有关。 强度为W尾流上的回声级：
EL?SL?40lgr?W?10lgL
其中，SL为声源级，L??r，?是等效平面角束宽，r为距离。 注意：上式适用于长脉宽情况。
7.3 海水中气泡的声学特性
海面混响是由海面的不平整性及波浪产生的小气泡对声波的散射形成的，所以，海面混响的特性与水中气泡的声学特性密切相关，在讨论海面混响之前，我们来讨论水中气泡的声学特性。
1、小气泡对声波的吸收作用
需注意问题：小气泡不属于吸声材料，但由于小气泡群的吸收和散射作用，声波通过这种气泡群后会产生很大衰减。
衰减的原因：气泡散射——气泡的存在使介质出现不连续性；
气泡再辐射——在入射声波作用下，气泡作受迫振动，向周围介质辐射声能； 气泡热传导——气泡的压缩、膨胀产生热传导；
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