尊敬的各位老领导、各位老师、各位同事，大家上午好！今天受邀老科协声学所分会的邀请，浅谈一下我近期学习工作的一点体会。我今天的题目是“海洋环境及其对水声设备性能的影响”，主要是我自己在声学所学习和工作的一些经验和体会，不足之处请大家批评指正。

首先分享几个概念。“海洋环境”是什么概念？是指地球上广阔连续的海和海洋的总水域，包括海水以及悬浮在海里的物质、海底沉积物和海洋生物的总称。地球上海洋占了71%的面积，平均深度达到3795米，最深的地方马里亚纳海沟达到将近一万一千多米；陆地面积只占有29%，海拔高度不足一千米，最高处是珠穆朗玛峰也只有八千多米，所以海洋占据了地球上很大的空间，对于人类生存和水上活动是至关重要的。我们必须搞清楚海洋环境才能实现后续的应用研究。“水声设备”是什么概念？是指利用声波在水里面的传播和反射特性，通过声电、光电转换等形式对信号或者信息进行处理实现探测、定位、导航等的电子设备，也就是通常讲的声纳。在声纳系统中，发出声波信号的“源”称为声源；接收声源的设备称为接收系统，通常包含实现不同功能（探测、通信、识别等）的设备；声源到接收系统的传播环境就是海洋环境，影响声信号从源到接收系统的传递函数。

    今天报告分三个部分，第一部分介绍海洋环境及对水声的效应，即在不同环境对声传播会产生什么影响；二是海洋环境对水声设备性能的影响；三是总结与启示。

    水下物理场是水下信息获取和传输的基础，包括水中的声、光、电、磁，都是为一定目的获取信息的物理场，通过声波的扰动、磁场的变化等实现特殊的功能。比如利用声波可以实现侦察、通信、导航、定位等，利用磁力异常、重力异常可以探测水下目标，利用激光也可以对水下目标进行通信，这些方面大家都曾经听说过。水下信息载体，也就之前讲的水中的声、光、电、磁等物理量。目前，大家认识到的是声波是在海洋当中唯一可以远程传播的信息载体，为什么这么说呢？大家可以对比看一下电磁波和声波在海水中的衰减，对于同一个频段（1000赫兹），电磁波衰减系数为一米衰减1分贝，声波一千米衰减0.1分贝，相差好几个数量级，所以声波是水里面唯一可以远程传播的信息载体。虽然说电磁波有个小的衰减“窗口”，但是跟声波相比也高了两个数量级，从远程传播的角度而言还是认为是声波传播更有效。

    水声设备放在海里使用，所以其性能与海洋环境密切相关。美国学者认为浅海声学不是声学而是海洋学，但是国内浅海、深海都有很多未研究透彻，所以对海洋环境、对声波影响需要进一步的研究。人类对海洋环境的了解远远落后于对大气环境的了解，大气环境在地球外表面往外辐射传播是半无限的空间，声波是受海面、海底和水体介质影响是近似封闭的空间。

海洋水体里面不同的月份海洋环流时时刻刻在变化。由于内部水体不均匀性导致声波介质具有分层特性，又随着不同位置、不同深度、不同时间变化，从而造成声波从一个点到另一个点传播的时候产生了起伏和畸变。不同位置的水文的分层特性：如北纬18度不同经度、不同深度水层声速的分布可以看到，水文具有明显的分层结构，每个地方都不一样，而且随时在变化，水平、垂直特性各不相同。不同时间水文的分层特性：如某一个位置50个小时水体温度的变化，海面受太阳辐照影响，相对温度比较高，下面水层温度相对比较低，所以声速下面低、上面高，夏季会形成跃变层的结构，跃变层厚度和声速的变化又会影响到接收信号的变化。

同时，水中还存在很多不同尺度的（小尺度、微尺度、亚中尺度等）物理过程，其半径大小不同，时间尺度从日到月到年影响也很明显。例如一个固定的位置接收到的信号随时在变化，看上去没有规律，其实有一些规律可寻，通过传播特性分析，内波存在时，传播损失增大了20个分贝，而20分贝对声纳信号处理而言会导致很明显的性能下降，作用距离原来是一百公里，可能会一下子掉到十公里，所以水声设备性能受到很明显的影响。

海面对声波传播特性的影响有两种，一种海面是冰盖，另一种海面是波浪。波浪是声传播的边界面，是影响水声传播的重要影响因素，界面影响声音反射，由于界面不断反射，从而叠加形成最后接收到的起伏信号。表面冰层（冰盖、浮冰等）的反射和散射与通常的很平的海面或有海浪的海面对声传播的影响也截然不同。近年来，对于极地海域的研究也已进一步的关注，声学所这方面近几年做了很多工作，取得了很多的成绩。

海底对声波传播的影响也很大。咱们周边的海域，浅海大陆架看起来比较平，但是变化尺度也很大，如很多地方起伏也很大，从浅海到深海比如深海盆地和陡坡，海深、海底环境变化会严重影响声音在其中的传播特性。另外，在海水里面的水声设备工作，还涉及海洋的生物和海水的腐蚀，有时候由于海水的腐蚀造成一些换能器、水听器性能下降或者损坏，接收到信号也会减弱，均会影响到声纳设备的性能甚至影响到整个平台安全。

因此，海洋环境与声纳性能的影响关系为：海洋环境影响声场变换从而影响到声纳的性能，海洋环境包括海水物理化学的性质、不平整的界面、干扰的背景，声场变化包括声速的变化、声场时空特性的变化，接收信号的变化包括信号的损耗、离散、起伏、延时、失真，从而最终影响声纳性能。

    浅海典型声速剖面的传播中，声线总是往声速小的方向弯折，海面反射回来到下面的水体、到海底再反射。深海的传播更为复杂，如存在表面波导的水文环境中，高频的信号在海面一定深度形成表面波导，波导受海面反射影响损失比较小，所以传播距离可以很远；而在表面波导下面，声速变大，声线往下弯折，在水里进行折射，一部分声线经过海底的反射再折回来，在水里折射到达汇聚的部位信号比较强如汇聚区，没有经过海底海面的反射到达接收处的信号最强，经海底反射到达形成的区域相对能量比较小的是影区，所以对设备性能影响会形成有些区域（汇聚区、直达区）探测有利，有些区域（如影区）探测不利，因为信号弱了，所以会检测不到。海底地形斜坡情况的传播，斜坡地形很复杂，存在着浅的海区、深的海区、深度变化的海区，形成一个复杂的波导环境，声源信号发射出来后，发现到了一定距离之后收不着了，从传播角度解释，实际上是信号顺着斜坡进入下边，之后处于最小声速的位置，在这个位置又呈现了深海波导的传播现象。因此，水下声传播场存在各向异性，包括海底地形的变化，海洋动力过程随时间空间的变化，导致声场三维各向异性变化。所以不同的设备在这个方向上可能能力比较好，到下一个方向能力就不好了。

总结而言，水声信号在海洋环境中受到几个影响，首先是微弱、噪声干扰多，包括风浪噪声、生物噪声，传播一千公里以后衰减到120分贝，即衰减了一万亿倍，声音就小很多了。其次是水声传播多途效应，通过多途的传播，每个多途到达的时间又不同，所以最后接收的信号是很复杂的不同时间到达合成在一起的信号，处理起来很复杂。第三是水声传播多普勒效应，无线电波空间传播是三乘十的八次方米每秒，水里面是1500米每秒左右，多普勒效应相差十的五次方，所以水里多普勒效应很明显。第四个是声场的时空相关特性，从声纳设计角度来讲，声纳应该有多大孔径、是什么频率、多长的接收处理时间，都依据声场时空相关半径来设计，比如汇聚区信号相关时间很长，可以覆盖整个区域，影区相关性较差，性能就有所下降，到了直达声区相关性也比较强，垂直相关性强，垂直阵孔径就可以很大，水平相关性强，水平阵孔径就可以很大。

为了提高声纳设备性能，世界各国都对海洋环境的研究都非常重视。美国2009年在菲律宾海专门研究了深海水声传播，目的是为了摸清风面、涡旋、内波对声传播的影响。通过不同的手段观测，包括卫星、水下滑翔机、水下接收设备等进行接收，进行声场的预测、海洋动力学模型的预测，看看预报模型精准度如何，通过深海的水声探测、信道特性研究、海洋环境噪声的研究，掌握传播规律。

    接下来介绍一下海洋环境噪声对水声设备性能的影响。从Wenz谱级图可以看到，不同频段噪声源和变化规律不完全相同。1赫兹以下主要是由于海水净压力和地震造成的，1至20赫兹主要是湍流等，每倍频程衰减8分贝到10分贝，20至500赫兹主要是航船的噪声，500到50千赫兹主要是海面风浪造成的噪声，50千赫兹以上是分子运动的一些热噪声。还有一些干扰噪声是生物噪声，生物噪声是海里面不同的生物产生声音，如甲壳类发出的频段在500赫兹到200千赫兹，鱼类的噪声频段稍微低一些，哺乳类鲸和海豚可以发出调频的啸叫声。还有一些噪声属于气象噪声，主要是由风浪和降雨造成的，使得噪声的变化规律也很复杂，也会影响到声纳探测的性能。

    前面主要讲了海洋环境对水声设备探测性能的影响，接下来简单介绍一下海洋环境对水声设备本身设计的影响。水声设备毕竟要用声学材料来制作，因此涉及环境适应性的问题，如海水腐蚀、海水和海浪的冲击、海水压力等对设备性能都有很大影响，海深会影响水听器灵敏度、寿命，尤其是水声设备的水密性能，进水以后使得接收性能大幅度下降，这些都是水声设备从理论研究到技术实践需要重点考虑的问题。

    最后，简单总结一下今天报告的内容。水声设备性能与海洋环境密切相关，随着水声设备应用的不断研究以及对海洋环境认识水平的不断提升，海洋环境预报模型越来越准，通过试验数据的不断挖掘分析，探索新技术新方法，可以实现探测能力的提升。今后要深入开展水声物理、新技术新方法的研究，重视复杂海洋环境条件下水声传播、发展精细化海洋模式与三维声场预报的模型。长期开展全球海洋环境和声场特征演变的快速获取，从原来百公里量级到几千公里量级的全球海洋环境的变化，建立全球海洋环境声学参数的基础库。不断完善声场的效应和声纳的评估，最终做到对声纳性能心中有数。

今天的报告到此结束，感谢大家！