2. 水声物理基础与声源特性
被动声呐不发射任何信号，它听到的一切都来自目标自身。因此，要判断“听到的是什么”，必须先回答两个问题：声音在海里是怎样传播、被改变的；不同类型的目标又各自“唱”出什么样的调子。前者决定我们接收到的频谱被海洋“加工”了多少，后者决定原始噪声里有哪些可辨识的特征。本节把这两条线索合在一起讲，为后续的频谱分析建立物理参照。
一、海洋声传播：频谱在到达之前已被改写
海水中的声速不是常数，典型值约1450～1550 m/s，随温度、盐度和深度变化。温度升高声速增大，压力（深度）增大声速也增大，盐度影响相对较小。由此形成的声速剖面通常分为三层：表面混合层（近等温，声速近常数）、主跃层（温度骤降，声速随深度迅速减小）、深海等温层（温度稳定，声速随压力缓慢回升）。在声速极小值附近会形成深海声道（SOFAR声道），声线被不断折射回声道轴，可传播数百甚至上千公里，这是远程被动探测能“听远”的物理基础。
声速剖面的非均匀性带来两个直接后果。其一是折射与影区：在负梯度（声速随深度减小）条件下，声线向下弯曲，近表层出现声强很低的影区，目标若处于影区，其宽带噪声可能整体衰减十几到几十dB，频谱形状虽在，但信噪比骤降。其二是多途干涉：直达声与海面、海底反射声在接收点叠加，形成随频率周期性起伏的干涉条纹。对宽带噪声而言，这会在频谱上叠加一组间隔约为 Δf ≈ 1/τ（τ为多途时延差）的梳状调制，若不加识别，容易被误判为目标的“线谱”。
边界条件同样重要。海面近似压力释放边界，反射系数接近 -1，反射损失小但会引起相位反转与海面散射；海底则取决于底质，泥底吸收强、反射弱，砂底和岩底反射强。浅海环境中海底反射与海面反射多次交替，传播损失近似按 10lg r 到 15lg r 增长，且强依赖频率——高频被底质吸收更快，远程接收到的频谱往往“低频保留、高频衰减”，这一倾斜趋势在分析时必须与目标自身的谱峰区分开。
二、典型水下声源的辐射噪声机理与频谱特征
不同目标的噪声由不同机理主导，频谱形态差异明显。下图把四类典型声源的机理、频段与谱形特征放在同一张对照图中，便于建立“听感—机理—谱形”的对应关系。
舰船噪声以螺旋桨空化产生的宽带连续谱为主，叠加主机、辅机、齿轮箱等机械振动经船体辐射的窄带线谱。空化噪声在低频段随频率上升而增强，到数百Hz至1kHz附近趋于平缓；机械线谱则集中在几十Hz到几百Hz，表现为轴频及其谐波、叶片通过频率（轴频×叶数）及其谐波。轴频 fs = 转速(r/min)/60，例如某船转速120 r/min，则轴频2 Hz，五叶桨的叶片通过频率为10 Hz。这些线谱稳定、可长期跟踪，是被动识别最重要的“指纹”。
潜艇噪声因采用低噪声设计，宽带连续谱整体低而平缓，识别更依赖线谱。反应堆冷却泵、循环泵的运转频率及其谐波，齿轮箱啮合频率（齿数×轴频），以及螺旋桨低频调制产生的边带，构成一组间隔规律的低频线谱。特别地，螺旋桨调制会在每个叶片通过频率两侧形成间隔等于轴频的边带族，边带间隔直接给出轴频，进而可推算转速，这是潜艇频谱判读中的经典手法。
鱼雷噪声能量集中在数百Hz到数十kHz的高频段，对转螺旋桨高速空化产生强宽带噪声，推进电机带来电磁线谱。由于鱼雷高速接近，多普勒效应显著：接近时接收频率升高、远离时降低，宽带谱峰在时频图上呈现明显的频率漂移，线谱也会被展宽。识别时应关注谱峰随时间的移动方向与速率，而非某一时刻的绝对频率。
海洋生物噪声形态与机械目标差异最大。鲸类哨声是数百Hz到数kHz的窄带调频信号，在时频图上呈平滑曲线；click是短促宽带脉冲，重复率稳定；鼓虾群则产生密集的宽带脉冲串，听起来像“噼啪”声。生物噪声往往具有明显的昼夜与季节规律，可作为环境背景加以建模和剔除。
三、把传播效应与声源特征分开看
实际接收到的频谱是“声源谱 × 信道传递函数”的叠加结果。工程上可先做一次背景噪声谱估计（取无目标时段的长时间平均），再用接收谱减去背景谱得到“目标增量谱”，可部分抵消信道与接收系统的固定响应。随后检查谱峰是否满足以下判据：线谱间隔是否对应合理转速、是否存在叶片通过频率的整数倍关系、谱峰是否随时间稳定、宽带趋势是否符合本海域的频率衰减规律。若谱峰间隔随距离或深度系统性变化，更可能是多途干涉而非目标线谱。
综上，海洋声传播决定了“信号到达时被改写成什么样”，声源机理决定了“原本应该是什么样”。只有同时掌握这两侧的信息，才能在频谱上把目标的真实特征从信道效应中剥离出来，为后续的线谱提取、调制分析和目标分类打下基础。