2.2 深海与浅海：两本传播账与噪声混响对照

2.2 深海与浅海：两本传播账与噪声混响对照

本节摘要：传播损失、环境噪声与混响是声呐方程里三个"环境项"，它们在深海与浅海遵循两套几乎不同的规律：深海靠声道把低频送出千公里、背景以噪声为主；浅海被上下边界夹击、反射与混响当道、频段被逼向中高频。本节把两本账逐项对折，给出可背的数字量级与判别方法。

学习目标

阅读完本节，你应当能够：

1. 把传播损失 TL 拆成扩散项与吸收项，写出量级公式并按距离心算；
2. 对照说出深海与浅海在扩散规律、边界作用、可用频段上的差异；
3. 按 Wenz 曲线判断给定频段的主导噪声源，并根据海况估算噪声级；
4. 判别一个主动场景里混响与噪声谁主沉浮，并据此调整波形与频段。

先算传播损失：扩散加吸收

传播损失 TL 由两部分叠加。几何扩散项与频率无关：球面扩散时 TL 等于 20 乘以以 10 为底的距离对数——1 公里 60 dB、10 公里 80 dB、100 公里 100 dB；声被波导约束成柱面扩散时，对数系数降到 10，同样距离省下一半的 dB。吸收项与频率强相关，近似按每公里若干 dB 线性累加：以 Thorp 型经验公式估算，100 Hz 时不到 0.01 dB 每公里，1 kHz 约 0.06，10 kHz 约 0.6，50 kHz 达到约 15，100 kHz 冲到 30 以上——吸收随频率的平方甚至更陡地增长。两笔账合起来解释了全书的频段分配逻辑：想传得远就往低频走，吸收近乎免费；想要高分辨率往高频走，就得接受"吸收税"按里程疯狂计费。

TL 心算模板（深海，柱面-球面混合取中间值）：
  TL ≈ 20·log10(R) + α·R   （R 单位 km，α 单位 dB/km）
  例1: 5 km @ 10 kHz → 20·log10(5) + 0.6×5 = 14 + 3  = 17 dB（几何）+吸收已含
  例2: 50 km @ 10 kHz → 20·log10(50) + 0.6×50 = 34 + 30 = 64 dB
  例3: 50 km @ 50 kHz → 34 + 15×50 = 34 + 750 → 完全不可行
  结论:50 kHz 在 50 km 处被吸收判死刑;远程必选低频。
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图：深海与浅海传播对照及噪声混响谱格局

深海账本：声道是一条免费的跨洋公路

深海里，边界远离声路，声能的主要约束来自剖面本身。声道内的低频声几乎不碰海面与海底，几何扩散按柱面计，吸收又近于零，于是 TL 增长得极其克制：50 公里 10 kHz 的 TL 约 64 dB，若借会聚区增益还能再省 10 dB 以上。低频段更是奢侈——100 Hz 的吸收项在 1000 公里行程里都凑不满 10 dB。这就是为什么远程预警、洋盆尺度的水声层析、全球鲸类监测清一色扎堆在几十到几百赫兹。深海的背景主要是环境噪声（见下文 Wenz 格局），混响在深海是配角：海面远在声路上方、海底远在下方，能被照到的散射体只有水中的深散射层与生物气泡，量级通常压不过噪声。

浅海账本：上下边界是两位收费员

水深一二百米以内，声波无论怎么走都在与海面、海底反复碰面，每一次反射都按掠射角与底质扣钱：软泥底对低频的渗透损耗可观，硬砂底在高频段磨得厉害，起伏岩石海底还会把声能散得到处都是。浅海 TL 因此偏离纯净的对数规律，随距离接近线性爬升，且不同季节（温跃层日变化）、不同潮位、不同底质下同一位置的 TL 可以相差 10 dB 量级——浅海声呐设计必须按"最差海区"留余量。频段选择也被边界倒逼：低频在浅水被波导截止与底质吸收双重挤压，探测反而往往要用 1 至 10 kHz 的中频段妥协。混响在浅海翻身做了主人：海底是巨大的散射板，发射脉冲每照一次底，海底混响就铺天盖地涌回来，近程主动检测的背景从"噪声"换成了"混响"，抗混响的波形与多普勒处理（第4章）从选修课变成必修课。

环境噪声：三个频段三位主人

Wenz 经典曲线把环境噪声谱分成三段，各有其主。低频段（约 10 至 100 Hz）由航运输船的螺旋桨与机械噪声统治，靠近航线的海区噪声级可高出开阔洋面 10 dB 以上——人类航运让这一段比工业革命前吵了约 20 dB。中频段（约 0.1 至 10 kHz）由风关噪声接管：海面破碎波与风雨直接注声，海况每升一级噪声约涨 5 dB，六级海况比二级能吵出 15 至 20 dB，这一段恰好覆盖多数主/被动声呐的核心工作频段，所以海况是声呐作用距离预报的第一输入。高频段（10 kHz 以上）逐渐让位于分子热噪声，为高频成像声呐设下了终极底噪。做系统设计时，"选频段"本质上是在挑邻居：选哪个频段，就等于决定让哪位噪声主人给你当背景。

要点速记

• TL = 几何扩散 + 吸收：扩散看波导（球面 20logR、柱面 10logR），吸收看频率（10 kHz 约 0.6 dB/km，50 kHz 约 15，100 kHz 超 30）。
• 深海是声道账本：低频近乎免费、会聚区送礼、背景以噪声为主；浅海是边界账本：碰壁扣钱、中频妥协、海底混响当道。
• 噪声谱三位主人：10 至 100 Hz 航运、0.1 至 10 kHz 风关（海况每级约 5 dB）、10 kHz 以上热噪声。
• 频段选择的本质是选背景邻居：选错频段等于主动住进最吵的房间。

问题：为什么浅海主动声呐偏爱中频而不是低频

低频在浅海遭遇双重挤压：水深对低频形成波导截止，海底沉积物对低频的渗透损耗可观；而中频（1 至 10 千赫）在传播、混响与设备尺寸之间取得折中。低频并非完全不能用，而是要用大孔径、大功率去补，民用市场负担不起——这就是民用户外作业设备扎堆中高频的经济学。

参数速查卡：环境账本的最小集

这张卡建议抄进外业笔记本：现场快速判形势时，它就是第3章方程的全部环境输入。