水声学第一章 绪论

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第一章绪论上半部水声学的根本内涵水声学的开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1、水声学的根本内涵1.1水声学的定义水声学主要研究声波在水下的辐射、传播与接收，用以解决与水下目标探测和信息传输过程有关的各种声学问题。声辐射声传播声接收海洋环境海底海面海水1.2水声学根本内涵磁场：作用距离在100米以内光：作用距离近10米到100米声波：1分贝/公里，10kHz频率电磁波：衰减4500分贝/公里结论：声波是目前唯一的水下远距离信息传输的有效载体1.3各种波在水下的衰减1.4声波在水下传播最有效ATOC-海洋气候声层析ATOC实验-低频声源ATOC实验-声波传播路径2、水声学开展简史2.1水声学开展历史水声学起源1490年，达.芬奇摘记中提出用长管听远处航船水声学第一次定量测量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。1840年，焦耳发现了磁致伸缩效应。1880年，皮埃尔.居里发现了压电效应。压电陶瓷--PZT〔锆钛酸铝〕2.1水声学开展历史压电效应1912年，英国人AlexanderBelm描述了回声定位设备。1912年，英国人L.F.Richardon提出了回声定位方案〔英国专利〕。2.1水声学开展历史ThefirstworkingsonarsystemwasdesignedandbuiltintheUnitedStatesbyCanadianReginaldFessenden

in1914.TheFessendensonarwasanelectromagneticmoving-coiloscillatorthatemittedalow-frequencynoiseandthenswitchedtoareceivertolistenforechoes.Itwasabletodetectanicebergunderwaterfrom2milesaway,althoughwiththelowfrequency,itcouldnotpreciselyresolveitsdirection.2.1水声学开展历史Powerfulhighfrequencyultrasonicecho-soundingdevicewasdevelopedbyemminentFrenchphysicistPaulLangévin

andRussianscientistConstantinChilowsky.Theycalledtheirdevicethe'hydrophone'.Thetransducerofthehydrophoneconsistedofamosaicofthinquartzcrystalsgluedbetweentwosteelplateswitharesonantfrequencyof150KHz.Between1915and1918thehydrophonewasfurtherimprovedinclassifiedresearchactivitiesandwasdeployedextensivelyinthesurveillanceofGermanU-boatsandsubmarines.ThefirstknownsinkingofasubmarinedetectedbyhydrophoneoccurredintheAtlanticduringWorldWarIinApril,1916.2.1水声学开展历史2.1水声学开展历史2.1水声学开展历史1959年，中苏联合水声考察1994年，南海水声考察2002年，海洋通量测量2.1水声学开展历史3、水声学主要研究对象水声学的主要研究内容水声学水声物理水声工程水声系统水声物理海洋环境声特性海水〔声学特性〕海底与海面〔声学特性〕水声传播〔规律〕混响、噪声、散射、声起伏对声纳设备工作的影响水声物理研究水声物理研究水声系统英国国家物理实验室耦合腔校准系统中频校准水池定位系统高压消声水池湖上试验场及其安装设备和测量系统4、水声学的主要应用军事领域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。VariableDepthSonarTowedfromship.Buoyancy,scopeandshipspeeddeterminedepth.SLincreasedwithdepth.(Quenchinglimit)Operatebelowsoniclayerdepth.VDSDeployingVDS(Canada)MineHuntingVDS水中目标探测S-3SONOBUOYSDippingSonarAirborneanddippedintotheocean.水中目标探测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〕民用领域鱼探仪助渔设备〔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海底特性探测海底特性探测海底特性探测海底特性探测洋流和海水温度探测观察点A观察点B声源运动方向多普勒效应洋流和海水温度探测鱼群探测、跟踪和识别水声通讯水声通讯水声定位导航水声定位导航5、本课程的主要内容本课程的主要内容建立声纳系统的根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、性能预测所需要的根本参数，建立根本的物理概念，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，这些都是声纳系统设计必须认真考虑的因素，也是水声学主要的研究内容。声纳及声纳方程海洋的声学特性海洋中的声传播理论典型传播条件下的声场声波在目标上的反射和散射海洋中的混响水下噪声水声学的学习方法一点建议与海洋学紧密结合深入掌握声纳方程注重理论联系实践第一章绪论下半部第一章绪论下半部声纳及其工作方式〔了解〕声纳参数〔重点〕声纳方程〔重点〕组合声纳参数〔了解〕声纳方程的工程应用及限制〔了解〕1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。按照工作方式分类：主动声纳和被动声纳主动声纳信息流程接收阵处理器判决显示目标发射机发射阵信号源干端湿端被动声纳通过接收被探测目标〔声源局部〕如鱼雷、潜艇等的辐射噪声，来实现水下目标探测。被动声纳信息流程接收阵处理器判决显示目标1声纳及其工作方式2声纳参数主、被动声纳工作信息流程的根本组成：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。2.1声源级SL〔SourceLevel〕声源级SL：用来描述主动声纳所发射的声信号的强弱〔反响发射器辐射声功率的大小〕定义：式中，I为发射器声轴方向上离声源声中心1米处的声强，I0为参考声强〔均方根声压为1微帕的平面波对应的声强〕。解释原因：可以提高辐射信号的强度，相应也提高回声信号强度，增加接收信号的信噪比，从而增加声纳的作用距离。为了提高主动声纳的作用距离，将发射器做成具有一定的发射指向性，如以下图所示。发射指向性指数DIT：

式中：ID为指向性发射器在声轴上测得的声强度；IND为无指向性发射器辐射的声强度。含义：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；DIT越大，声能在声轴方向集中的程度越高；DIT越大，就有利于增加声纳的作用距离。

声功率时，如何计算SL？声源级与声功率的关系：假设介质无声吸收，声源为点声源，辐射声功率为Pa〔W〕，距声源声中心1米处声强度为：1〕无指向性声源辐射声功率与声源级的关系：2〕指向性声源辐射声功率与声源级的关系：常识：船用声纳Pa为几百瓦~几千瓦，DIT为10~30dB，SL约为210~240dB。2.2传播损失TL〔TransmissionLoss〕传播损失TL定量描述声波传播一定距离后声强度的衰减变化定义：式中，I1是离声源声中心1米处的声强度；Ir离声源声中心r

米处的声强度。

引起声强衰减的原因：1〕由于海水介质本身的声吸收2〕声传播过程波阵面的扩展3〕海水中各种不均匀体的散射2.3目标强度TS〔TargetStrength〕目标反射本领有差异：在同样入射声波的照射下，不同目标的回波是不一样的。它除了与入射声波特性〔频率、波阵面形状〕有关，还与目标的特性〔几何形状、材料等〕有关。目标强度TS定量描述目标反射本领的大小定义：式中，Ii是目标处入射声波的强度；Ir离目标声中心1米处的回波强度。2.4海洋环境噪声级NL〔NoiseLevel〕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。环境噪声级NL是度量环境噪声强弱的量定义：式中I0为参考声强度,IN是测量带宽内〔或1Hz频带内〕的噪声强度。Question：海洋内部是安静的吗？2.5等效平面波混响级RL

〔ReverberationLevel〕主动声纳的背景干扰：1)环境噪声—一般是平稳的和各向同性的2)混响—是非平稳的和非各向同性的等效平面波混响级RL：a)定量描述混响干扰的强弱b)是利用平面波的声级来度量混响场的强弱c)定义：强度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，那么该平面波声级就是混响级。2.6接收指向性指数DI

〔DirectivityIndex〕接收换能器的接收指向性指数DI定义为：其中，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。QUESTION：何为水听器灵敏度?水听器灵敏度Sh定义：水听器处的声压为p，装置的开路终端电压是V，那么水听器的灵敏度为：例子：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/V式中，m为比例常数；是元立体角。设水听器的灵敏度为单位值，噪声场为各向同性的，单位立体角内的噪声功率为Ii，无指向性水听器产生的均方电压为：无指向性水听器产生的均方电压：在同一噪声场中，指向性水听器产生的均方电压：其中，b是归一化的声束图函数，是空间方位角。那么接收指向性指数DI为：参数DI只对各向同性噪声场中的平面波信号〔是完全相关信号〕有意义；具有其它方向特性的信号和噪声场，需用阵增益来代替DI。Caution：对于几何形状简单的换能器阵，可用阵尺寸来表示它的DI值。2.7检测阈DT

〔DetectionThreshold〕声纳设备接收器接收声纳信号和背景噪声，两局部的比值即接收带宽内的信号功率或均方电压与1Hz带宽内〔或接收带宽〕的噪声功率或均方电压的比，它影响设备的工作质量，比值越高，设备就能正常工作，“判决〞就越可信。检测阈DT是设备刚好能正常工作所需的处理器输入端的信噪比值定义：常识：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。

3声纳方程声纳方程：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。它将海水介质、声纳目标和声纳设备的作用联系在一起。1、根本考虑声纳方程的根本原那么：信号级—背景干扰级=检测阈〔刚好完成预定职能〕背景干扰级的含义：设备工作带宽内局部背景噪声才起干扰作用。3.1主动声纳方程收发合置的主动声纳信号强度变化如以下图：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：NL-DI〔接收阵接收指向性指数压低背景噪声〕Caution：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。处理器处的电信号的信噪比：〔SL-2TL+TS〕-〔NL-DI〕主动声纳方程〔噪声背景〕：〔SL-2TL+TS〕-〔NL-DI〕=DTCaution：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。

主动声纳方程〔混响背景〕：SL-2TL+TS-RL=DTCaution：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。3.2被动声纳方程与主动声纳相比，被动声纳特点：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。被动声纳方程：SL-TL-〔NL-DI〕=DTSL为噪声源辐射噪声的声源级。4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；4组合声纳参数回声余量：SL-2TL+TS-〔NL-DI+DT〕——主动声纳回声级超过噪声掩蔽级的数量；优质因数：SL-〔NL-DI+DT〕——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；品质因数：SL-〔NL-DI〕——声纳接收换能器测得的声源级与噪声级之差5声纳方程的应用及其限制B.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