水声学教学讲解课件

《水声学》黑龙江省级精品课程水声工程学院声学教研室http:///第一章绪论

第一讲水声学概述课程简介水声学的基本内涵水声学的发展简史水声学的主要研究内容水声的主要应用本课程的主要内容课程简介水声学原理是本专业主要特色课程之一教学科研紧密结合是本课程重要的特色之一本课程学习中应当注意的有关问题（2005年摄）青岛海边历史故事泰坦尼克号大西洋潜艇战役片断历史故事大西洋潜艇战役片断大西洋潜艇战役片断大西洋潜艇战役片断一、水声学的基本内涵海洋是人类生命的摇篮生命的源泉，生命的起源，科学探索，深海生命现象海洋是人类赖以生存的宝库海洋资源之多少？几乎人类生存所需要的一切资源，食品、能源、矿物、金属、石油、天然气…..探测？勘探方法？开采？海洋是人类生存和发展的主要空间海洋环境的恶化加剧，海洋灾害频繁海洋环境监测？如何认识海洋？海洋的勘探、调查、监测手段是什么？海洋也是世界军事争斗的主要战场战争的演变，由陆到海，由海到陆，现在是以海为主。航母，巡航弹，精确制导武器等应用改变了战争的模式。海上军事力量成为军力的主要标志。海上力量的战斗力的基础是生存能力，海上作战的最有效的武器，经过两次世界大战证明，一是潜艇，二是鱼雷。尤其是现在的配备了核打击力量的安静型核动力潜艇、安静型潜艇配备智能鱼雷，成为水面舰艇和地面目标的最主要的威胁。潜艇依然是海战的重要作战平台世界上的潜艇按动力可区分为：常规潜艇和核潜艇；按作战任务可区分为：战略导弹潜艇和攻击型潜艇世界上拥有核潜艇的国家有5个，拥有各型核潜艇150余艘，其中，战略导弹核潜艇近50艘，攻击型核潜艇100余艘还有近40个国家拥有不同类型的常规潜艇300余艘。拥有常规潜艇数量最多的国家在我们亚洲（朝鲜拥有60艘）二战期间，潜艇共击沉作战舰艇381艘，其中战列舰3艘，航空母舰17艘，巡洋舰32艘，驱逐舰122艘，还有其它作战舰艇207艘，击沉各种运输船5000余艘二战中各种舰艇共击沉航空母舰38艘，仅潜艇就击沉17艘被潜艇击沉的潜艇80艘在第二次世界大战中，德国“U-47”号潜艇于1939年10月潜入英国位于苏格兰北部的海军基地，在港内击沉了英国的排水量达33000多吨的大型战列舰“皇家橡树”号，创造了军事史上的奇迹美国是世界上潜艇技术领先、数量最多的国家，共拥有潜艇70余艘，全部为核动力潜艇，其中，战略导弹核潜艇近20艘、攻击型核潜艇50余艘美国美国最新核动力攻击潜艇-海狼号俄罗斯俄罗斯D级弹道导弹核潜艇俄罗斯的弹道导弹核潜艇共发展了四代，分别为“台风”级、DI、DII、DIV级，目前在役的有17艘，“台风”级弹道导弹核潜艇是世界上排水量最大的核潜艇，其水下排水量26500吨，水下航速26节，可携带16－20枚SS-N-23或SS-N-20型弹道核导弹，每枚可携载10个分弹头，射程可达9000－10000公里英国英国是世界上第三个拥有核武器的国家，英国的核力量全部为海基，目前拥有战略导弹核潜艇4艘，每艘可携带16枚“三叉戟”弹道核导弹，每枚可携载14枚分弹头，射程达12000公里英国最新战略核潜艇-警戒号法国法国海军的战略导弹核潜艇有三代，第一代“无畏”级、第二代“不屈”级、第三代“胜利”级。目前在役的有5艘，其中“胜利”级水下排水量14335吨、水下航速25节、下潜深度300米，可携带16枚M45型战略核导弹，射程5300公里法国海基核力量中坚-凯旋号核潜艇中国中国092型“夏”级弹道导弹核潜艇中国的潜艇：091型“汉”级攻击核潜艇、092型“夏”级弹道导弹核潜艇、039型“宋”级潜艇，“俄亥俄”级战略导弹核潜艇是美国“三维一体”战略核力量的中坚，该级艇是美国至今建造的吨位最大、性能最先进、携带导弹最多的战略导弹核潜艇，水下排水量18750吨，下潜深度400米，水下航速25节，每艘有24个导弹发射筒美国俄亥俄级核动力导弹潜艇鱼雷和水雷是目前水下作战的主要兵器鱼雷多种多样制导方式投放方式爆炸方式超高速水雷多种多样引爆引信布放方式主动攻击水雷水鱼雷水下作战的主要手段潜艇、鱼雷、水雷、蛙人等水下战的主要内容潜艇战与反潜战鱼雷攻击与防护水雷战与反水雷水下作战保障先敌发现精确定位隐蔽导航与通信先敌发现隐身能力，有效地隐蔽自己而不被敌人发现探测能力精确定位定自己的位置定敌人的位置隐蔽导航与通信隐蔽性是主要的已经有很多进展水下的探测、定位、导航和通信如何实现？如何在水下获取信息？陆地上的信息获取：光声无线电电磁波是最有效的信息载体探测——雷达导航与定位——GPS通信——有线、无线、卫星通信水下的探测、定位与导航、通信声波是唯一能在海洋中远距离传输信息的信息载体声波的衰减1分贝/公里，10kHz

频率，（声波的衰减与频率的平方成正比），利用海洋中的波导效应，声波可以传播的更远。电磁波的衰减4500分贝/公里（每米能量衰减百分之九十），所以海洋中是漆黑的，即使蓝绿激光，能穿透的距离也只有百米量级，并且是水质清澈条件下。水声学是围绕水声技术、水声对抗技术和水声工程的基本需求来开展科学研究的水声技术利用声波作为信息载体来实现水下探测、定位、导航和通信的原理与方法水声对抗技术在军事上，对抗水下声探测、定位、导航和通信的技术措施与手段水声工程水声技术和对抗技术的工程目标实现二、水声学发展简史水声学的早期研究可以追溯很遥远，因为水声学毕竟是声学的一个重要分支水声学的诞生需要许多条件，一是需求，二是基础。水声学发展史上的著名事件海洋探测和海军的需求是水声学发展的两大基本推动力1490年，达.芬奇摘记中提出用长管听远处航船1827年，瑞士物理学家D.Colladon和法国数学家C.Sturm合作，在日内瓦湖测量了水中的声速。第一和第二次世界大战期间反潜，法国、英国和美国，主动声纳郎之万振子，夹心石英预应力换能器磁致伸缩换能器电子管振荡器和放大器压电陶瓷透声橡胶水声物理研究，传播，噪声，混响的基本理论潜艇攻击，德国的被动声纳——听音系统潜艇隐身技术，消声瓦二战以后的水声技术与水声学传感器技术拖曳线列阵技术水声信号处理技术水声物理学研究减振降噪与隐身技术我国的水声事业水声教育哈军工——哈船院——哈工程北京大学山东海洋学院——青岛海洋大学——中国海洋大学西北工业大学南京工学院——东南大学水声科学研究中科院声学研究所七一五研究所726研究所760研究所水声设备生产721厂，613厂，612厂，6971厂水声测量与试验场760试验场——760研究所千岛湖试验场三、水声学的主要研究内容水声系统简介声纳——sonar,（SOund

NAvigationandRanging)，现在已经泛指以声波作为信息载体而完成某种功能使命的工程系统，如：主动声纳，被动声纳，通讯声纳，侧扫声纳等声纳系统一般包括：水下部分（换能器，也叫湿端）水上（舱内处理器及显示，干端）主动声纳，以回声方式实现系统功能的水声系统被动声纳，以纯被动接收方式实现系统功能的水声系统水声系统所涉及的内容水声换能器水声物理（传播路径上的信号变异特性）水声信号处理（传感器输出端以后的信息检测、估计、识别和显示等）水声换能器水声换能材料水声换能器设计原理与方法水声换能器工艺声基阵成阵技术水声换能器校准计量水声物理海洋环境声特性海水水体海底与海面水声传播混响噪声散射起伏水声信号处理时频分析自适应技术检测与估计特征提取与识别基阵信号处理——波束形成技术信号处理的软硬件实现——AD&DA技术，DSP技术四、水声的主要应用军事应用水雷引信声制导鱼雷探雷声纳小目标定位声纳通信声纳航空吊放声纳（浮标声纳）拖曳声纳拖曳线列阵声纳水声导航声纳安静型潜艇探测的需求消声瓦使高频回波显著降低，潜艇辐射噪声也主要集中于低频线谱。民用测深单波束测深仪多波束测深仪旁视声纳侧扫声纳综合孔径测深仪测速多普勒测速仪（海流计）相关测速仪（海流计）鱼探仪助渔设备（诱鱼、计数、跟踪）助潜设备水下定位信标应答器通讯与遥测声控海洋监测ATOC-海洋气候声层析五、本课程的主要内容建立声纳系统的基本概念由声纳方程入手，将所有与声纳系统有关的物理参数联系到一起，了解声纳系统设计、性能预测所需要的基本参数，建立基本的物理概念，明确水声学的主要研究内容与声纳系统的关系。与换能器和信号处理有关的内容由于有单独设立的课程，这里不再详细讨论。因此，由声纳方程引出有关的水声物理问题，这些都是声