2. 水声物理基础与声场特性

水声信号采集系统的设计、参数选择与后期处理，都建立在对声波在水中传播规律的理解之上。同一套采集设备，在浅海近距与深海远距条件下得到的信号在幅度、时延结构和噪声背景上可能完全不同。本节围绕四个相互关联的物理事实展开：声速随深度变化形成的声速剖面、传播过程中的衰减与扩展损失、由多路径叠加产生的多途效应，以及始终存在的海洋环境噪声。理解它们之间的耦合关系，才能判断采集到的波形为什么呈现某种形态，以及后续处理应当关注哪些量。

声速剖面：折射的根源

海水中的声速约在 1450～1550 m/s 之间，主要受温度、盐度和静水压影响。工程上常用简化经验式估算，例如以温度 T（℃）、盐度 S（‰）、深度 D（m）为输入：

c ≈ 1449.2 + 4.6T - 0.055T² + 0.00029T³
    + (1.34 - 0.01T)(S - 35) + 0.016D      （单位：m/s）

该式在近海常规范围内误差约 1 m/s 量级，足以用于教学估算与采集方案初判。以 T=18℃、S=34‰、D=50 m 代入，可得 c≈1503 m/s；若深度增至 1000 m，仅压力项就贡献约 16 m/s 的增量。这说明深海声速剖面通常呈“表层混合层—主跃层—深海等温层—声道轴”的结构，而浅海在季节影响下可能近似等声速或呈弱正梯度。

声速梯度直接决定声线弯曲方向。按 Snell 定律，声线向声速较小的方向偏折：负梯度（声速随深度减小）使声线向下弯，正梯度使其向上弯。当声速在某深度出现极小值时，声线被反复折射回该深度附近，形成声道，声能被约束在声道轴附近远距离传播。对采集而言，这意味着换能器布放深度会显著改变接收到的信号强度与到达结构，不能仅凭距离估算信噪比。

衰减与扩展损失

接收声级可用声呐方程的思路拆解：传播损失 TL 由几何扩展损失与吸收衰减两部分组成。球面扩展对应 TL=20lg r，柱面扩展（声道或混合层内）对应 TL=10lg r，实际海况常介于两者之间。吸收系数 α 随频率快速上升，低频段近似按 f² 增长，高频段趋近线性，海水中的典型量级为：1 kHz 约 0.06 dB/km，10 kHz 约 1 dB/km，100 kHz 可达 30 dB/km 以上。

把两部分合并，可写出便于估算的形式：

TL(r, f) ≈ n·10·lg(r) + α(f)·r/1000      （dB，r 以 m 计，α 以 dB/km 计）
n = 20 球面扩展；n = 10 柱面扩展

举例：f=10 kHz、α≈1 dB/km、r=5 km，若按球面扩展，TL≈20lg5000+5≈74+5=79 dB；若声能被声道约束按柱面扩展，则 TL≈10lg5000+5≈37+5=42 dB，相差近 37 dB。这一差距说明，采集系统增益档位与动态范围设计必须结合预期传播条件，而不是按最坏情况一味加大增益，否则近距强信号容易饱和削波。

多途效应

在浅海或存在明显海底、海面反射的场合，同一发射信号会沿直达、海面反射、海底反射等多条路径到达接收点。各路径长度不同，到达时延差 Δτ 与路径差 ΔL 满足 Δτ=ΔL/c。若两条路径声程差 15 m、c=1500 m/s，则时延差为 10 ms。对宽带信号，多途表现为接收波形出现多个可分辨的副本；对窄带连续信号，则表现为干涉引起的幅度起伏与频率选择性衰落。

多途对采集的影响有两面性：一方面它造成码间干扰，使脉冲展宽、波形畸变；另一方面，多途时延结构本身携带声源位置与环境信息，可用于匹配场定位或信道建模。实际采集中应保证采样率足以分辨最小预期时延差，并记录换能器深度、声源深度与海深等几何参数，否则后续难以解释多途结构。若最小路径差为 1.5 m，对应时延 1 ms，则采样率 10 kHz 时每毫秒仅 10 个样点，分辨率偏紧，通常需要更高采样率或采用相关处理提高时延估计精度。

海洋环境噪声

海洋环境噪声是采集系统的本底限制。其主要成分包括：航运与机械噪声（低频，约 10～500 Hz）、风浪与海面碎波噪声（中频，约 0.5～20 kHz，随海况等级升高而增强）、热噪声（高频，约 20 kHz 以上，随频率按约 6 dB/倍频程上升）。此外还有生物噪声、雨噪声等偶发成分。工程上常以 Wenz 曲线族作为噪声谱级的参考量级。

噪声决定了系统可检测的最小信号。若接收信号级为 60 dB、噪声谱级折算到带宽内为 40 dB，则信噪比为 20 dB；把处理带宽从 1 kHz 收窄到 100 Hz，噪声功率下降 10 dB，信噪比相应提升。这提示采集链路中抗混叠滤波与数字抽取并非可有可无的环节，它们直接影响进入处理器的噪声功率。同时，风浪噪声随海况变化可达十几 dB，采集时应同步记录海况、风速与航速，作为噪声背景的解释依据。

把物理特性落到采集参数上

上述四个因素并非孤立。声速剖面决定声线路径，路径决定多途时延结构，扩展与吸收决定接收电平，环境噪声决定可检测下限。以一次浅海脉冲采集为例：海深 60 m，声源与接收器均布放于 30 m 深度，预计最大路径差约 20 m，对应时延差约 13 ms；工作频段 8～16 kHz，中心频率 12 kHz，吸收系数约 1.2 dB/km；作用距离 3 km，按球面扩展估算 TL≈20lg3000+3.6≈73 dB。若声源级 180 dB，则接收级约 107 dB，扣除带宽内噪声级 45 dB，信噪比约 62 dB，动态范围充足。此时采集链路的关键不是增益，而是采样率与抗混叠滤波：为分辨 13 ms 的多途结构并保留 16 kHz 带宽，采样率取 48 kHz 较为稳妥，抗混叠滤波器截止频率设为 20 kHz 左右，避免高频噪声折叠进入信号带。

反过来，若同一系统用于 100 kHz 高频短距探测，吸收系数升至约 30 dB/km，1 km 处吸收损失即达 30 dB，此时应优先考虑降低作用距离或提高发射声源级，而不是单纯提高接收增益，因为增益同时放大了环境噪声，信噪比不会改善。判断采集方案是否合理的依据，始终是“信号级—噪声级—动态范围—时延分辨率”这组量的匹配关系，而不是某一个参数的孤立取值。

掌握这些物理基础后，后续的信号调理、采样量化与数字处理才有明确的约束对象：抗混叠滤波器对应噪声与带宽，增益档位对应扩展损失与动态范围，采样率对应多途时延分辨率，而环境参数记录则对应声场可解释性。采集系统的每一个参数选择，最终都能回溯到本节所述的声场特性上。