声学技术 | 海水声速测量方法及其应用
水中声传播的速度作为最基本的声学特性与水声事业发展紧密地联系在一起。1827年，瑞士物理学家Colladon 和法国数学家Sturm 在日内瓦湖进行了第一次水中声速测量试验，得到了极为正确的淡水声速。大约在20世纪初，水中声速值的精确测量推动了水声第一个实际应用的出现：人们在灯塔上安装潜水钟和雾号，通过在航船上测量钟声在水中传播和雾号声在空气中传播的时间差测量船舶与灯塔间的距离。从量纲上考虑，把海水中声传播时间转换为距离时都需要精确的声速值。在同一海域不同时间，回声测深仪性能会由于“午后效应”的影响而发生变化，所谓“午后效应”，即回声测距设备，每到下午性能就下降的现象。由于太阳辐射，深表层水温于下午升高，形成负梯度型声速分布，使声线向下折射，因此上午能够探测到的目标弱，甚至完全消失。回声测深仪因此成为精确测量海水声速的重要推动原因，而这种需要对于声呐应用中获得精确的目标距离数据显得尤为突出。本文根据海水声速的物理特性，分析了声速剖面对声呐等设备的影响和基于声速剖面的一些应用，揭示了海水声速对于水声研究的重要性，最后对目前主要的声速测量技术进行了总结，并对其发展进行了展望。
一、海水声速的特性
1. 海水声速的经验公式
通常所说的声速是指平面波的相速度，它是一种纵波，与密度、可压缩性有关。在海洋中，密度、可压缩性则与静压力、盐度以及温度有关。因此，海水中的声速C 是海水温度T、含盐度S 以及深度Z（静压力）的递增函数，它们之间具有复杂的关系，常用的经验公式为
在大多数情况下，这种简化的Del Grosso 声速方程已足够精确，可以满足大多数实际需要。但是要计算更精确的声速值，声速作为温度、盐度和深度的函数来说是远远不够的。比如完整Del Grosso 的表达式就有19项，每项的系数保留12位有效数字。除此以外，还有更多精确的经验公式可供选择。
2. 海水的声速分布
海洋中的声速分布是多变的，既有地区性变化，也有季节性变化和周、日变化。决定海水声速的温度、盐度和压力三个主要因素主要随深度变化，因而海水声速可近似认为主要是在深度方向上变化，也就是在深度方向上存在声速剖面。
典型的深海声速剖面具有声道结构。在海洋表面，因受阳光照射，水温较高，同时又受到风浪的搅拌作用，形成海洋表面等温层，也称混合层。在深海内部，水温比较低而且稳定，形成深海等温层，声速主要随海水深度（压力）的增加而增加，呈现正梯度分布。在表面等温层和深海等温层之间，存在一个声速变化的过渡区域，在这一过渡区域，温度随深度逐渐下降，声速呈现负梯度分布，这一区域称为跃变层。
浅海声速剖面受到更多因素的影响，变化较大，呈现明显的季节特征。在温带海域的冬季，浅海大多为等温层，形成等声速剖面或弱正梯度声速剖面；在夏季，多为温度负梯度，因而形成负梯度声速剖面，甚至跃变层。
二、声速剖面在水声装备中的应用
水声装备是进行水下探测、跟踪和识别的主要手段。然而，各类水声装备的技术性能都严重地受到海洋环境条件的影响。同一部声呐，在不同海洋环境条件下的作用距离可以相差数倍，甚至更大，其根本原因是海洋声场特性随海洋环境（海水声速剖面、海深、底质以及海况）而发生变化。对于不同海域、不同季节、不同频率以及不同的发射深度、接收深度，海洋声场特性有很大的差别，并直接影响水声设备的使用性能。
海洋中的声传播环境是十分复杂和多变的，海水介质及其边界条件存在着多种非均匀性，使得声波在海水中的传播情况也是相当复杂的。影响声波在海洋中传播的主要因素有海水声速分布、海底底质与地貌、海浪、海流、海洋内波等等。海洋介质的非均匀性可分为有规律的和随机的两大类，两者有规律变化会形成水下声道从而导致远程声传播，而随机的非均匀性则会引起声的散射并造成声场的起伏。
本部分将从三个实际应用例子出发，重点揭示声速剖面在声呐应用中的重要地位。
1. 声速剖面对声呐最佳探测深度的选择参考
图1和图2是在相同负跃层条件下、不同声源深度的等强度曲线，温跃层大约在15～20m之间。
图1 负跃层条件下的等强度曲线，声源深度为7m图2 负跃层条件下的等强度曲线，声源深度为30m
在图1中，等强度曲线在7m深度附近向距离远的方向突出，说明环境条件在如图1所示的情况下，在该深度处能接收到最强的目标噪声信号。而在图2情况下，等强度曲线在30m深度附近处向距离远的方向明显突出，说明在该深度处容易发现目标，即声呐使用性能最好。从图中可以看出，从同一声源发出的信号，其在不同深度上随距离传播的衰减是不一样的。比较两图可看出，在相同水文条件下，声源深度不同时，声强的分布情况也有很大差别。
对于图1所示的浅海负跃层条件，声源深度为7m，位于跃层 (15～20m) 之上，等强度曲线的分布在深度上变化不大，即一定源级的声源发出的信号，在跃层上下的不同深度、相同距离处接收到的信号强度相差不多，说明水下平台位于跃层之上或跃层之下时，声呐发现水面舰船的能力差不多。此时，在跃层上下的不同深度、相同距离处接收到的信号强度相差很多，信号在跃层下比在跃层上传播得更远。例如，在图1中，对一个噪声目标信号，在跃层之上传播10km左右衰减了80dB，而在跃层下30m深处传播20km也才衰减了80dB。因此，当水下平台位于跃层以下时，水面声呐较难发现水下目标，但当吊放声呐或拖曳线列阵的深度下降到跃层之下时，就容易发现水下目标。
2. 声速剖面对声呐探测距离的影响
声传播衰减曲线可反映出声信号随距离衰减的快慢程度和大小。图3是负梯度条件下的传播衰减曲线图，图4是温跃层条件下的传播衰减曲线图。
图3 负梯度条件下的传播衰减曲线，声源深度为30m，接收深度为7m
声呐深度为7m的情形，图3所示的负梯度传播条件比图4所示的温跃层传播条件好得多。如图3中，8km处的传播衰减值是70dB，40km处的传播衰减值约为93dB。因此，声信号从8km处传播到40km处，衰减了23dB。
图4 温跃层条件下的传播衰减曲线，声源深度为30m，接收深度为7m
而图4中，信号从8km处传播到40km处，衰减了约40dB。说明在图4所示的条件下，信号强度随距离衰减得更快，声呐的作用距离也就越近。
图5是将图3和图4中的两条传播衰减曲线显示在同一图中作比较，可以更清楚地分析不同条件下声呐的作用情况。图5中，从声传播角度看，其相同的声源目标，当传播衰减为80dB时，声呐的作用距离会相差10km左右。
图5 不同声速梯度条件下的传播曲线对比，声源深度为7m，接收深度为30m
3. 大洋测温
近年来频频施威的“厄尔尼诺”气候反常现象与海洋温度变化密切相关，因此监测海洋温度变化就十分重要。然而，由于水温随昼夜、季节而起伏变化，监测海水温度变化趋势是十分艰难的。若利用声波可以在海洋远距离传播的特点，加上海水声速随温度变化很灵敏，就可以准确计算出大范围海洋的平均水温变化。1991年，美国水声学家进行了一次实验，在南太平洋的一个小岛——赫德岛附近水下放了一个功率为6kW的低频声源，在印度洋、太平洋与大西洋的18个站位进行接收，最远接收距离达16000m。实验证明用这种方法来监测海水的温度变化是可行的。
三、声速测量技术
在海上，测量声速一般采取两种方式：直接测量法与间接测量法。
1. 直接测量方法
直接测量法使用的设备一般称为“声速仪”，通常利用收发换能器在固定的距离内测量声速，同时以压力传感器及温度补偿装置测量水深。根据获取声速的方法的不同，通常又分为环鸣法、脉冲叠加法、驻波干涉法以及相位法等。这里简单介绍最常用的环鸣法以及相位法。
目前常见的海水声速仪大多都是采用环鸣法的原理制成。发射换能器产生的脉冲在海水中传播一定距离后被接收换能器接收，经过放大整形鉴别后产生一个触发信号立即触发发射电路。这样的循环不断进行，就可以得到一个触发脉冲序列。忽略循环过程中的电声延迟，得到的重复周期时间声速。相位法可以避免环鸣法每一次循环中电声和声电转换带来的误差，也是一种常用的方法。通过测量收发信号的的相位差，计算固定频率的波长，最后获得声速。随着信号处理技术的发展，对相位测量的精度正不断提高，该方法的测量精度也不断提高。
2. 间接测量方法
间接测量是通过水文仪器（温盐深仪等）测量海水的温度、盐度和深度，利用这些环境测量与声速的经验公式，进而计算得到声速剖面。目前该方法精度超过了直接测量法，尤其是在开阔不冻的海洋中，盐度的变化量通常是可以忽略的，一旦对深度的影响作修正后，温度相对于深度的关系曲线同声速分布剖面完全是一模一样的。
在科学调查船上广泛使用的是温盐深仪 (CTD) 和热敏探头 (BT)。这一类吊放式设备在同一艘船上投放并回收，可以在特设的显示设备上读取温度（盐度、压力）和深度的关系，进而获得声速剖面。它们的主要缺点是回收仪器费时费力并且无法在走航中应用。
以投弃式温度探头 (XBT) 和投弃式温盐深探头 (XCTD) 为代表的投弃式设备，是可以在走航中获得声速剖面而不必回收的传感器件。原理上它由装有水文参数（温度等）测量探头的投弃容器构成，入水后以已知的速率下沉。探头上缠绕在卷轴上的细线与甲板上接收设备相连。不断下沉中，探头通过细线将水文参数传回，形成水文参数随深度的变化曲线图（计算得到声速剖面）。图6为投弃式温度探头 (XBT) 与温盐深仪 (CTD) 测量结果对比图。随着投弃式探头测量精度的不断提高，已经在日常海上作业中逐渐取代吊放式设备并应用于科学领域。
图6 投弃式温度探头与温盐深仪测量结果对比图
此外，一些改进的投弃性设备因供飞机使用的需要正在发展起来。在原有的投弃式探头基础上，它配备无线电通讯装置以代替连线，具体的例子有空投式温度探头 (AXBT)。
四、总结与展望
海洋是我国国民经济社会发展的重要空间和战略性后备资源宝库，是全面建设小康社会的重要保障。海洋开发的历史表明，对海洋进行开发利用的成功与否，在很大程度上依赖于对海洋环境要素的变化规律的掌握，如何获取海洋温度、盐度、密度、海流等重要的海洋环境参数，这是我们必须首先解决的问题。
海洋水文参数可以通过布放大量的测量探头来测量，这种测量探头的布放可依托舰船平台、飞机平台或浮标等，获取的数据不同于遥感测量数据，由于是直接测量，因而精度高，并且可获得水体内的垂直分布规律。
目前，国内海洋水文参数的测量，主要基于舰船平台，若要进行大范围的快速测量，这种基于船舰平台的机动测量仍然不能满足实际需求。而以飞行器为平台的投弃式海洋水文测量仪器，由于测量方式的机动性更强，通过短时间内大面积投放大量的测量探头，可以进行远距离大范围的海洋水文参数测量。
国外已经开发和使用了这类测量探头，因此，有必要研制以飞行器为平台的投弃式海洋水文测量仪器，实现大范围海洋水文参数剖面的采集手段，可以提高我国海洋环境信息获取能力，从而服务于科学考察、资源勘探等各领域。
来源：本文由溪流之海洋人生微信公众号（ID：xiliu92899）编辑与整理，原作者：张宝华 赵梅。
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