反潜战

魏辉兵

关于反潜作战（ASW），首先需要了解军事海洋学，例如水下环境的特性以及它如何对反潜作战产生影响。

1、反潜战-潜艇隐形

水下作战以及由此衍生开来的反潜作战的格言就是隐形。潜艇在完成任务的效能和自身防卫两方面完全依赖于其隐形能力。

潜艇投入作战给海战带来了新的革命性的空间维度，一种可以用英寻（测量水深的长度单位）进行测量的维度。相较于全副武装，统治洋面，彼此直接用炮弹互殴的铁甲舰，无畏舰，战列舰以及战列巡洋舰，藏于水下的潜艇几乎无法看见，这使得它得以接近大多数强大的水面舰只。随后，它能够发射鱼雷。鱼雷可以避开舰只的装甲带，并打击对于舰只而言极为脆弱的水线之下部位。这样就使得最小的潜艇也能够击沉最大的舰船。

因此，这种隐蔽性同攻击性独有的结合从一开始就成为了潜艇最具典型的特点。

英国 M级1型潜艇（M1）

一战期间潜艇作战首次展现了其优异效能,从而也催生了反潜作战的作战模式。现代反潜作战的作战目标自反潜战诞生之后并没有发生变化。其作战目的在于迫使敌军潜艇无法在我方整个关注区域内对军事目标发挥其重要影响。

反潜作战不再需要驱逐舰及轻巡在海上四处巡弋，用主动声呐在海中敲击，并将似乎无尽的深水炸弹投向绝望且惊惧的潜艇舰员头上。

相反，在现代，在需要试图探测并定位敌军的时候，被动声呐（对于两方而言）才是可供选择的工具之一，相对的，主动声呐现在一般则被归入最终一击或者其他特殊情况下才使用的工具。因此，由于被动声呐极为重要，水面舰只和潜艇都竭尽所能来降低其声学信号来避免被被动声呐探测到。

尽管潜艇具有隐蔽性，但是它们本质上还是极为脆弱，易于遭到攻击的。尤其是在它们在海面上露出桅杆（或者舰体）的时候，最容易被发现。然而，在单一水面舰只同水下单一潜艇的较量中，优势几乎被潜艇占据，因为潜艇具有更为安静的声学信号。

不过，如果该水面舰只可以同其他装备尤其是飞机进行协同行动的话，潜艇的这个优势就会显著减弱。

2、军事海洋学

（1）声呐的基础知识

当第一部声呐系统在两次世界大战之间的暂歇期被研发出来后（注：英国的ASDIC系统），当时认为潜艇将因此丧失其隐蔽性。然而，正如在第二次世界大战大西洋战役中所表明的那样，情况并非如此。声呐是利用水下声音传播来导航，通信或作为声学定位的一种手段。声呐分为两种：主动声呐及被动声呐。

主动声呐

主动声呐是用一个发射器来创建一个声音脉冲，同时还需要一个接收器，用来“听”该声音脉冲的反射（回音）信号。

运用主动声呐时，声源是来自声呐系统自身的换能器）。同时还需要一个接收器用以捕获自目标反射回来的信号（回音）。该信号随着与目标距离的增加而呈指数衰减，亦即是说，主动声呐的功率提高为原来的4倍，其探知距离只大约扩大为原来的两倍。

一部现代的舰体主动声呐可以产生数十万瓦的声能，大约最高可达250分贝。与之相比，一部喷气式引擎在30米处的声响级别才仅有150分贝。

被动声呐

使用被动声呐，声源则是目标自身。被动声呐中仅接收声能的换能器被称为水听器。

被动声呐又分为两类：宽频带和窄频带。

宽频带声源可以制造一个覆盖广泛频率的声能。如果指的是舰船及潜艇，典型的宽频带声源是螺旋桨或者传动轴发出的噪音，流噪声以及一些推进系统产生的噪声（例如蒸汽锅炉）。

另一方面，窄频带声源则只在一个很窄的频率波段或者级别内制造声能。典型的舰船及潜艇声源是每艘舰船上安装的各种机械部件。例如，泵机，发动机，发电设备以及推进系统。如果要明确一个窄频带声源，很重要的是需要掌握该窄频声源发生的频率。

每一型声呐都是基于声呐目标的不同特性而设计，而这些特性又反过来影响声呐的性能。对于主动声呐而言，其特性在于目标的声学反射特性，或者说“目标强度”。对于被动声呐而言，目标自身的辐射噪音则是至关重要的。

频率

声音频率越低（波长越长）-一般而言1-5 kHz范围内-其传播距离越远，同时需要一个大型声呐导流罩来保持信号增益（方向性）。中频声呐一般频率在5-15kHz波段，高频一般指20-30kHz波段。

高频声呐（波长较短）能够广泛的在短距，直达的表层范围内运用（后面详述）。中频声呐能够探测位于表层之下的目标，此外有时候还可以利用海底反射技术。而低频声呐有实现会聚区探测的可能性。

（2）海洋环境中的声学特性

光波在水中会被严重吸收，而声波则不会如此。因此，声波可以有效运用在测量海洋深度，进行水下通信等方面，同时对于水下目标定位也极为重要。

值得注意的是，虽然声波在水中较光波传播的更远，但是它同样是以频率降序的方式被逐渐吸收耗损，即：最高频率的声波最先被吸收，最低频率的声波最后被吸收。这种频率的丢失，也是为什么需要相当长的时间来确定一个声呐接触（Sonar Contact）相关性质的一个原因。这需要对来自目标不同声源在很多不同频率上形成的许多声音进行分析，从而确定其身份。

声波在水下的传播速度大约是每秒4750英尺（4750 fps，feet per second）至5150fps。速度提升与否在于：

温度

变化速率为每1华氏度的变化，会导致大约4.3fps的声速变化。

盐度

盐度每提高千分之一，声速变化大约为4.3fps。

深度

每600英尺深度会导致声速变化大约1fps。

水下声速可以通过下列算法来判断（单位：fps，英尺/秒）：4388+（11.25 x 温度（单位：华氏度））+（0.0182 x 深度（单位：英尺））+盐度（‰）

世界洋流的平均盐度是千分之35，这就是说，等同于35克的盐溶于1公斤的水内。除了极地区域和近岸水域（由冰雪融化而得到的新鲜水体以及自河流小溪的水流稀释了海水盐度）的盐度或许低于30ppt之外，地表海洋盐度波动幅度一般在32-37ppt。

天气同样也会影响海水盐度。尤其是在降水超过蒸发的地方（如多雨的北太平洋区域）或者蒸发超过降水的地方（例如在印度洋区域）。一个孤立的水体往往也有较高的盐度，例如在地中海，过度蒸发增加了盐度。

全球海水表层盐度分布

极地海洋（北冰洋和南极洲）的含盐量最低（30-33ppt），接下来是印度洋（32-35ppt），太平洋（32-36ppt），最后，盐度最高的是大西洋（34-37ppt）。

水压，随深度的增加而增加，同样会对声音的传播带来影响。如前所述，水下声速随着深度的增加而增加（亦即水压增加），而深度变化则会使声波从声速较高的区域发生弯曲（或偏折）。

接下来仔细探讨对水下声速影响最为重要的因素：温度。

1）温跃层

世界海洋可以按照温度进行垂直分层。从全球看，海水温度范围相对较大，其温度差异取决于地区和季节。在公海水域的水温变化从最低华氏28.4度（摄氏零下2度）到大约华氏86度（摄氏30度）不等，在赤道附近的沿岸浅海水域水温甚至可以达到几乎华氏100度（摄氏37.8度）。

温度-深度变化曲线

海洋的热学结构分为三个区域：

首先是表层或者混合区。这个区域的温度几乎没有变化。在这里水体与波动作用，由于太阳导致的大气环流圈，潮汐等等一起混合在一起。表层的深度随着地区和季节的变化而变化。在冬季，在不同纬度，表层水域都显得更加清晰。在中纬度地区，如果在暴雨天气期间，该表层深度可能达到1000英尺甚至更深。在极地地区，水在冬天会被充分地混合，从而使得从洋面到海底的水温几乎完全一样。在一般条件下，表层的日常温度波动范围在5度内。

在表层或者说混合区的底部是下一个区域，温跃层。在温跃层内，温度开始随着深度的变化急速下降。

第三个区域是深水层或者称之为深水恒温层。在该区域内，温度随深度的加深呈现相当缓慢的下降趋势。

在这里主要关注的是温跃层的特性（尤其是声学特性）

在大洋中，存在一些季节性的温跃层，这些温跃层的深度和数量随着季节变化而变化（一般而言在夏季这类温跃层的数量最多同时该类温跃层的深度也最深），此外，还有较稳定或者永久性温跃层，这类温跃层相较于季节性温跃层而言常年存在并通常占据了比季节性温跃层更深的水层。探测出来，该仪器可以显示温度-深度函数图像，在该函数图像中，一般以温度为横坐标，深度为纵坐标）

在这些能够改变水体声学特性的不同温跃层之间有着明显的密度边界。在表层内，声音一般而言沿直线传播（特别是其传播方向与水平夹角小于15°或者大于45°的情况下）。

然而，如果声波穿越温跃层的时候，会发生弯曲（即折射），并由此在声波向上及向下偏折的区域内形成了一个“阴影区”。这个阴影区的边界称为极限声线。这样，自水面声源产生的大部分声音被困在了混合层，同时能够传播相当远的距离（有时候称之为“表层波导”）。

该效应还是有例外的，一个很好的例子就是红海水水域，那里的热水自海底热泉渗出，同时在海底积聚，另外一个例子则是在极地海洋，在那里有极度冰冷的表层水体。这样就形成了一种温度随着深度的增加而增加（而非像一般情况那样温度随深度增加而降低）的反向温跃层。

毋庸置疑，潜艇艇员自然会密切关注温跃层所处的位置，并周期性的穿越其边界来监听来自温跃层之上或者之下的目标。

潜艇还享有一个额外的好处，即在表层波导之下产生的声音通常只有在以声源为中心的45度圆锥范围之内的混合层中才可能被探测到。不过，水面船只以及自飞机投放的声呐浮标，通过会使用变深声呐以及水听器来绕开这个障碍。该探测设备投放到温跃层之下来探测温跃层之下的声音。

2）会聚区

声音在水下发生偏折还会一个另外的效果，即产生了会聚区。会聚区的产生主要是因为声速随着深度增加而变化的结果。

声波向下深处传播（穿过同声源声速基本一致的临界深度），会因为压力的增加（因此声速也增加了）而发生朝水面方向的弯曲或者偏折。在适当条件下，这种折射会在水中形成一种抛物线状的弧线路径，当其达到水面时，形成一个环形带，然后声音再次向下反射。每一个在水面形成的这种环带，就是一个会聚区。这个过程一直重复直到声波衰减或被阻挡而无法继续传播。

会聚区（CZ）的形成需要水深至少有400米，这样就有50%的机会形成会聚区。会聚区形成的可能性随着水深的增加而增加。水深600米形成会聚区的可能性有80%，如果水深更深则确定可以形成会聚区。在浅水中，声波更主要是经海底形成回音，而不是向上折射。值得注意的是，像海底山脉以及大洋山脊这样的水下地形往往会破坏会聚区，那些具有显著温差的洋流也会有同样效果（例如墨西哥湾暖流）。

典型的会聚区通常会以30-33海里的间隔出现，随着距离的增加，其圆环带的宽度也会增加。第一个位于声源约30-33海里的会聚区（CZ）一般而言通常其在洋面的宽度约为3-5海里；第二个，大约在60-66海里处的会聚区大约会有6海里宽；第三个，大约在90-99海里，其宽度大约在9海里；第四和第五会聚区也可能形成，不过非常罕见。值得注意的是，在地中海，会聚区的范围由于靠近海底的温水层而缩小。

CMANO模拟的CZ

当然，从三维立体看，会聚区（CZ）不会形成完美的同心柱面形态（concentric Cylinder），而是一系列弯曲的三维形状，所以这样极有可能使得虽然位于会聚区（CZ）范围之内，但是位于会聚区通道之下的潜艇还是不会被探测到。这个特性同样适用于两个会聚区圆环带之间的阴影区域（不被探测区域）。

主动声呐和被动声呐都能利用会聚区（CZ）的声学特点。会聚区效应对于像装备在美军斯普鲁恩斯级驱逐舰（DD-963）以苏联（俄国）的1155型无畏级大型反潜驱逐舰上的高功率主动声呐产生的低频声波而言尤其有效。

雷达警告接收仪以及具有电子监控措施的设备能够在远超其有效工作距离之外有效探测到主动发射的雷达信号。与此类似，主动发射的声呐信号同样也会自远超其所能有效接收回音信号的距离之外被有效探测到。作为粗略的经验法则，可以认为，主动声呐发射源可以被对方探测到的距离是其所能探测目标距离的三倍。

3）直达和海底反射

大洋中的声音很少被局限在单一途径上，故而在用声学设备试图探测或定位海洋中的物体时，必须考虑声音传播的每个潜在途径。除了会聚区现象之外，声音还能通过直达或者海底反射的方式进行传播。

直达途径

所谓直达途径，恰如起名，指的是最为简单的声学传播途径。其发生在表层，其作用方式类似雷达，本质上是在声呐源和目标之间的一条直线路径，没有反射，只有因折射所导致的方向变化。这也是回声测深仪所依据的声学原理。

对于绝大多数中频舰体声呐而言，最大直达距离（一般而言低于10海里，绝大多数情况下，比这还要短得多。（当然，声呐的工作距离很大程度上还是取决于声呐的功率和频率）。

海底反射

海底反射是一种声音传播途径，它是自海底反射的声音，所以它是被“弹”回海面，然后再次向下反射。这种方式主要对中频和高频声呐有用，因为低频声波往往被海底所吸收。

海底回声现象一般出现在海底地形相当平坦且水深略微大于临界深度，通常而言大于2000米，小于5000米的区域内。海底回声可以适用在像地中海这样的浅海水域或者沿大陆架较深部分的水域中。

在海底反射时，声音进入水中的入射角往往太大而无法产生会形成会聚区的折射现象（假设深度小于5000米），通常而言声音传播方向同水平面夹角在15-45度之间。海底反射技术的最大有效距离要小于20海里。

海底反射技术的主要优势在于其填补了相对较短距离的直接路径探测以及远程会聚区探测之间的缺口，特别是在会聚区传播效应被限制的情况下。在现代之所以这个方式使用并不广泛，其原因很大程度在于大部分海底的吸收率高于预期。

3、反潜作战中的战术海洋学

这些在反潜战中意味着什么？

简单而言，这意味着海洋条件对反潜传感器以及武器有着极大的影响。由于这种影响，了解有关潜艇（或者水面舰）正在作业的条件就显得极为重要。

（1）海水深度及海底地形

一如之前所说，水深，海底地形以及海底构成将影响声音传播，进而影响声呐性能。

如果声源位于深处，同时条件合适，声音传播可能引发所谓“深海声道”或者简称DSC的现象（之前称为声音定位测距声道。声音被困于DSC（深海声道）之中，在其边界没有损失，进而可以以极低的损失传输至接收机。（这在原理上类似于光纤中的光传输）。低频声波可以在DSC中传播数千英里。

美国海军著名的海底声呐监控系统（SOSUS）--横贯北大西洋海底所铺设的水听器设备链-就利用了深海声道（DSC）现象来监听苏联的潜艇。

北约在冷战期间在北大西洋方向的Sosus监听网

美军在太平洋方向的水下防线

DSC现象往往出现在赤道附近较深海域，以及在极地附近的浅海区域。在理想条件下，甚至可以在表面波导中来实现类似的传播方式，不过在表面总会有一些反射损失。

声音传播还会受到水体自身以及洋面和海底吸收的影响。声呐往往在海底较为坚实平坦时获得最好的效能，而在海底泥泞则表现最差（或是布满岩石，这样的话你更多看到的是声音散射而非声音被吸收）。声音的吸收与否取决于其频率，一如之前谈论的一样，最高频率的声音首先被吸收，最低频率的声音最后被吸收。这就是为啥那些需要超远距离作业的声呐往往使用低频波段，目的就是为了将吸收的影响降到最低。

在浅水中，声音传播会受到很大的损失。某些声呐，举例而言，比方低频声呐之类的，往往在浅水区域内由于混响（散射）以及波动作用产生的谐波噪音而表现糟糕。

因为水下地形对声音传播同样也有影响，所以潜艇舰员试图持续不断的对洋脊，海底山脉,平顶海山（它们是平顶的，看起来像水下平顶山）以及群岛等地形地貌的特征进行了解和掌握。

海底的构成同样也会影响海底反射声呐的性能或者影响水雷的部署。为什么要对海底地形保持持续性了解的另外一个显而易见的原因是海底地形可能对水下导航及航行造成危险。

2005年4月，美军核潜艇旧金山号（SSN-711）撞上了海底山脉

（2）海水温度及盐度

另外一个值得考虑的因素是自河流及边缘海流出的淡水，这种淡水会显著影响声音传播的特性。

这是因为，一如之前所提，温度和盐度都会对水下音速产生影响，进而主动声呐和被动声呐的性能也会受到影响。

大洋温度及盐度水平在不同地区之间有巨大的差别。在北冰洋，低水温能够使得自洋面到海底形成几乎一样的环境条件，这有助于声呐性能保持稳定。然而，冰层的存在同样也意味着声音传播有更多的障碍（这可能会增加散射以及混响），同时也意味着大量环境噪音（因为冰层在持续不断的彼此摩擦）。

不同的盐度水平也会影响声呐性能。举个栗子，地中海盐舌，之所以这样命名是因为温暖的水流经过直布罗陀海峡流入大西洋，形成了一个几乎延伸到百慕大海域的大型水域，该水域具有同其他海域相比明显不同的声学特性。

（3）环境噪音

即使没有船舰以及潜艇存在，海洋也远不是一个安静的场所。海洋自身的背景噪音，或者称之为环境噪音，随着声源种类，发生位置以及声音频率的不同而变化极大。海水湍流以及地质或者板块活动（例如海底火山）是低频环境噪音的主要成因。由于工业活动以及商业航运，港口及港湾的局部噪音水平会提高。在中频范围内，远方的航运也许是噪音的主要来源。表层噪音，例如风和水体波动，或者洋面上下雨所产生的声音，是高频环境噪音的主要来源。

海洋中的生物活动同样也会产生环境噪音同时影响到声呐工作。（大量枪虾所产生的噪音足以遮蔽潜艇所产生的噪音就是一个例子。实际上，在二战期间，盟军潜艇就曾利用枪虾群发出的声音作为掩护，完成潜艇机动，接近德军。不过，群居的枪虾产生的巨大噪音对于声呐探测也是很大问题，同时其发射的“空泡弹”对潜艇螺旋桨也是有害的）。常年存在的热带水域以及夏季时节的温带和极地水域，尤其容易受到影响。海洋中的哺乳动物，尤其是齿鲸和海豚，会天然的使用回声定位的方式（或者生物声呐）来进行交流并寻找食物。这些声音也都叠加到海洋背景噪音之中。（围绕高功率军用声呐在大洋中的使用以及其可能对海洋哺乳生物所产生消极影响的问题，存在很多争论）。

环境噪音最主要的来源还是在于因为天气原因导致的洋面变化。大风引大浪，并由此制造了大量的噪音。恒定的风速是由蒲福风级来进行测定，其测量范围自0级（静稳，风速小于1节）至12级（飓风，风速高于64节）。

稳定风速的高地与海况良劣（浪高，海浪周期及特征）存在着直接相关。世界气象组织海况代码提供了一个评估洋面条件的标尺，海况代码从0（静稳，海面静止如镜）到9（巨浪滔天，浪高14米以上）。

波浪彼此撞击的规模越大，所形成的环境噪音也就越大。由于海况的升级会导致在表层波导中的环境噪音随之增加，所以往往气候变化会使得声呐的性能下降。这种环境噪音也会使水面舰只的舰体声呐失效，同时，这种环境噪音也会使得潜艇声呐无法探测到水面舰只的存在。（这种因为海况而产生的噪音，其频率往往高于300Hz）。

（4）自噪声

自噪声是水面舰或者潜艇自身制造，并可被自身声呐探测到（或者更糟，被敌方声呐探测到），进而大幅降低自身声呐整体性能的噪音。因此，自身产生的噪音是一个一直以来困扰声呐平台的问题。从本质上而言，舰船或者潜艇在水中航速越快，其产生的噪音就越大，而自身所能听到的声音也就越小。在这两种情况下，自身有被正以更缓慢航速航行，进行潜伏隐蔽的对手摧毁的风险。一艘舰船或者潜艇在宽频带和窄频带上的自噪音构成其“声学信号”（声纹），从而能被敌方被动声呐用来对其进行分类定级并进行识别。

来自舰船和潜艇上的机械，螺旋桨的噪音，甚至舰体穿行在水体中的声音（流噪声）等等都属于自噪声。

船舰和潜艇上有大量潜在发出噪音的机械设备，包括它们的引擎，减速齿轮，发电机，液压系统，泵机以及涡轮发动机等。除了这些设备自身运行所产生的噪音之外，这些机械工作时还会使得舰体发生振动，而这些振动反过来又传递至周围的水体中。机械噪音一般与速度无关，因为高速航行时，机械噪音被流噪音所掩盖，而在低速航行时则成为自噪声的主要组成部分。甚至如果没有足够的电子屏蔽，电子及电气设备也能制造噪音（热噪声）。

流噪声是由水体流经舰体所形成的湍流产生，它取决于航速，舰体形状以及声呐换能器的安装位置。

螺旋桨噪声（通常为甚低频）取决于螺旋桨的转速和螺旋桨自身的几何形状。事实上，空泡噪音是船只作业过程中产生的最大噪音。当由于高速旋转的螺旋桨（在高航速下）而形成局部真空或者气泡时，就会出现空泡化。当这些气泡破碎时，就会制造宽带噪音，而这种宽带噪声可以自相当远的距离外被听见（同时还会形成冲击波，这种冲击波会损害螺旋桨叶片）。

声学隐形同样可能因为由比方舵机运动，机械装置的启动和停止，一个掉落的扳手，或者众所周知的，开启鱼雷管舱门时所产生的短时，短促的噪音而遭到破坏。瞬态噪声是潜艇的一个重要特征，它有助于对潜艇进行分级和识别。

为了进一步增强其自身的隐身能力，海军已经尽其所能的降低其自噪声。减振，隔振以及屏蔽机械及部件的噪声，对螺旋桨的几何形状进行特殊构型和偏斜，以及采用泵喷推进器都是这种努力的体现。当然，船员必须严格遵守纪律，尤其是在潜艇上。

自二战以来，各国已经投入了大量的金钱和精力来寻找进一步降低潜艇（以及可以猎杀它们的水面舰只的）自噪声的方法。一个最早的方式，也是至今仍在使用的方式是，在潜艇舰体上敷设消音瓦或者消音涂层。纳粹德国海军在1944年首次使用该技术，在U艇上敷设了被称为“阿尔贝利希”的合成橡胶涂层。尽管其目的是在于降低噪音，不过由于粘合剂的问题反而导致消音涂层脱落，并在U艇自身的尾流中不停的拍打，反而造成了更多的噪音。

现代消音瓦或者涂层有两个用途：一个是吸收主动声呐，降低回波强度从而降低主动声呐的有效探测距离（这样也降低了主动自导鱼雷的搜索距离）；另一个就是降低自噪声，从而降低敌方被动声呐的有效探测距离。

美国海军曾为其数级战舰（包括斯普鲁恩斯级驱逐舰，佩里级护卫舰，阿里·博克级驱逐舰以及提康德罗加级巡洋舰）研发了名为“草原-气幕”（的降噪系统来降低或者遮蔽其自噪声。草原系统安装在舰只的螺旋桨上，气幕系统则安装在推进装置附近的外部舰体上。压缩空气被推入机械加工的孔径从而在螺旋桨及舰体周围制造出作为屏障的气泡，从而屏蔽掉其辐射的噪音，干扰敌方被动声呐（尤其是潜艇声呐）对声音进行分析来确定及识别声源的能力。

根据报告显示，“草原-气幕”系统的声学特征对被动声呐而言听起来就像雨声一样。

来源：知乎 DeusLoVult、水声之家

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