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文檔簡介

水聲學,第一章 緒論 上半部,水聲學的基本內(nèi)涵 水聲學的發(fā)展簡史 水聲學的主要研究內(nèi)容 水聲的主要應用 本課程的主要內(nèi)容,1、水聲學的基本內(nèi)涵,1.1 水聲學的定義,水聲學主要研究聲波在水下的輻射、傳播與接收,用以解決與水下目標探測和信息傳輸過程有關(guān)的各種聲學問題。,聲輻射,聲傳播,聲接收,海洋環(huán)境,海底,海面,海水,1.2 水聲學基本內(nèi)涵,水聲學是圍繞水聲技術(shù)、水聲對抗技術(shù)和水聲工程的基本需求來開展科學研究的 水聲技術(shù) 利用聲波作為信息載體來實現(xiàn)水下探測、定位、導航和通信的原理與方法 水聲對抗技術(shù) 在軍事上,對抗水下聲探測、定位、導航和通信的技術(shù)措施與手段 水聲工程 水聲技術(shù)和對抗技術(shù)的工程目標實現(xiàn),磁場:作用距離在100米以內(nèi) 光:作用距離近10米到100米 聲波:1分貝/公里,10kHz 頻率 電磁波:衰減4500分貝/公里 結(jié)論:聲波是目前唯一已知的水下遠距離信息傳輸?shù)挠行лd體,1.3 各種波在水下的衰減,1.4 聲波在水下傳播最有效,ATOC-海洋氣候聲層析,ATOC實驗-低頻聲源,ATOC實驗-聲波傳播路徑,2、水聲學發(fā)展簡史,2.1 水聲學發(fā)展歷史,水聲學起源 1490年,達.芬奇摘記中提出用長管聽遠處航船 水聲學第一次定量測量 1827年,瑞士物理學家 D.Colladon 和法國數(shù)學家 C.Sturm合作,在日內(nèi)瓦湖測 量了水中的聲速。,1840年,焦耳發(fā)現(xiàn)了磁致伸縮效應。 1880年,皮埃爾.居里發(fā)現(xiàn)了壓電效應。,壓電陶瓷 -PZT(鋯鈦酸鋁),2.1 水聲學發(fā)展歷史,壓電效應,1912年, 英國人Alexander Belm描述了回聲定位設(shè)備。 1912年,英國人L.F. Richardon提出了回聲定位方案(英國專利)。,2.1 水聲學發(fā)展歷史,The first working sonar system was designed and built in the United States by Canadian Reginald Fessenden in 1914. The Fessenden sonar was an electromagnetic moving-coil oscillator that emitted a low-frequency noise and then switched to a receiver to listen for echoes. It was able to detect an iceberg underwater from 2 miles away, although with the low frequency, it could not precisely resolve its direction.,2.1 水聲學發(fā)展歷史,Powerful high frequency ultrasonic echo-sounding device was developed by emminent French physicist Paul Langvin and Russian scientist Constantin Chilowsky. They called their device the hydrophone. The transducer of the hydrophone consisted of a mosaic of thin quartz crystals glued between two steel plates with a resonant frequency of 150 KHz. Between 1915 and 1918 the hydrophone was further improved in classified research activities and was deployed extensively in the surveillance of German U-boats and submarines. The first known sinking of a submarine detected by hydrophone occurred in the Atlantic during World War I in April,1916.,2.1 水聲學發(fā)展歷史,1925年, 研制出用于船舶導航水聲設(shè)備回聲測深儀。 第二次世界大戰(zhàn)促進了水聲技術(shù)的飛速發(fā)展。,2.1 水聲學發(fā)展歷史,二戰(zhàn)以后的水聲技術(shù)與水聲學 傳感器技術(shù) 拖曳線列陣技術(shù) 水聲信號處理技術(shù) 水聲物理學研究 減振降噪與隱身技術(shù),2.1 水聲學發(fā)展歷史,1959年,中蘇聯(lián)合水聲考察 1994年,南海水聲考察 2002年,海洋通量測量,2.1 水聲學發(fā)展歷史,3、水聲學主要研究對象,水聲學的主要研究內(nèi)容,水聲學,水聲物理,水聲工程,水聲系統(tǒng),水聲技術(shù),水聲物理,海洋環(huán)境聲特性 海水(聲學特性) 海底與海面(聲學特性) 水聲傳播(規(guī)律) 混響、噪聲、散射、聲起伏 對聲納設(shè)備工作的影響,水聲物理研究,水聲物理研究,水聲換能器 水聲基陣 水聲換能材料 水聲換能器設(shè)計原理與方法 水聲換能器工藝 聲基陣成陣技術(shù) 水聲換能器校準計量,水聲系統(tǒng),英國國家物理實驗室,耦合腔校準系統(tǒng),中頻校準水池定位系統(tǒng),高壓消聲水池,湖上試驗場及其安裝設(shè)備和測量系統(tǒng),4、水聲學的主要應用,軍事領(lǐng)域,水雷引信 聲制導魚雷 探雷聲納 小目標定位聲納 通信聲納 航空吊放聲納(浮標聲納) 拖曳聲納 拖曳線列陣聲納 水聲導航聲納,安靜型潛艇探測的需求,消聲瓦使高頻回波顯著降低,潛艇輻射噪聲也主要集中于低頻線譜。,Variable Depth Sonar,Towed from ship. Buoyancy, scope and ship speed determine depth. SL increased with depth. (Quenching limit) Operate below sonic layer depth.,VDS Deploying,VDS (Canada),Mine Hunting VDS,水中目標探測,S-3 SONOBUOYS,Dipping Sonar,Airborne and dipped into the ocean.,水中目標探測,測深 單波束測深儀 多波束測深儀 旁視聲納 側(cè)掃聲納 綜合孔徑測深儀 測速 多普勒測速儀(海流計) 相關(guān)測速儀(海流計),民用領(lǐng)域,魚探儀 助漁設(shè)備(誘魚、計數(shù)、跟蹤) 助潛設(shè)備 水下定位 信標 應答器 通訊與遙測 聲控 海洋監(jiān)測,海底特性探測,海底特性探測,海底特性探測,海底特性探測,洋流和海水溫度探測,洋流和海水溫度探測,魚群探測、跟蹤和識別,水聲通訊,水聲通訊,水聲定位導航,水聲定位導航,5、本課程的主要內(nèi)容,本課程的主要內(nèi)容,建立聲納系統(tǒng)的基本概念 由聲納方程入手,將所有與聲納系統(tǒng)有關(guān)的物理參數(shù)聯(lián)系到一起,了解聲納系統(tǒng)設(shè)計、性能預測所需要的基本參數(shù),建立基本的物理概念,明確水聲學的主要研究內(nèi)容與聲納系統(tǒng)的關(guān)系。與換能器和信號處理有關(guān)的內(nèi)容由于有單獨設(shè)立的課程,這里不再詳細討論。因此,由聲納方程引出有關(guān)的水聲物理問題,這些都是聲納系統(tǒng)設(shè)計必須認真考慮的因素,也是水聲學主要的研究內(nèi)容。,海洋的聲學特性是水聲學研究的基礎(chǔ),也是水聲學研究的基礎(chǔ)內(nèi)容之一。 - 海洋環(huán)境的聲學特性是海洋監(jiān)測技術(shù)的基礎(chǔ)。海洋環(huán)境包括水體、海面和海底,有平均特性,也有不均勻性,他們的聲學特性對水聲設(shè)備的研制與使用都是至關(guān)重要的。,聲納及聲納方程 海洋的聲學特性 海洋中的聲傳播理論 典型傳播條件下的聲場 聲波在目標上的反射和散射 海洋中的混響 水下噪聲,水聲學的學習方法一點建議,與海洋學緊密結(jié)合 深入掌握聲納方程 注重理論聯(lián)系實踐 第一章 緒論 下半部,第一章 緒論 下半部,聲納及其工作方式(了解) 聲納參數(shù)(重點) 聲納方程(重點) 組合聲納參數(shù)(了解) 聲納方程的工程應用及限制(了解),1 聲納及其工作方式,聲納(SonarSound Navigation and Ranging):利用水下聲信息進行探測、識別、定位、導航和通訊的系統(tǒng)。 按照工作方式分類:主動聲納和被動聲納,主動聲納信息流程,接收陣,處理器,判決 顯示,目標,發(fā)射機,發(fā)射陣,信號源,干端,濕端,被動聲納通過接收被探測目標(聲源部分)如魚雷、潛 艇等的輻射噪聲,來實現(xiàn)水下目標探測。,被動聲納信息流程,接收陣,處理器,判決 顯示,目標,1 聲納及其工作方式,2 聲納參數(shù),主、被動聲納工作信息流程的基本組成: 聲信號傳播介質(zhì)(海水) 被探測目標 聲納設(shè)備 聲納參數(shù) 定義:將影響聲納設(shè)備工作的因素稱為聲納參數(shù)。,2.1 聲源級SL(Source Level),聲源級SL:用來描述主動聲納所發(fā)射的聲信號的強弱(反應發(fā)射器輻射聲功率的大?。?定義:,式中,I為發(fā)射器聲軸方向上離聲源聲中心1米處的聲強,I0為參考聲強(均方根聲壓為1微帕的平面波對應的聲強)。,解釋原因:可以提高輻射信號的強度,相應也提高回聲信號強度,增加接收信號的信噪比,從而增加聲納的作用距離。,為了提高主動聲納的作用距離,將發(fā)射器做成具有一定的發(fā)射指向性,如下圖所示。,發(fā)射指向性指數(shù)DIT:,式中: ID為指向性發(fā)射器在聲軸上測得的聲強度; IND為無指向性發(fā)射器輻射的聲強度。 含義: 在相同距離上,指向性發(fā)射器聲軸上聲級高出無 指向性發(fā)射器輻射聲場聲級的分貝數(shù); DIT越大,聲能在聲軸方向集中的程度越高; DIT越大,就有利于增加聲納的作用距離。,已知聲功率時,如何計算SL? 聲源級與聲功率的關(guān)系: 假設(shè)介質(zhì)無聲吸收,聲源為點聲源,輻射聲功率為Pa(W),距聲源聲中心1米處聲強度為:,1)無指向性聲源輻射聲功率與聲源級的關(guān)系:,2)指向性聲源輻射聲功率與聲源級的關(guān)系:,常識:船用聲納Pa為幾百瓦幾千瓦,DIT為1030dB,SL約為210240dB。,2.2 傳播損失TL(Transmission Loss),傳播損失TL定量描述聲波傳播一定距離后聲強度的衰減變化 定義:,式中,I1是離聲源聲中心1米處的聲強度;Ir 離聲源聲中心 r 米處的聲強度。,引起聲強衰減的原因: 1)由于海水介質(zhì)本身的聲吸收 2)聲傳播過程波陣面的擴展 3)海水中各種不均勻體的散射,2.3 目標強度TS(Target Strength),目標反射本領(lǐng)有差異:在同樣入射聲波的照射下,不同目標的回波是不一樣的。它除了與入射聲波特性(頻率、波陣面形狀)有關(guān),還與目標的特性(幾何形狀、材料等)有關(guān)。 目標強度TS定量描述目標反射本領(lǐng)的大小 定義:,式中,Ii是目標處入射聲波的強度;Ir離目標聲中心1米處的回波強度。,2.4 海洋環(huán)境噪聲級NL(Noise Level),海洋環(huán)境噪聲是由海洋中大量的各種各樣的噪聲源發(fā)出的聲波構(gòu)成的,它是聲納設(shè)備的一種背景干擾。 環(huán)境噪聲級NL是度量環(huán)境噪聲強弱的量 定義:,式中I0為參考聲強度,IN是測量帶寬內(nèi)(或1Hz頻帶內(nèi))的噪聲強度。,Question:海洋內(nèi)部是安靜的嗎?,2.5 等效平面波混響級RL (Reverberation Level),主動聲納的背景干擾: 1)環(huán)境噪聲一般是平穩(wěn)的和各向同性的 2)混響是非平穩(wěn)的和非各向同性的 等效平面波混響級RL: a)定量描述混響干擾的強弱 b)是利用平面波的聲級來度量混響場的強弱 c)定義:強度已知的平面波軸向入射到水聽器上,水聽器輸出電壓值為V;將水聽器移置于混響場中,聲軸指向目標,水聽器輸出電壓值也為V,則該平面波聲級就是混響級。,2.6 接收指向性指數(shù)DI (Directivity Index),接收換能器的接收指向性指數(shù)DI定義為:,其中,指向性水聽器的軸向靈敏度等于無指向性水聽器的靈敏度。,QUESTION:何為水聽器靈敏度?,水聽器靈敏度Sh,定義: 水聽器處的聲壓為p,裝置的開路終端電壓是V,則水聽器的靈敏度為:,例子:已知水聽器的靈敏度為-200dB/V,假設(shè)入射平面波的聲壓級為80dB,問其輸出端的開路電壓為幾伏?,dB/V,式中,m為比例常數(shù); 是元立體角。,設(shè)水聽器的靈敏度為單位值,噪聲場為各向同性的,單位立體角內(nèi)的噪聲功率為Ii,無指向性水聽器產(chǎn)生的均方電壓為:,無指向性水聽器產(chǎn)生的均方電壓:,在同一噪聲場中,指向性水聽器產(chǎn)生的 均方電壓:,其中,b是歸一化的聲束圖函數(shù), 是空間方位角。則接收指向性指數(shù)DI為:,參數(shù)DI只對各向同性噪聲場中的平面波信號(是完全相關(guān)信號)有意義; 具有其它方向特性的信號和噪聲場,需用陣增益來代替DI。,Caution:,對于幾何形狀簡單的換能器陣,可用陣尺寸來表示它的DI值。,2.7 檢測閾DT (Detection Threshold),聲納設(shè)備接收器接收聲納信號和背景噪聲,兩部分的比值即接收帶寬內(nèi)的信號功率或均方電壓與1Hz帶寬內(nèi)(或接收帶寬)的噪聲功率或均方電壓的比,它影響設(shè)備的工作質(zhì)量,比值越高,設(shè)備就能正常工作,“判決”就越可信。 檢測閾DT是設(shè)備剛好能正常工作所需的處理器輸入端的信噪比值 定義:,常識:對于同種職能的聲納設(shè)備,檢測閾值較低的設(shè)備,其處理能力強,性能也好。,3 聲納方程,聲納方程: 綜合考慮水聲所特有的各種現(xiàn)象和效應對聲納設(shè)備的設(shè)計和應用所產(chǎn)生影響的關(guān)系式。 它將海水介質(zhì)、聲納目標和聲納設(shè)備的作用聯(lián)系在一起。 1、基本考慮 聲納方程的基本原則: 信號級背景干擾級=檢測閾(剛好完成預定職能) 背景干擾級的含義: 設(shè)備工作帶寬內(nèi)部分背景噪聲才起干擾作用。,3.1 主動聲納方程,收發(fā)合置的主動聲納信號強度變化如下圖:,回聲信號級(信號級):回聲到達接收陣的聲級 SL-2TL+TS 背景干擾級: NL-DI (接收陣接收指向性指數(shù)壓低背景噪聲) Caution:換能器聲軸指向目標,回聲信號不會被接收指向性指數(shù)壓低。 處理器處的電信號的信噪比: (SL-2TL+TS)-(NL-DI),主動聲納方程(噪聲背景): (SL-2TL+TS)-(NL-DI)=DT Caution:適用于收發(fā)合置型聲納,對于收發(fā)分置聲納,往返傳播損失不能簡單用2TL表示;適用于背景干擾為各向同性的環(huán)境噪聲情況。 主動聲納方程(混響背景): SL-2TL+TS-RL=DT Caution:適用于收發(fā)合置型聲納,對于收發(fā)分置聲納,往返傳播損失不能簡單用2TL表示;適用于背景干擾為混響的情況。,3.2 被動聲納方程,與主動聲納相比,被動聲納特點: 噪聲源發(fā)出的噪聲直接由噪聲源傳播至接收換能器; 噪聲源發(fā)出的噪聲不經(jīng)目標反射,即無TS; 背景干擾為環(huán)境噪聲。 被動聲納方程: SL-TL-(NL-DI)=DT SL為噪聲源輻射噪聲的聲源級。,4 組合聲納參數(shù),組合聲納參數(shù):幾個聲納參數(shù)的組合量,它具有明確的物理含義。 回聲信號級:SL-2TL+TS加到主動聲納接收換能器上的回聲信號的聲級; 噪聲掩蔽級:NL-DI+DT工作在噪聲干擾中的聲納設(shè)備正常工作所需的最低信號級; 混響掩蔽級:RL+DT工作在混響干擾中的聲納設(shè)備正常工作所需的最低信號級;,4 組合聲納參數(shù),回聲余量:SL-2TL+TS-(NL-DI+DT)主動聲納回聲級超過噪聲掩蔽級的數(shù)量; 優(yōu)質(zhì)因數(shù):SL-(NL-DI+DT)對于被動聲納,該量規(guī)定最大允許單程傳播損失;對于主動聲納,當TS=0時,該量規(guī)定了最大允許雙程傳播損失; 品質(zhì)因數(shù):SL-(NL-DI)聲納接收換能器測得的聲源級與噪聲級之差,5 聲納方程的應用及其限制,A. 聲納方程的應用(兩個基本用途) 聲納設(shè)備性能預報: 已知設(shè)備特點和若干參數(shù),對其它聲納參數(shù)進行估計(例如估計最大傳播損失優(yōu)質(zhì)因數(shù)); 聲納設(shè)備設(shè)計: 預先規(guī)定設(shè)計設(shè)備的職能及各項戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標,根據(jù)聲納方程綜合評價各參數(shù)的影響,對參數(shù)合理選取和設(shè)備最佳設(shè)計(例如頻率的選取DI、TL)。,B.

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