水声学-绪论-声纳方程课件

第二讲声纳方程1CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU本讲主要内容声纳及其工作方式声纳参数声纳方程组合声纳参数声纳方程的工程应用及限制主动声纳的主要干扰判断2CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU一、声纳及其工作方式声纳（Sonar—SOundNAvigationandRanging）：利用水下声信息进行探测、识别、定位、导航和通讯的系统。3CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU一、声纳及其工作方式被动声纳信息流程：被动声纳通过接收被探测目标（声源部分）如鱼雷、潜艇等的辐射噪声来实现水下目标探测。接收阵处理器判决显示目标湿端干端5CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU问题一：主被动声纳有何区别？声源—SL、NL传播路径—2TL、TL干扰—NL、RL目标—TS、SL主动被动6CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU二、声纳参数主、被动声纳工作信息流程的基本组成：声信号传播介质（海水）被探测目标声纳设备声纳参数定义：将影响声纳设备工作的因素称为声纳参数例举几个声纳参数：SL、TL、TS、RL、NL、DI、DT本节重点：声纳参数的概念、物理意义、声纳方程的组成7CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU二、声纳参数主动声纳声纳参数：声源级SL发射指向性指数DIT传播损失TL目标强度TS传播损失TL接收指向性指数DI噪声级NL等效平面波混响级RL检测阈DT8CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU2.1声源级—SL（SourceLevel）物理意义：用来描述主动声纳所发射的声信号的强弱（反应发射器辐射声功率的大小）定义：：如何提高声源级？有无益处？二、声纳参数10CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU2.2发射指向性指数—DIT（DirectivityIndex）物理意义：在相同距离上，指向性发射器声轴上声级高出无指向性发射器辐射声场声级的分贝数

定义：

特点：二、声纳参数声能集中作用距离12CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU问题三：已知声功率时，如何计算SL？指向性声源的声源级：：船用声纳Pa为几百瓦~几千瓦，DIT为10~30dB，SL约为210~240dB。14CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU2.3传播损失—TL（Transmission

Loss）物理意义：定量描述声波传播一定距离后声强度的衰减变化定义：：引起声强衰减的原因有哪些呢？二、声纳参数15CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU2.4目标强度—TS（TargetStrength）物理意义：定量描述目标声反射本领的大小定义：：TS>0还是TS<0？二、声纳参数目标QCPIr1m16CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU2.5海洋环境噪声级—NL（NoiseLevel）物理意义：是度量环境噪声强弱的量定义：：IN是测量带宽内（或1Hz频带内）的噪声强度。海洋环境噪声是由海洋中大量的各种各样的噪声源发出的声波构成的，它是声纳设备的一种背景干扰。二、声纳参数17CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU2.6等效平面波混响级—RL（ReverberationLevel）物理意义：定量描述混响干扰的强弱定义：强度已知的平面波轴向入射到水听器上，水听器输出电压值为V；将水听器移置于混响场中，声轴指向目标，水听器输出电压值也为V，则该平面波声级就是混响级。它是主动声纳的一种背景干扰二、声纳参数18CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU2.7接收指向性指数—DI（DirectivityIndex）物理意义：接收系统抑制各向同性背景噪声的能力定义：条件：指向性水听器的轴向灵敏度等于无指向性水听器的灵敏度。二、声纳参数20CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU问题四：何为水听器灵敏度？物理意义：反应水听器的声电转换能力定义：水听器处的声压为p，装置的开路终端电压为V，则水听器的灵敏度：：已知水听器的灵敏度为-200dB/V，假设入射平面波的声压级为80dB，问其输出端的开路电压为几伏？dB/V21CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU问题五：接收指向性指数如何获得？接收指向性指数：：参数DI只对各向同性噪声场中的平面波信号有意义其它方向特性的信号和噪声场，需用阵增益来代替DI23CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU问题五：接收指向性指数如何获得？阵增益：（R.J.Urick.水声原理[M].P24）24CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU2.8检测阈—DT（DetectionThreshold）物理意义：设备刚好能正常工作所需的处理器输入端的信噪比定义：：对于同种职能的声纳设备，检测阈值较低的设

备，其处理能力强，性能也好。

二、声纳参数26CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU小结从能量角度描述了海水介质、声纳目标和声纳设备的特性和效应二、声纳参数SLTLTSTLDTDINLRL27CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU三、声纳方程基本特征：将海水介质、声纳目标和声纳设备的作用联系在一起。综合考虑水声所特有的各种现象和效应对声纳设备的设计和应用所产生影响的关系式。基本考虑：声纳方程的基本原则：信号级-背景干扰级=检测阈背景干扰级的含义：设备工作带宽内部分背景噪声才起干扰作用28CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU三、声纳方程3.1收发合置主动声纳信号强度变化过程回声信号级（信号级）：回声到达接收阵的声级SL-2TL+TS背景干扰级：（接收阵接收指向性指数压低背景噪声）NL-DI

：换能器声轴指向目标，回声信号不会被接收指向性指数压低。处理器处电信号的信噪比：（SL-2TL+TS）-（NL-DI）30CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU三、声纳方程3.2主动声纳方程噪声背景情况：（SL-2TL+TS）-（NL-DI）=DT

★：适用于收发合置型声纳，对于收发分置声纳，往返传播损失不能简单用2TL表示；适用于背景干扰为各向同性的环境噪声情况。混响背景情况：（SL-2TL+TS）-RL=DT

★：适用于收发合置型声纳，对于收发分置声纳，往返传播损失不能简单用2TL表示；适用于背景干扰为混响的情况。31CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU三、声纳方程3.3被动声纳信号强度变化过程32CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU三、声纳方程3.4被动声纳方程特点：噪声源发出的噪声直接由噪声源传播至接收换能器；噪声源发出的噪声不经目标反射，即无TS；背景干扰为环境噪声。声纳方程：（SL-TL）-（NL-DI）=DT

：SL为噪声源辐射噪声的声源级。33CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU四、组合声纳参数组合声纳参数：几个声纳参数的组合量，它具有明确的物理含义。回声信号级：SL-2TL+TS——加到主动声纳接收换能器上的回声信号的声级；噪声掩蔽级：NL-DI+DT——工作在噪声干扰中的声纳设备正常工作所需的最低信号级；混响掩蔽级：RL+DT——工作在混响干扰中的声纳设备正常工作所需的最低信号级；34CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU四、组合声纳参数回声余量：主动声纳回声级超过噪声掩蔽级的数量SL-2TL+TS-（NL-DI+DT）优质因数：对于被动声纳，该量规定最大允许单程传播损失；对于主动声纳，当TS=0时，该量规定了最大允许双程传播损失。SL-（NL-DI+DT）品质因数：声纳接收换能器测得的声源级与噪声级之差SL-（NL-DI）35CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU五、声纳方程的应用及限制5.1声纳方程的应用声纳设备性能预报：已知设备特点和若干参数，对其它声纳参数进行估计；估计最大传播损失估计探测距离声纳设备设计：预先规定设计设备的职能及各项战术技术指标，根据声纳方程综合评价各参数的影响，对参数进行合理选取和设备最佳设计。频率的选取——DI、TL36CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU五、声纳方程的应用及限制5.2声纳方程的限制声纳方程是用声强度来描述的，而声强度是声能流在某一时间间隔内的平均值：长脉冲信号，回波信号的宽度很接近发射信号脉冲宽度短脉冲信号，回波信号波形严重畸变，平均值不确定37CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU五、声纳方程的应用及限制5.3声纳方程的修正作为一种常用的近似，在时间T内对声波的能流密度E求平均而得声强：对于长脉冲声纳，T为发射脉冲宽度，回波脉冲宽度也近似等于此值；对于短脉冲声纳，T一般不确定，回声宽度与发射宽度相差甚大。38CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU五、声纳方程的应用及限制5.3声纳方程的修正短脉冲信号声纳方程中（R.J.Urick）：回声脉冲宽度：39CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU五、声纳方程的应用及限制5.3声纳方程的修正40CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU六、主动声纳的主要干扰判断回声级、噪声掩蔽级、混响掩蔽级与距离的关系EL=SL-2TL+TSNL-DI+DTRL+DT41CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU六、主动声纳的主要干扰判断结论回声和混响都是随距离而衰减的，而噪声保持不变。回声曲线随距离下降比混响掩蔽级曲线要快，二者相交于混响限制距离Rr处。而回声曲线与噪声掩蔽级曲线相交于噪声限制距离Rn处。对于噪声掩蔽级I，Rr<Rn，声纳设备正常工作的距离R<Rr，因此声纳作用距离受混响限制，选择混响为主要干扰的声纳方程；对于噪声掩蔽级II，Rn<Rr，而声纳设备正常工作的距离R<Rn，因此声纳作用距离受噪声限制，选择噪声为主要干