水聲學(xué)原理第一章課件

水聲學(xué)原理上海交通大學(xué)振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室范軍2022/10/29水聲學(xué)原理上海交通大學(xué)振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室范軍2第一章導(dǎo)論1.1海洋與水聲技術(shù)1、為什么用水聲技術(shù)

海洋占據(jù)地球表面約70％的面積；

海洋是人類開展交通運輸、軍事斗爭和獲取資源的場所。這就必須有觀測、通訊、導(dǎo)航、定位的工具。水聲技術(shù)在其中扮演了重要的角色。聲波是迄今為止在水中唯一能有效地遠(yuǎn)距離傳遞信息地物理場。

電磁波在水中的衰減：不能在水中遠(yuǎn)距離傳播聲波由于介質(zhì)吸收引起的衰減：能遠(yuǎn)距離傳播聲波與電磁波衰減之比：10kHz聲波水中衰減僅約1分貝/公里電磁波為4500分貝/公里

其它物理場：磁場、水壓場、尾流場、溫度場，也是可以檢測，但可檢測距離大致與源本身尺度同一量級，不能在水中遠(yuǎn)距離傳遞信息。2第一章導(dǎo)論1.1海洋與水聲技術(shù)21.2、聲吶與雷達(dá)的異同聲吶與雷達(dá)的工作原理相似。但由于信息載體－聲波與電磁波的差異決定了聲吶和雷達(dá)有重要差別。a.電磁波速度30萬公里/秒,聲波在水中1.5公里/秒。決定：工作頻率差別大。雷達(dá)頻率約GHz（Hz）聲吶頻率約kHz（Hz）工作速率差別大。雷達(dá)搜速快，聲吶搜索慢分辨率差。聲圖象模糊。b.聲吶受海洋信道影響大。聲吶環(huán)境比雷達(dá)環(huán)境復(fù)雜得多。c.聲吶的作用距離近。31.2、聲吶與雷達(dá)的異同聲吶與雷達(dá)的工作原理相似。但由于信息1.3、水聲技術(shù)的研究范圍水聲技術(shù)吶是研究聲波在水中的發(fā)射、傳輸、接收、處理的專門技術(shù)。包括：a.水聲換能器和基陣－水聲傳感器系統(tǒng)；b.水聲物理－海洋信道的傳播、混響、散射、噪聲特性和各種水聲目標(biāo)特性；c.水聲設(shè)備－水聲信號處理、水聲電子技術(shù)。水聲技術(shù)的成果突出反映在兩個方面1、聲吶性能的不斷提高：探測距離原來越遠(yuǎn)、對目標(biāo)的定位、跟蹤能力越來越強2、應(yīng)用聲自導(dǎo)或聲引信的水中兵器（魚雷、水雷、深水炸彈等）的作戰(zhàn)能力不斷提高。因此，現(xiàn)代艦艇在水下面臨的威脅與水聲技術(shù)的水平有直接的關(guān)系。聲隱身性能是潛艇水下隱蔽性的核心。41.3、水聲技術(shù)的研究范圍41.4、水聲技術(shù)的發(fā)展歷史1490年達(dá)芬奇就提出聲納的原始概念泰坦尼克號的沉沒，開始最初的聲納設(shè)計第一次世界大戰(zhàn)的爆發(fā)促進(jìn)了一系列軍用聲納的發(fā)展（值得一提的是郎之萬在換能器上的貢獻(xiàn)，并測得了水中1500米外潛艇回波）一戰(zhàn)和二戰(zhàn)之間水聲工程一直緩慢而穩(wěn)步發(fā)展,最大的成就是對海洋聲傳播機理的認(rèn)識。（如“下午效應(yīng)”現(xiàn)象的解釋）二戰(zhàn)期間為了探測德國潛艇，水聲工程有了很大發(fā)展，出現(xiàn)了大量新的理論和技術(shù)戰(zhàn)后水聲工程隨著計算機和電子計算發(fā)展，水聲工程的應(yīng)用在軍用、民用領(lǐng)域更為廣泛。51.4、水聲技術(shù)的發(fā)展歷史1490年達(dá)芬奇就提出聲納的原始

聲吶（聲納）-SONAR(SoundNavigationandRanging)

凡是利用水下聲信息進(jìn)行探測、識別、定位、導(dǎo)航和通訊的系統(tǒng)，都通稱為聲吶系統(tǒng)。聲吶的主要應(yīng)用是軍用聲吶。按工作方式可以分為：主動聲吶和被動聲吶。

按安裝平臺分可以分為：潛艇聲吶：潛艇上的電子設(shè)備是聲吶。一般核潛艇裝有10～15部聲吶。主要有：艏部主、被動綜合聲吶；被動測距聲吶；舷側(cè)陣聲吶；拖曳線列陣聲吶。水面艦聲吶：艦艏聲吶；變深拖曳聲吶；拖曳線列陣聲吶。機載聲吶和浮標(biāo)：吊放聲吶；聲吶浮標(biāo)。海洋水聲監(jiān)視系統(tǒng)：岸站（岸邊海底固定式聲吶）；預(yù)警系統(tǒng)水聲對抗器材：魚雷報警聲吶；聲誘餌；干擾器；氣幕彈水中兵器自導(dǎo)：魚雷聲自導(dǎo)；水雷聲引信；其它：通訊儀、魚探儀、多普勒測速儀、淺地層剖面儀等。1.5聲吶簡介6聲吶（聲納）-SONAR(SoundNavig主要聲吶圖片7主要聲吶圖片7德國ATLAS公司研制的拖曳線列陣英國、法國聯(lián)合研制的舷側(cè)陣聲吶TSM2253德國ATLAS公司研制的ASA92－25主動拖曳線聲吶英國、法國聯(lián)合研制的投吊聲吶美國LockheedMartin公司研制的被動測距聲吶PUFFS美國DTI公司研制的合成孔徑聲吶8德國ATLAS公司研制的拖曳線列陣英國、法國聯(lián)合研制的舷側(cè)陣1.6聲學(xué)量的度量、分貝和級聲學(xué)中采用分貝計量的原因：聲學(xué)量的變化大到六、七個數(shù)量級以上從竊竊私語到大型噴氣式飛機起飛的聲功率差十個數(shù)量級；人耳的聽閾在頻率1kHz時是20μPa（微帕），痛閾是20Pa，相差六個數(shù)量級；在水中，一艘老式潛艇的輻射總聲功率達(dá)到數(shù)瓦，而新型的低噪聲潛艇不到1微瓦，相差六、七個數(shù)量級。人耳（儀器）的響應(yīng)近似與聲壓或聲強的對數(shù)成比例。

因此聲學(xué)中定義一個以對數(shù)為基礎(chǔ)的分貝單位，水聲也一直沿用。91.6聲學(xué)量的度量、分貝和級聲學(xué)中采用分貝計量的原因：91.6.1、定義和參考聲壓、聲強和聲功率用級和分貝（dB）來量度。他們是：參考值101.6.1、定義和參考聲壓、聲強和聲功率用級和分貝（dB）來1.6.2聲壓級等于聲強級:注意參考值不同產(chǎn)生的聲級差別:1971年以前曾用：=20μPa＝2×10－4達(dá)因/厘米2，換算到現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)要加26分貝。＝1達(dá)因/厘米2＝1μb（微巴）＝10－5μPa，換算到現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)要加100分貝。俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)＝20μPa由于空氣聲和水聲參考值的不同，艙室內(nèi)聲級為L分貝的噪聲若無損耗地傳到水下將變成L＋26分貝的水噪聲。111.6.2聲壓級等于聲強級:注意參考值不同產(chǎn)生的聲級差別:1

固體介質(zhì)中的結(jié)構(gòu)噪聲用振動來描述，它的分貝定義實際上就是振動量的分貝定義。加速度級速度級位移級加速度、速度和位移參考值是：米/秒2，米/秒，米。應(yīng)當(dāng)指出的是，雖然結(jié)構(gòu)噪聲級與振動級的定義相同，但實際測量和評價方法有區(qū)別的。因為結(jié)構(gòu)噪聲要反映連續(xù)彈性體的振動特性，所以用一個點的振動級是無法描述的。通常要用結(jié)構(gòu)的整個輻射面上大量測點的統(tǒng)計平均來描述。12固體介質(zhì)中的結(jié)構(gòu)噪聲用振動來描述，它的分貝定義實際上就是振1.6.3分貝表示的特點物理量的乘除運算變成加減運算。例如在聲學(xué)測量中，用靈敏度等于S

伏/μPa的水聽器接收，經(jīng)過放大倍數(shù)等于K的放大器放大后得到電壓V伏。水聽器輸入端的聲壓是:

（μPa）聲壓級:如果水聽器靈敏度、聲學(xué)測量放大器的放大倍數(shù)都用分貝表示，只要簡單的加減運算就可以求出聲壓級。131.6.3分貝表示的特點物理量的乘除運算變成加減運算。如果聲學(xué)中不僅聲學(xué)量用分貝表示，它們的誤差范圍也用誤差表示，例如。用分貝表示的誤差與百分比誤差的換算關(guān)系：設(shè)聲壓是分貝表示是，則有，圖給出其關(guān)系曲線：14聲學(xué)中不僅聲學(xué)量用分貝表示，它們的誤差范圍也用誤差表示，用分用分貝表示后函數(shù)圖形發(fā)生變化聲學(xué)中最常見的冪次規(guī)律:以為橫坐標(biāo)聲級是一條直線。從直線的斜率可以確定冪次n。最方便的方法是根據(jù)頻率加倍時聲級減小的分貝數(shù)得到聲強隨頻率衰減規(guī)律聲強隨距離衰減規(guī)律15用分貝表示后函數(shù)圖形發(fā)生變化聲學(xué)中最常見的冪次規(guī)律:以1.6.4分貝的基本運算相干疊加在討論分貝運算法則前先要搞清楚聲場的疊加原則。因為聲壓場是標(biāo)量場，具有可加性。但是，它又是一個波動場，既有振幅又有相位。相干疊加：當(dāng)兩個以上的有規(guī)聲波疊加時要同時計及振幅和相位，若是同頻率的聲波疊加會發(fā)生干涉現(xiàn)象。若是頻率相差不多的兩個聲波疊加會發(fā)生“拍”。這些情況稱為相干疊加：

水下聲基陣形成指向性就是靠聲波到達(dá)不同陣元的相位差。能量疊加：當(dāng)兩個以上的隨機噪聲疊加時，由于相位是隨機的，噪聲要按強度或能量疊加。因為相位的隨機性導(dǎo)致所有的交叉項，所以。相當(dāng)于按強度或能量疊加。有時候幾個噪聲之間有一定的相干性，但是相干性無法估計或測量，也采用能量疊加的原則處理。其結(jié)果是對相干疊加的一種平均。所以，能量疊加是噪聲場疊加的基本原則。因此也是分貝計算的指導(dǎo)原則。161.6.4分貝的基本運算相干疊加在討論分貝運算法則前先1.6.4.1噪聲疊加特例:N個聲級相同的噪聲疊加，總聲級是單個噪聲聲級加分貝。當(dāng)N＝2即兩個聲級相同的噪聲疊加，總聲級增加分貝。當(dāng)聲級為的N個噪聲疊加時，按強度疊加得到總聲強和總聲級：171.6.4.1噪聲疊加特例:N個聲級相同的噪聲疊加，總聲級1.6.4.2噪聲相減（背景噪聲的扣除）在實際工作中有時需要從總的噪聲中減去某個噪聲成分，例如在噪聲測量中扣除已知的背景干擾。假設(shè)總噪聲級是，背景干擾級是，扣除后的噪聲級是：圖給出修正量與聲級差的關(guān)系曲線。為了保證合理的精度，背景干擾至少要比總聲級低3dB。若背景干擾比總聲級低10dB以上就可以不修正。

181.6.4.2噪聲相減（背景噪聲的扣除）在實際工作中有1.6.4.3多個噪聲級的平均對噪聲級進(jìn)行多次測量需要計算其平均值。設(shè)N次測量的噪聲級分別是，應(yīng)根據(jù)聲強的算術(shù)平均值計算平均噪聲級:若各次測量的噪聲級的差值小于3dB，則可以直接取噪聲級的算術(shù)平均值代替上式，得到：其誤差不超過0.5dB；若各次測量的噪聲級的差值小于5dB，誤差不超過0.7dB。191.6.4.3多個噪聲級的平均對噪聲級進(jìn)行多次測量需要計算1.6.4.5降噪量的計算

已知總噪聲級為140dB，它由三個聲級相同的噪聲疊加而成。可以求出每個噪聲源的聲級是135.2dB。三種降噪方案的效果是：方案一、將其中一個噪聲源降低10dB，另外兩個不變，總噪聲級只下降1.6dB；方案二、將其中的兩個噪聲源降低10dB，總噪聲級下降了4dB；方案三、將三個噪聲源都下降10dB，總噪聲級也下降10dB。

例：已知總噪聲級由N個聲級分別是的噪聲疊加而成。當(dāng)這N個噪聲分別降低分貝后，總聲級降低為:總降噪量是:201.6.4.5降噪量的計算已知總噪聲級為141.7頻譜和頻譜級水聲信號、特別是噪聲信號常常包含有多種頻率成分，能量分布在一個頻帶寬度內(nèi)。定義單位頻帶寬度1Hz內(nèi)的聲強度為聲強譜密度，用函數(shù)表示。譜密度的分貝表示稱為譜密度級。將譜密度函數(shù)在整個頻帶內(nèi)積分就等于總強度：在頻率f附近帶寬內(nèi)的聲強是：用分貝表示：稱為頻帶級，頻帶級等于譜密度級加。上面的分貝計算法則同樣適用于頻帶級和譜密度級的計算。潛艇輻射噪聲211.7頻譜和頻譜級水聲信號、特別是噪聲信號常常包含有多種頻用聲壓表示時：參考值應(yīng)該理解為：

在聲學(xué)測量中用到兩種濾波器：恒定帶寬濾波器：低頻時分析太粗，高頻分析太細(xì)，無法兼顧。恒定百分比或Q濾波器：用的多，人耳聽覺模型是其的組合。聲學(xué)中的恒定百分比濾波器稱為倍頻程濾波器。22用聲壓表示時：參考值應(yīng)該理解為：在聲學(xué)測量中用到兩種濾波設(shè)是濾波器的下限頻率設(shè)是濾波器的下限頻率n倍頻程濾波器的數(shù)學(xué)定義為：或中心頻率為：帶寬：n=11/1倍頻程（1/1oct）n=1/31/3倍頻程（1/3oct）

對于1/3oct來講，是在間隔為1倍頻程的兩個頻率之間再插入兩個頻率，使這4個頻率之間依次相距1/3倍頻程，即這4個頻率值按比例為：，近似為。ISO規(guī)定1~10Hz之間劃分10個頻段，中心頻率為：1:1.25:1.60:2.0:2.5:3.15:4.0:5.0:6.3:8.0:10.0。這樣的取值得好處是，可使每隔10個1/3倍頻程頻段的兩端頻率正好相差10倍，還可以使每隔3個1/3倍頻程頻段為一個1/1倍頻程頻段。23設(shè)是濾波器的下限頻率設(shè)是濾波器的下限1.8水聲（海軍）的一些習(xí)慣用量距離單位：英尺（feet），1英尺＝12英寸＝0.3048米

千碼（Kiloyard）,1千碼＝3000英尺＝914.4米 海里（Nauticalmile）,1海里＝1853米 鏈,1鏈=1/10海里深度單位：英尺潯（fathom）,1潯＝2碼＝6英尺＝1.83米速度單位：節(jié)（kont），1節(jié)＝1海里/小時＝0.5米/秒241.8水聲（海軍）的一些習(xí)慣用量距離單位：英尺（feet1.9聲吶方程水聲探測技術(shù)包括主動方式和被動方式。相應(yīng)的聲吶也分為主動聲吶和被動聲吶。主動聲吶：由探測設(shè)備主動的發(fā)射聲波，通過接收、分析目標(biāo)回波實現(xiàn)對目標(biāo)的探測、定位和識別。

特點：定位和測距精度高，容易暴露自己，非隱蔽探測，今年來又逐漸重要。被動聲吶：由探測設(shè)備被動的接收、分析目標(biāo)發(fā)出的噪聲對目標(biāo)進(jìn)行探測、定位和識別。特點：定位和測距精度不如主動聲吶高，是隱蔽探測，是目前主要探測方式，被動聲吶包括：水雷引信、魚雷自導(dǎo)、艦艇被動聲吶、拖曳線列陣、海岸預(yù)警系統(tǒng)。檢測閾(DT)指向性指數(shù)(DT)噪聲級(NL)傳播損失(TL)聲源級(SL)檢測閾(DT)指向性指數(shù)(DI)聲源聲源級(DT)噪聲級(NL)傳播損失(TL)傳播損失(TL)目標(biāo)強度(TS)噪聲級(NL)被動聲吶主動聲吶251.9聲吶方程水聲探測技術(shù)包括主動方式和被動方式。相應(yīng)的聲聲吶是為了完成特定使命而構(gòu)成的水聲系統(tǒng)。它的性能取決于目標(biāo)、傳輸信道和接收、處理設(shè)備的特性。聲吶方程是將這三者聯(lián)系在一起的一個關(guān)系式。它是聲吶系統(tǒng)工作時必須服從的一個關(guān)系式。應(yīng)用這個關(guān)系式可以對聲吶系統(tǒng)的工作特性作出估計和預(yù)報，是聲吶設(shè)計的基礎(chǔ)。無論聲吶系統(tǒng)如何復(fù)雜，要完成一定的使命必須保證在其輸入端滿足：或：這里檢測閾是接收、處理設(shè)備對信號作出判決的一個閾值，用DT表示。DT取決于：1、使命的性質(zhì)；2、完成使命的質(zhì)量，通常用檢測概率和虛驚概率來表示。3、接收、處理設(shè)備的能力。26聲吶是為了完成特定使命而構(gòu)成的水聲系統(tǒng)。它的性能1.9.1聲吶方程中的各種參數(shù)在聲吶方程中出現(xiàn)的聲吶參數(shù)可分為三類：由聲吶系統(tǒng)決定的參數(shù)，包括：聲源級SL：、自噪聲級NL、空間增益GS（或DI）、時間增益GT、檢測閾DT；取決與被探測目標(biāo)的參數(shù)，包括：輻射聲源級SL、目標(biāo)強度TS；取決于環(huán)境的參數(shù)，包括：傳播損失TL、海洋環(huán)境噪聲級NL、等效平面波混響級RL其中兩對參數(shù)用了相同的符號(SL與NL)，因為它們本質(zhì)上是相同的。這些參數(shù)都用分貝（dB）表示，通常還與頻率有關(guān)。下面我們分別介紹這些參數(shù)的定義。271.9.1聲吶方程中的各種參數(shù)在聲吶方程中出現(xiàn)的聲吶參數(shù)可1.9.2聲源級SL聲源級SL用來描述主動聲吶所發(fā)射的聲信號強弱，定義為：I是發(fā)射換能器聲軸上離聲源中心1米處的聲強，I0是參考聲強，約為:。為了有效地提高主動聲納的作用距離，它的發(fā)射器總是做成具有一定的發(fā)射指向性，使它所發(fā)射的聲能主要集中于空間某一方向(通常就是目標(biāo)所在的方向)，其余方向上則僅有很少量的發(fā)射聲能，下圖形象地表示了這種發(fā)射指向性特性。描述發(fā)射換能器的這種特性的參數(shù)為DIT。281.9.2聲源級SL聲源級SL用來描述主動聲吶所發(fā)射的1.9.3發(fā)射指向性指數(shù)DIT定義為：設(shè)有兩個發(fā)射相同聲功率的發(fā)射器，一個具有發(fā)射指向性，另一個無發(fā)射指向性，又設(shè)在它們各自的輻射聲場的遠(yuǎn)場測量聲強，測量距離相同，測得無指向性發(fā)射器輻射聲強度為IND。在指向性發(fā)射器聲軸上測得的聲強度為ID。見上圖．則指向性發(fā)射器的發(fā)射指向性指數(shù)DTI可見，發(fā)射指向性指數(shù)DIT實際上就是在相同的距離上，指向性發(fā)射器聲軸上的聲級高出無指向性發(fā)射器輻射聲場聲級的分貝數(shù)。DIT值愈大，就表示了聲能在聲軸方向集中的程度愈高，也就是獲得了一定的空間增益，也可以表述為GS，就愈有利于增加設(shè)備的作用距離。所以，近代主動聲吶的發(fā)射器，都在造價、工程實施等允許的條件下，盡可能地提高發(fā)射指向性指數(shù)。291.9.3發(fā)射指向性指數(shù)DIT定義為：設(shè)有兩個發(fā)射相同聲功發(fā)射器的聲源級反應(yīng)了發(fā)射器輻射聲功率的大小，它們之間有著簡單的函數(shù)關(guān)系。設(shè)在無吸收的介質(zhì)中有一個輻射聲功率為Pa(w)的點聲源，根據(jù)聲學(xué)基礎(chǔ)知識可知，距此聲源聲中心單位距離處的聲強度為：注意到：，可以得到發(fā)射聲源級SL：對于一個發(fā)射聲功率為Pa(w)、指向性指數(shù)為DIT的指向性發(fā)射器，聲源級SL：

目前，船用聲納的輻射聲功率范圍為幾百瓦到幾十干瓦，發(fā)射指向性指數(shù)為10~30dB,所以其聲源級范圍約為210dB到240dB。30發(fā)射器的聲源級反應(yīng)了發(fā)射器輻射聲功率的大小，它們之間有著1.9.4傳播損失TL

海水介質(zhì)是一種不均勻的非理想介質(zhì)，由于介質(zhì)本身的吸收、聲傳播過程中波陣面的擴展及海水中各種不均勻性的散射等原因，聲波在傳播過程中，聲傳播方向上的聲強度將會逐漸減弱，傳播損失TL定量地描述了聲波傳播一定距離后聲強度的衰減變化，它定義為：式中，I1是離聲源聲中心1m處的聲強度；Ir是距離聲源r處的聲強度。上式定義的傳播損失TL值總為正值。311.9.4傳播損失TL海水介質(zhì)是一種不均勻的非理想介質(zhì)，1.9.5目標(biāo)強度TS

對于主動聲吶而言，它是利用目標(biāo)回波來實現(xiàn)檢測的。由聲學(xué)基礎(chǔ)知識可知，目標(biāo)回波的特性除和聲波本身的特性如頻率、波陣面形狀等因素有關(guān)外，還與目標(biāo)的特性如幾何形狀、組成材料等有關(guān)，也就是說，即使是在同樣的入射波照射下，不同目標(biāo)的回波也將是不一樣的。這一現(xiàn)象反應(yīng)了目標(biāo)反射本領(lǐng)的差異。水聲技術(shù)中，通常用目標(biāo)強度TS定量描述目標(biāo)反射本領(lǐng)的大小，它定義為式中，Ii入是目標(biāo)處入射聲波的強度；Ir=1是在入射聲波相反的方向上、離目標(biāo)聲中心1m處的回波強度。目標(biāo)強度是目前我們這個研究小組的主要研究方向。321.9.5目標(biāo)強度TS對于主動聲吶而言，它是利用目1.9.6海洋環(huán)境噪聲級NL

海水介質(zhì)中，存在著大量的、各種各樣的噪聲源。它們各自發(fā)出的聲波構(gòu)成了海洋環(huán)境噪聲。這種環(huán)境噪聲，對聲納設(shè)備的工作無疑是一種干擾。環(huán)境噪聲級NL就是用來度量環(huán)境噪聲強弱的一個量，它定義為：式中，IN是測量帶寬內(nèi)（或lHz頻帶內(nèi))的噪聲強度。I0是參考聲強。331.9.6海洋環(huán)境噪聲級NL海水介質(zhì)中，存在著大量的1.9.7等效平面波混響級RL對于主動聲納來說，除了環(huán)境噪聲是背景干擾外，很響也是一種背景干擾。關(guān)于海水混響的研究指出，混響不同于環(huán)境噪聲．它不是平穩(wěn)的，也不是各向同性的。為了定量描述混響干擾的強弱，我們引入聲納參數(shù)等效平面波混響級NL。設(shè)有強度為I的平面波軸向入射到水聽器上，水聽器輸出某一電壓值；如將此水聽器移置于混響場中，使它的聲軸指向目標(biāo)，在混響聲的作用下，水聽器也輸出一個電壓。如果這兩種情況下水聽器的輸出相等，那么，就用該平面波的聲級來度量混響場的強弱，稱為等效平面波混響級RL。

具體的計算方法和公式我們將在以后的課程中詳細(xì)討論。輸出電壓VI輸出電壓V平面波混響場341.9.7等效平面波混響級RL對于主動聲納來說，除了1.9.8接收指向性指數(shù)DI接收換能器的接收指向性指數(shù)的定義是：設(shè)有兩個水聽器．一個無指向性，另一個有指向性，且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，設(shè)為單位值?，F(xiàn)將它們置于單位立體角內(nèi)的噪聲功率為Ii的各向同性噪聲場中，此時無指向性水聽器產(chǎn)生的均方電壓是：有指向性水聽器產(chǎn)生的均方電壓是：則：歸一化聲束圖案函數(shù)351.9.8接收指向性指數(shù)DI接收換能器的接收指向性指數(shù)的定1.9.9檢測閾DT

聲吶設(shè)備的接收器工作在噪聲環(huán)境中，既接收聲納信號，也接收背景噪聲，相應(yīng)地其輸出也由這兩部分組成。因此這兩部分比值的大小將直接影響設(shè)備的工作質(zhì)量，即如果接收帶寬內(nèi)的信號功率(或均方電壓)與1Hz帶寬內(nèi)(或工作帶寬內(nèi))的噪聲功率(或均方電壓)的比值較高，則設(shè)備就能正常工作，它作的“判決”也是可信的；反之，上述的信噪比值比較低時，設(shè)備就不能正常工作，它作出的“判決”也就不可信。在水聲技術(shù)中，習(xí)慣上將設(shè)備剛好能正常工作所需的處理器輸入端的信噪比值(用分貝表示)稱作檢測閡，它定義為：

由檢測閾定義可知，對于完成同樣職能的聲吶來說，檢測閾值較低的設(shè)備，其處理能力較強，其性能也較好。361.9.9檢測閾DT聲吶設(shè)備的接收器工作在噪聲環(huán)境中，1.9.10時間增益GT聲吶信號處理中要完成一系列的過程，這中間時間積累是不可缺少的，因為隨機信號的起伏特征只有依靠時間積累才能去除。時間增益定義為：其中(SNR)out是系統(tǒng)輸出信噪比，(SNR)in是系統(tǒng)輸入信噪比。對于被動聲吶和主動聲吶的最佳檢測系統(tǒng)來說，其時間增益GT為：被動聲吶最佳檢測系統(tǒng)：是噪聲相關(guān)特性的一個度量，可以認(rèn)為是相關(guān)半徑。是噪聲的自相關(guān)函數(shù)主動聲吶最佳檢測（匹配濾波）系統(tǒng)：信號脈寬或是輸入信號帶寬信號帶寬對于方波調(diào)制的單頻信號2WT＝1于是GT=0dB371.9.10時間增益GT聲吶信號處理中要完成一系列的過程，1.9.10主動聲吶方程檢測閾(DT)指向性指數(shù)(DI)聲源聲源級(SL)噪聲級(NL)傳播損失(TL)傳播損失(TL)目標(biāo)強度(TS)噪聲級(NL)對于主動聲吶，回聲信號級是自身發(fā)射的信號傳播到目標(biāo)并經(jīng)過目標(biāo)反射回到聲吶接收端的值，表示為SL-2TL-TS。主動聲吶的干擾在多數(shù)情況下是混響級RL，當(dāng)探測距離較遠(yuǎn)時也可能是噪聲背景NL，這里的噪聲包括海洋環(huán)境噪聲和艦艇自噪聲。這樣單水聽器接收的信號信噪（混）比為：(SNR)in=SL-2TL+TS-RL混響背景下：噪聲背景下：(SNR)in=SL-2TL+TS-NL加上聲吶系統(tǒng)的空間增益GS(DI)和時間增益GT可以得到輸出信噪（混）比：(SNR)out=SL-2TL+TS-NL+GS+GT得到主動聲吶方程：SL-2TL+TS-NL+GS(DI)+GT＝DT混響背景下：SL-2TL+TS-RL+GS(DI)+GT＝DT噪聲背景下：381.9.10主動聲吶方程檢測閾(DT)指向性指數(shù)值得注意的是：1、上述的主動聲吶方程適用于收發(fā)合置的聲吶，對于收發(fā)分置的多基地聲吶，信號的傳播損失一般是不同的，不能用簡單的2TL表示往返的傳播損失。2、主動聲吶要經(jīng)受雙層傳播損失，這時主動聲吶探測距離受到限制的重要原因。3、以上給出的主動聲吶方程與傳統(tǒng)的聲吶方程形式形式上有差別，主要是在聲吶發(fā)展中基陣處理以及時間處理得到發(fā)展，我們考慮了基陣的空間增益GS和時間增益GT。一般來說，利用聲吶方程的目的是要從中求出聲吶的作用距離，因此我們定義：優(yōu)質(zhì)因素FOM(FigureOfMerit）FOM不僅與聲吶系統(tǒng)有關(guān)，還與海洋環(huán)境有關(guān)。令便可求出r。39值得注意的是：一般來說，利用聲吶方程的目的是要從中求出聲吶的1.9.11被動聲吶方程對于被動聲吶信號級是目標(biāo)輻射噪聲經(jīng)過信道傳輸后到達(dá)聲吶基陣的值，可以表示為SL-TL。干擾級是聲吶平臺自噪聲和海洋環(huán)境噪聲級NL。因此單水聽器接收到的信號為：SL-TL-NL，信噪比為：(SNR)in=SL-TL-NL經(jīng)過聲吶基陣信號處理，獲得空間增益GS（DI）和時間增益GT，得到輸出信噪比：(SNR)out=SL-TL-NL＋GS＋GT被動聲吶方程：SL-TL-NL＋GS＋GT＝DT檢測閾(DT)指向性指數(shù)(DI)噪聲級(NL)傳播損失(TL)聲源級(SL)被動聲吶方程優(yōu)質(zhì)因素：FOM＝SL-NL＋GS＋GT－DT401.9.11被動聲吶方程對于被動聲吶信號級是目標(biāo)輻射噪聲經(jīng)1.9.12聲吶方程的基本應(yīng)用例一：設(shè)一靜止?fàn)顟B(tài)工作方式的聲吶站，發(fā)射聲源級為115分貝，對一個目標(biāo)強度為15分貝，并位于足夠遠(yuǎn)的目標(biāo)進(jìn)行探測，在這一段距離上的總單程傳播衰減為81分貝，聲吶所在的海洋環(huán)境噪聲和本身總噪聲級為－40分貝，接收具有指向性，指向性指數(shù)為12分貝，求該設(shè)備需要多大的檢測閾才能可靠探測目標(biāo)？解：已知SL=115dB,TL=81dB,NL=-40dB,GS（DI）=12dB,TS=15dB由于在噪聲背景下探測目標(biāo)：使用下列主動聲吶方程：SL-2TL+TS-NL+DI＝DT115-2*81+15-(-40)+12=DTDT=20dB結(jié)果表明該設(shè)備的輸入信噪比在20dB時才可能可靠檢測到目標(biāo)。411.9.12聲吶方程的基本應(yīng)用例一：設(shè)一靜止?fàn)顟B(tài)工作方式例二：設(shè)一被動探潛聲吶，目標(biāo)潛艇以60分貝的發(fā)射聲源級發(fā)射500Hz的線譜，另一觀察艇相距r處，用無指向性水聽器作被動測聽，設(shè)備的檢測閾為8分貝。觀察艇在500Hz的噪聲級為-34分貝，求在距離r上有多大傳播衰減時才能可靠測聽？設(shè)該設(shè)備作為被動測聽，所用聲吶方程為被動聲吶方程。SL-TL-NL＋GS＋GT＝DT可以得到：TL=-(DT-SL-GS(DI)+NL-GT)這里：SL=60dB,DT=8dB,GS(DI)=0,NL=-34dB,GT=0可以得到：TL=-(8-60-0-34-0)=86dB結(jié)果表明單程傳播損失小于86dB才可能可靠測聽。42例二：設(shè)一被動探潛聲吶，目標(biāo)潛艇以60分貝的發(fā)射聲源級發(fā)射5例三：聲吶作用距離估計利用聲吶方程可以估算聲吶的作用距離，但要注意，聲吶方程中有一部分參數(shù)是與海洋環(huán)境有關(guān)的，同一部聲吶（也就是GS＋GT一樣）在不同的海區(qū)和不同季節(jié)，作用距離可能相差很大。計算作用距離時，有兩種結(jié)果一樣但方法不同的估計。第一種是由傳播損失計算距離，另一種是把傳播損失由近及遠(yuǎn)畫出，用FOM求聲吶距離。傳播損失一般可以通過理論估計或?qū)嶋H測量得到。下圖1給出同一聲吶在不同水文條件下的作用距離，可見與海域、頻率有關(guān)，圖2給出典型估計作用距離的圖（500Hz）。曲線A、B、C由海上測得，由該圖可以查處不同F(xiàn)OM下聲吶作用距離。500Hz43例三：聲吶作用距離估計利用聲吶方程可以估算聲吶的作假設(shè)一部艦用主動聲吶工作頻率為500Hz，發(fā)射功率1kW，發(fā)射指向性指數(shù)DIT=15dB,接收機空間增益GS＝12dB，時間增益GT=8dB,目標(biāo)強度TS=15dB,檢測閾DT=6dB,聲吶平臺噪聲大于環(huán)境噪聲為NL=78dB,那么聲吶的作用距離？首先計算聲吶聲源級：那么得到聲吶的優(yōu)質(zhì)因素FOM：求距離：估算方法1：假設(shè)傳播是理論上無吸收按球面波擴展，TL＝20logr，根據(jù)FOM可以得到作用距離：估算方法2：假設(shè)是在上圖的海域中工作，則可以查圖得到，A海域r=34kmB海域r=22km,C海域r=15km44假設(shè)一部艦用主動聲吶工作頻率為500Hz，發(fā)射功率1kW，發(fā)1.9.13使用聲吶方程應(yīng)該注意問題聲吶方程在聲吶設(shè)計和對聲吶性能預(yù)報中起到重要作用，但使用時以下是需要注意的問題。1、聲吶方程是用聲強度來描述的，含有能量平均的意思。因此只具有平均意義，無法描述聲吶的統(tǒng)計特性，而聲吶系統(tǒng)恰恰是工作在復(fù)雜多變、隨機環(huán)境中，因此聲吶方程不能精確描述現(xiàn)代聲吶的特性。由聲學(xué)知識可以知道，聲強是聲能流在某一時間間隔內(nèi)的平均值：式中，T是時間間隔，p，u分別是介質(zhì)中的聲壓和介質(zhì)質(zhì)點的振速。但是，我們知道，當(dāng)聲源發(fā)射的聲信號是很短的脈沖信號時．由于介質(zhì)的傳播效應(yīng)和目標(biāo)反射的物理效應(yīng)、接收到的回波聲信號波形會產(chǎn)生嚴(yán)重畸變，式所示的平均值會得到不確定的結(jié)果．所以，該式就不再適用。作為一種常用的近似，可以在時間區(qū)間T內(nèi)對聲波的能流密度求平均而得到聲強，即將上式改寫成：451.9.13使用聲吶方程應(yīng)該注意問題聲吶方程在聲吶值得注意的是，對于長脈沖聲納，區(qū)間T即為發(fā)射脈沖寬度，而且回波脈沖寬度也大體等于此值；但對于短的瞬變脈沖聲納信號，區(qū)間T一般是不確定的，回聲寬度與發(fā)射寬度相差甚大。尤立克研究了短脈沖信號下聲納方程是否還適用的問題，指出聲納方程的強度形式仍然適用，只要將聲源級改寫成如下形式：對于時間區(qū)間T0發(fā)射恒定聲源級SL’的矩形脈沖，脈沖能量密度是平均聲強與其脈沖寬度的乘積：供聲吶方程使用的有效聲源級為：為回波寬度，46值得注意的是，對于長脈沖聲納，區(qū)間T即為發(fā)射脈沖寬度，而且回2、聲吶總是工作在有限帶寬內(nèi)的，而且往往是窄帶，因為窄帶濾波是抗干擾的最為有效手段。所以聲吶參數(shù)一般定義在1Hz帶寬內(nèi)，當(dāng)接收系統(tǒng)具有一定帶寬時要進(jìn)行帶寬修正，即加。472、聲吶總是工作在有限帶寬內(nèi)的，而且往往是窄帶，因為窄帶濾波水聲學(xué)原理上海交通大學(xué)振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室范軍2022/10/29水聲學(xué)原理上海交通大學(xué)振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室范軍2第一章導(dǎo)論1.1海洋與水聲技術(shù)1、為什么用水聲技術(shù)

海洋占據(jù)地球表面約70％的面積；

海洋是人類開展交通運輸、軍事斗爭和獲取資源的場所。這就必須有觀測、通訊、導(dǎo)航、定位的工具。水聲技術(shù)在其中扮演了重要的角色。聲波是迄今為止在水中唯一能有效地遠(yuǎn)距離傳遞信息地物理場。

電磁波在水中的衰減：不能在水中遠(yuǎn)距離傳播聲波由于介質(zhì)吸收引起的衰減：能遠(yuǎn)距離傳播聲波與電磁波衰減之比：10kHz聲波水中衰減僅約1分貝/公里電磁波為4500分貝/公里

其它物理場：磁場、水壓場、尾流場、溫度場，也是可以檢測，但可檢測距離大致與源本身尺度同一量級，不能在水中遠(yuǎn)距離傳遞信息。49第一章導(dǎo)論1.1海洋與水聲技術(shù)21.2、聲吶與雷達(dá)的異同聲吶與雷達(dá)的工作原理相似。但由于信息載體－聲波與電磁波的差異決定了聲吶和雷達(dá)有重要差別。a.電磁波速度30萬公里/秒,聲波在水中1.5公里/秒。決定：工作頻率差別大。雷達(dá)頻率約GHz（Hz）聲吶頻率約kHz（Hz）工作速率差別大。雷達(dá)搜速快，聲吶搜索慢分辨率差。聲圖象模糊。b.聲吶受海洋信道影響大。聲吶環(huán)境比雷達(dá)環(huán)境復(fù)雜得多。c.聲吶的作用距離近。501.2、聲吶與雷達(dá)的異同聲吶與雷達(dá)的工作原理相似。但由于信息1.3、水聲技術(shù)的研究范圍水聲技術(shù)吶是研究聲波在水中的發(fā)射、傳輸、接收、處理的專門技術(shù)。包括：a.水聲換能器和基陣－水聲傳感器系統(tǒng)；b.水聲物理－海洋信道的傳播、混響、散射、噪聲特性和各種水聲目標(biāo)特性；c.水聲設(shè)備－水聲信號處理、水聲電子技術(shù)。水聲技術(shù)的成果突出反映在兩個方面1、聲吶性能的不斷提高：探測距離原來越遠(yuǎn)、對目標(biāo)的定位、跟蹤能力越來越強2、應(yīng)用聲自導(dǎo)或聲引信的水中兵器（魚雷、水雷、深水炸彈等）的作戰(zhàn)能力不斷提高。因此，現(xiàn)代艦艇在水下面臨的威脅與水聲技術(shù)的水平有直接的關(guān)系。聲隱身性能是潛艇水下隱蔽性的核心。511.3、水聲技術(shù)的研究范圍41.4、水聲技術(shù)的發(fā)展歷史1490年達(dá)芬奇就提出聲納的原始概念泰坦尼克號的沉沒，開始最初的聲納設(shè)計第一次世界大戰(zhàn)的爆發(fā)促進(jìn)了一系列軍用聲納的發(fā)展（值得一提的是郎之萬在換能器上的貢獻(xiàn)，并測得了水中1500米外潛艇回波）一戰(zhàn)和二戰(zhàn)之間水聲工程一直緩慢而穩(wěn)步發(fā)展,最大的成就是對海洋聲傳播機理的認(rèn)識。（如“下午效應(yīng)”現(xiàn)象的解釋）二戰(zhàn)期間為了探測德國潛艇，水聲工程有了很大發(fā)展，出現(xiàn)了大量新的理論和技術(shù)戰(zhàn)后水聲工程隨著計算機和電子計算發(fā)展，水聲工程的應(yīng)用在軍用、民用領(lǐng)域更為廣泛。521.4、水聲技術(shù)的發(fā)展歷史1490年達(dá)芬奇就提出聲納的原始

聲吶（聲納）-SONAR(SoundNavigationandRanging)

凡是利用水下聲信息進(jìn)行探測、識別、定位、導(dǎo)航和通訊的系統(tǒng)，都通稱為聲吶系統(tǒng)。聲吶的主要應(yīng)用是軍用聲吶。按工作方式可以分為：主動聲吶和被動聲吶。

按安裝平臺分可以分為：潛艇聲吶：潛艇上的電子設(shè)備是聲吶。一般核潛艇裝有10～15部聲吶。主要有：艏部主、被動綜合聲吶；被動測距聲吶；舷側(cè)陣聲吶；拖曳線列陣聲吶。水面艦聲吶：艦艏聲吶；變深拖曳聲吶；拖曳線列陣聲吶。機載聲吶和浮標(biāo)：吊放聲吶；聲吶浮標(biāo)。海洋水聲監(jiān)視系統(tǒng)：岸站（岸邊海底固定式聲吶）；預(yù)警系統(tǒng)水聲對抗器材：魚雷報警聲吶；聲誘餌；干擾器；氣幕彈水中兵器自導(dǎo)：魚雷聲自導(dǎo)；水雷聲引信；其它：通訊儀、魚探儀、多普勒測速儀、淺地層剖面儀等。1.5聲吶簡介53聲吶（聲納）-SONAR(SoundNavig主要聲吶圖片54主要聲吶圖片7德國ATLAS公司研制的拖曳線列陣英國、法國聯(lián)合研制的舷側(cè)陣聲吶TSM2253德國ATLAS公司研制的ASA92－25主動拖曳線聲吶英國、法國聯(lián)合研制的投吊聲吶美國LockheedMartin公司研制的被動測距聲吶PUFFS美國DTI公司研制的合成孔徑聲吶55德國ATLAS公司研制的拖曳線列陣英國、法國聯(lián)合研制的舷側(cè)陣1.6聲學(xué)量的度量、分貝和級聲學(xué)中采用分貝計量的原因：聲學(xué)量的變化大到六、七個數(shù)量級以上從竊竊私語到大型噴氣式飛機起飛的聲功率差十個數(shù)量級；人耳的聽閾在頻率1kHz時是20μPa（微帕），痛閾是20Pa，相差六個數(shù)量級；在水中，一艘老式潛艇的輻射總聲功率達(dá)到數(shù)瓦，而新型的低噪聲潛艇不到1微瓦，相差六、七個數(shù)量級。人耳（儀器）的響應(yīng)近似與聲壓或聲強的對數(shù)成比例。

因此聲學(xué)中定義一個以對數(shù)為基礎(chǔ)的分貝單位，水聲也一直沿用。561.6聲學(xué)量的度量、分貝和級聲學(xué)中采用分貝計量的原因：91.6.1、定義和參考聲壓、聲強和聲功率用級和分貝（dB）來量度。他們是：參考值571.6.1、定義和參考聲壓、聲強和聲功率用級和分貝（dB）來1.6.2聲壓級等于聲強級:注意參考值不同產(chǎn)生的聲級差別:1971年以前曾用：=20μPa＝2×10－4達(dá)因/厘米2，換算到現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)要加26分貝。＝1達(dá)因/厘米2＝1μb（微巴）＝10－5μPa，換算到現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)要加100分貝。俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)＝20μPa由于空氣聲和水聲參考值的不同，艙室內(nèi)聲級為L分貝的噪聲若無損耗地傳到水下將變成L＋26分貝的水噪聲。581.6.2聲壓級等于聲強級:注意參考值不同產(chǎn)生的聲級差別:1

固體介質(zhì)中的結(jié)構(gòu)噪聲用振動來描述，它的分貝定義實際上就是振動量的分貝定義。加速度級速度級位移級加速度、速度和位移參考值是：米/秒2，米/秒，米。應(yīng)當(dāng)指出的是，雖然結(jié)構(gòu)噪聲級與振動級的定義相同，但實際測量和評價方法有區(qū)別的。因為結(jié)構(gòu)噪聲要反映連續(xù)彈性體的振動特性，所以用一個點的振動級是無法描述的。通常要用結(jié)構(gòu)的整個輻射面上大量測點的統(tǒng)計平均來描述。59固體介質(zhì)中的結(jié)構(gòu)噪聲用振動來描述，它的分貝定義實際上就是振1.6.3分貝表示的特點物理量的乘除運算變成加減運算。例如在聲學(xué)測量中，用靈敏度等于S

伏/μPa的水聽器接收，經(jīng)過放大倍數(shù)等于K的放大器放大后得到電壓V伏。水聽器輸入端的聲壓是:

（μPa）聲壓級:如果水聽器靈敏度、聲學(xué)測量放大器的放大倍數(shù)都用分貝表示，只要簡單的加減運算就可以求出聲壓級。601.6.3分貝表示的特點物理量的乘除運算變成加減運算。如果聲學(xué)中不僅聲學(xué)量用分貝表示，它們的誤差范圍也用誤差表示，例如。用分貝表示的誤差與百分比誤差的換算關(guān)系：設(shè)聲壓是分貝表示是，則有，圖給出其關(guān)系曲線：61聲學(xué)中不僅聲學(xué)量用分貝表示，它們的誤差范圍也用誤差表示，用分用分貝表示后函數(shù)圖形發(fā)生變化聲學(xué)中最常見的冪次規(guī)律:以為橫坐標(biāo)聲級是一條直線。從直線的斜率可以確定冪次n。最方便的方法是根據(jù)頻率加倍時聲級減小的分貝數(shù)得到聲強隨頻率衰減規(guī)律聲強隨距離衰減規(guī)律62用分貝表示后函數(shù)圖形發(fā)生變化聲學(xué)中最常見的冪次規(guī)律:以1.6.4分貝的基本運算相干疊加在討論分貝運算法則前先要搞清楚聲場的疊加原則。因為聲壓場是標(biāo)量場，具有可加性。但是，它又是一個波動場，既有振幅又有相位。相干疊加：當(dāng)兩個以上的有規(guī)聲波疊加時要同時計及振幅和相位，若是同頻率的聲波疊加會發(fā)生干涉現(xiàn)象。若是頻率相差不多的兩個聲波疊加會發(fā)生“拍”。這些情況稱為相干疊加：

水下聲基陣形成指向性就是靠聲波到達(dá)不同陣元的相位差。能量疊加：當(dāng)兩個以上的隨機噪聲疊加時，由于相位是隨機的，噪聲要按強度或能量疊加。因為相位的隨機性導(dǎo)致所有的交叉項，所以。相當(dāng)于按強度或能量疊加。有時候幾個噪聲之間有一定的相干性，但是相干性無法估計或測量，也采用能量疊加的原則處理。其結(jié)果是對相干疊加的一種平均。所以，能量疊加是噪聲場疊加的基本原則。因此也是分貝計算的指導(dǎo)原則。631.6.4分貝的基本運算相干疊加在討論分貝運算法則前先1.6.4.1噪聲疊加特例:N個聲級相同的噪聲疊加，總聲級是單個噪聲聲級加分貝。當(dāng)N＝2即兩個聲級相同的噪聲疊加，總聲級增加分貝。當(dāng)聲級為的N個噪聲疊加時，按強度疊加得到總聲強和總聲級：641.6.4.1噪聲疊加特例:N個聲級相同的噪聲疊加，總聲級1.6.4.2噪聲相減（背景噪聲的扣除）在實際工作中有時需要從總的噪聲中減去某個噪聲成分，例如在噪聲測量中扣除已知的背景干擾。假設(shè)總噪聲級是，背景干擾級是，扣除后的噪聲級是：圖給出修正量與聲級差的關(guān)系曲線。為了保證合理的精度，背景干擾至少要比總聲級低3dB。若背景干擾比總聲級低10dB以上就可以不修正。

651.6.4.2噪聲相減（背景噪聲的扣除）在實際工作中有1.6.4.3多個噪聲級的平均對噪聲級進(jìn)行多次測量需要計算其平均值。設(shè)N次測量的噪聲級分別是，應(yīng)根據(jù)聲強的算術(shù)平均值計算平均噪聲級:若各次測量的噪聲級的差值小于3dB，則可以直接取噪聲級的算術(shù)平均值代替上式，得到：其誤差不超過0.5dB；若各次測量的噪聲級的差值小于5dB，誤差不超過0.7dB。661.6.4.3多個噪聲級的平均對噪聲級進(jìn)行多次測量需要計算1.6.4.5降噪量的計算

已知總噪聲級為140dB，它由三個聲級相同的噪聲疊加而成?？梢郧蟪雒總€噪聲源的聲級是135.2dB。三種降噪方案的效果是：方案一、將其中一個噪聲源降低10dB，另外兩個不變，總噪聲級只下降1.6dB；方案二、將其中的兩個噪聲源降低10dB，總噪聲級下降了4dB；方案三、將三個噪聲源都下降10dB，總噪聲級也下降10dB。

例：已知總噪聲級由N個聲級分別是的噪聲疊加而成。當(dāng)這N個噪聲分別降低分貝后，總聲級降低為:總降噪量是:671.6.4.5降噪量的計算已知總噪聲級為141.7頻譜和頻譜級水聲信號、特別是噪聲信號常常包含有多種頻率成分，能量分布在一個頻帶寬度內(nèi)。定義單位頻帶寬度1Hz內(nèi)的聲強度為聲強譜密度，用函數(shù)表示。譜密度的分貝表示稱為譜密度級。將譜密度函數(shù)在整個頻帶內(nèi)積分就等于總強度：在頻率f附近帶寬內(nèi)的聲強是：用分貝表示：稱為頻帶級，頻帶級等于譜密度級加。上面的分貝計算法則同樣適用于頻帶級和譜密度級的計算。潛艇輻射噪聲681.7頻譜和頻譜級水聲信號、特別是噪聲信號常常包含有多種頻用聲壓表示時：參考值應(yīng)該理解為：

在聲學(xué)測量中用到兩種濾波器：恒定帶寬濾波器：低頻時分析太粗，高頻分析太細(xì)，無法兼顧。恒定百分比或Q濾波器：用的多，人耳聽覺模型是其的組合。聲學(xué)中的恒定百分比濾波器稱為倍頻程濾波器。69用聲壓表示時：參考值應(yīng)該理解為：在聲學(xué)測量中用到兩種濾波設(shè)是濾波器的下限頻率設(shè)是濾波器的下限頻率n倍頻程濾波器的數(shù)學(xué)定義為：或中心頻率為：帶寬：n=11/1倍頻程（1/1oct）n=1/31/3倍頻程（1/3oct）

對于1/3oct來講，是在間隔為1倍頻程的兩個頻率之間再插入兩個頻率，使這4個頻率之間依次相距1/3倍頻程，即這4個頻率值按比例為：，近似為。ISO規(guī)定1~10Hz之間劃分10個頻段，中心頻率為：1:1.25:1.60:2.0:2.5:3.15:4.0:5.0:6.3:8.0:10.0。這樣的取值得好處是，可使每隔10個1/3倍頻程頻段的兩端頻率正好相差10倍，還可以使每隔3個1/3倍頻程頻段為一個1/1倍頻程頻段。70設(shè)是濾波器的下限頻率設(shè)是濾波器的下限1.8水聲（海軍）的一些習(xí)慣用量距離單位：英尺（feet），1英尺＝12英寸＝0.3048米

千碼（Kiloyard）,1千碼＝3000英尺＝914.4米 海里（Nauticalmile）,1海里＝1853米 鏈,1鏈=1/10海里深度單位：英尺潯（fathom）,1潯＝2碼＝6英尺＝1.83米速度單位：節(jié)（kont），1節(jié)＝1海里/小時＝0.5米/秒711.8水聲（海軍）的一些習(xí)慣用量距離單位：英尺（feet1.9聲吶方程水聲探測技術(shù)包括主動方式和被動方式。相應(yīng)的聲吶也分為主動聲吶和被動聲吶。主動聲吶：由探測設(shè)備主動的發(fā)射聲波，通過接收、分析目標(biāo)回波實現(xiàn)對目標(biāo)的探測、定位和識別。

特點：定位和測距精度高，容易暴露自己，非隱蔽探測，今年來又逐漸重要。被動聲吶：由探測設(shè)備被動的接收、分析目標(biāo)發(fā)出的噪聲對目標(biāo)進(jìn)行探測、定位和識別。特點：定位和測距精度不如主動聲吶高，是隱蔽探測，是目前主要探測方式，被動聲吶包括：水雷引信、魚雷自導(dǎo)、艦艇被動聲吶、拖曳線列陣、海岸預(yù)警系統(tǒng)。檢測閾(DT)指向性指數(shù)(DT)噪聲級(NL)傳播損失(TL)聲源級(SL)檢測閾(DT)指向性指數(shù)(DI)聲源聲源級(DT)噪聲級(NL)傳播損失(TL)傳播損失(TL)目標(biāo)強度(TS)噪聲級(NL)被動聲吶主動聲吶721.9聲吶方程水聲探測技術(shù)包括主動方式和被動方式。相應(yīng)的聲聲吶是為了完成特定使命而構(gòu)成的水聲系統(tǒng)。它的性能取決于目標(biāo)、傳輸信道和接收、處理設(shè)備的特性。聲吶方程是將這三者聯(lián)系在一起的一個關(guān)系式。它是聲吶系統(tǒng)工作時必須服從的一個關(guān)系式。應(yīng)用這個關(guān)系式可以對聲吶系統(tǒng)的工作特性作出估計和預(yù)報，是聲吶設(shè)計的基礎(chǔ)。無論聲吶系統(tǒng)如何復(fù)雜，要完成一定的使命必須保證在其輸入端滿足：或：這里檢測閾是接收、處理設(shè)備對信號作出判決的一個閾值，用DT表示。DT取決于：1、使命的性質(zhì)；2、完成使命的質(zhì)量，通常用檢測概率和虛驚概率來表示。3、接收、處理設(shè)備的能力。73聲吶是為了完成特定使命而構(gòu)成的水聲系統(tǒng)。它的性能1.9.1聲吶方程中的各種參數(shù)在聲吶方程中出現(xiàn)的聲吶參數(shù)可分為三類：由聲吶系統(tǒng)決定的參數(shù)，包括：聲源級SL：、自噪聲級NL、空間增益GS（或DI）、時間增益GT、檢測閾DT；取決與被探測目標(biāo)的參數(shù)，包括：輻射聲源級SL、目標(biāo)強度TS；取決于環(huán)境的參數(shù)，包括：傳播損失TL、海洋環(huán)境噪聲級NL、等效平面波混響級RL其中兩對參數(shù)用了相同的符號(SL與NL)，因為它們本質(zhì)上是相同的。這些參數(shù)都用分貝（dB）表示，通常還與頻率有關(guān)。下面我們分別介紹這些參數(shù)的定義。741.9.1聲吶方程中的各種參數(shù)在聲吶方程中出現(xiàn)的聲吶參數(shù)可1.9.2聲源級SL聲源級SL用來描述主動聲吶所發(fā)射的聲信號強弱，定義為：I是發(fā)射換能器聲軸上離聲源中心1米處的聲強，I0是參考聲強，約為:。為了有效地提高主動聲納的作用距離，它的發(fā)射器總是做成具有一定的發(fā)射指向性，使它所發(fā)射的聲能主要集中于空間某一方向(通常就是目標(biāo)所在的方向)，其余方向上則僅有很少量的發(fā)射聲能，下圖形象地表示了這種發(fā)射指向性特性。描述發(fā)射換能器的這種特性的參數(shù)為DIT。751.9.2聲源級SL聲源級SL用來描述主動聲吶所發(fā)射的1.9.3發(fā)射指向性指數(shù)DIT定義為：設(shè)有兩個發(fā)射相同聲功率的發(fā)射器，一個具有發(fā)射指向性，另一個無發(fā)射指向性，又設(shè)在它們各自的輻射聲場的遠(yuǎn)場測量聲強，測量距離相同，測得無指向性發(fā)射器輻射聲強度為IND。在指向性發(fā)射器聲軸上測得的聲強度為ID。見上圖．則指向性發(fā)射器的發(fā)射指向性指數(shù)DTI可見，發(fā)射指向性指數(shù)DIT實際上就是在相同的距離上，指向性發(fā)射器聲軸上的聲級高出無指向性發(fā)射器輻射聲場聲級的分貝數(shù)。DIT值愈大，就表示了聲能在聲軸方向集中的程度愈高，也就是獲得了一定的空間增益，也可以表述為GS，就愈有利于增加設(shè)備的作用距離。所以，近代主動聲吶的發(fā)射器，都在造價、工程實施等允許的條件下，盡可能地提高發(fā)射指向性指數(shù)。761.9.3發(fā)射指向性指數(shù)DIT定義為：設(shè)有兩個發(fā)射相同聲功發(fā)射器的聲源級反應(yīng)了發(fā)射器輻射聲功率的大小，它們之間有著簡單的函數(shù)關(guān)系。設(shè)在無吸收的介質(zhì)中有一個輻射聲功率為Pa(w)的點聲源，根據(jù)聲學(xué)基礎(chǔ)知識可知，距此聲源聲中心單位距離處的聲強度為：注意到：，可以得到發(fā)射聲源級SL：對于一個發(fā)射聲功率為Pa(w)、指向性指數(shù)為DIT的指向性發(fā)射器，聲源級SL：

目前，船用聲納的輻射聲功率范圍為幾百瓦到幾十干瓦，發(fā)射指向性指數(shù)為10~30dB,所以其聲源級范圍約為210dB到240dB。77發(fā)射器的聲源級反應(yīng)了發(fā)射器輻射聲功率的大小，它們之間有著1.9.4傳播損失TL

海水介質(zhì)是一種不均勻的非理想介質(zhì)，由于介質(zhì)本身的吸收、聲傳播過程中波陣面的擴展及海水中各種不均勻性的散射等原因，聲波在傳播過程中，聲傳播方向上的聲強度將會逐漸減弱，傳播損失TL定量地描述了聲波傳播一定距離后聲強度的衰減變化，它定義為：式中，I1是離聲源聲中心1m處的聲強度；Ir是距離聲源r處的聲強度。上式定義的傳播損失TL值總為正值。781.9.4傳播損失TL海水介質(zhì)是一種不均勻的非理想介質(zhì)，1.9.5目標(biāo)強度TS

對于主動聲吶而言，它是利用目標(biāo)回波來實現(xiàn)檢測的。由聲學(xué)基礎(chǔ)知識可知，目標(biāo)回波的特性除和聲波本身的特性如頻率、波陣面形狀等因素有關(guān)外，還與目標(biāo)的特性如幾何形狀、組成材料等有關(guān)，也就是說，即使是在同樣的入射波照射下，不同目標(biāo)的回波也將是不一樣的。這一現(xiàn)象反應(yīng)了目標(biāo)反射本領(lǐng)的差異。水聲技術(shù)中，通常用目標(biāo)強度TS定量描述目標(biāo)反射本領(lǐng)的大小，它定義為式中，Ii入是目標(biāo)處入射聲波的強度；Ir=1是在入射聲波相反的方向上、離目標(biāo)聲中心1m處的回波強度。目標(biāo)強度是目前我們這個研究小組的主要研究方向。791.9.5目標(biāo)強度TS對于主動聲吶而言，它是利用目1.9.6海洋環(huán)境噪聲級NL

海水介質(zhì)中，存在著大量的、各種各樣的噪聲源。它們各自發(fā)出的聲波構(gòu)成了海洋環(huán)境噪聲。這種環(huán)境噪聲，對聲納設(shè)備的工作無疑是一種干擾。環(huán)境噪聲級NL就是用來度量環(huán)境噪聲強弱的一個量，它定義為：式中，IN是測量帶寬內(nèi)（或lHz頻帶內(nèi))的噪聲強度。I0是參考聲強。801.9.6海洋環(huán)境噪聲級NL海水介質(zhì)中，存在著大量的1.9.7等效平面波混響級RL對于主動聲納來說，除了環(huán)境噪聲是背景干擾外，很響也是一種背景干擾。關(guān)于海水混響的研究指出，混響不同于環(huán)境噪聲．它不是平穩(wěn)的，也不是各向同性的。為了定量描述混響干擾的強弱，我們引入聲納參數(shù)等效平面波混響級NL。設(shè)有強度為I的平面波軸向入射到水聽器上，水聽器輸出某一電壓值；如將此水聽器移置于混響場中，使它的聲軸指向目標(biāo)，在混響聲的作用下，水聽器也輸出一個電壓。如果這兩種情況下水聽器的輸出相等，那么，就用該平面波的聲級來度量混響場的強弱，稱為等效平面波混響級RL。

具體的計算方法和公式我們將在以后的課程中詳細(xì)討論。輸出電壓VI輸出電壓V平面波混響場811.9.7等效平面波混響級RL對于主動聲納來說，除了1.9.8接收指向性指數(shù)DI接收換能器的接收指向性指數(shù)的定義是：設(shè)有兩個水聽器．一個無指向性，另一個有指向性，且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，設(shè)為單位值?，F(xiàn)將它們置于單位立體角內(nèi)的噪聲功率為Ii的各向同性噪聲場中，此時無指向性水聽器產(chǎn)生的均方電壓是：有指向性水聽器產(chǎn)生的均方電壓是：則：歸一化聲束圖案函數(shù)821.9.8接收指向性指數(shù)DI接收換能器的接收指向性指數(shù)的定1.9.9檢測閾DT

聲吶設(shè)備的接收器工作在噪聲環(huán)境中，既接收聲納信號，也接收背景噪聲，相應(yīng)地其輸出也由這兩部分組成。因此這兩部分比值的大小將直接影響設(shè)備的工作質(zhì)量，即如果接收帶寬內(nèi)的信號功率(或均方電壓)與1Hz帶寬內(nèi)(或工作帶寬內(nèi))的噪聲功率(或均方電壓)的比值較高，則設(shè)備就能正常工作，它作的“判決”也是可信的；反之，上述的信噪比值比較低時，設(shè)備就不能正常工作，它作出的“判決”也就不可信。在水聲技術(shù)中，習(xí)慣上將設(shè)備剛好能正常工作所需的處理器輸入端的信噪比值(用分貝表示)稱作檢測閡，它定義為：

由檢測閾定義可知，對于完成同樣職能的聲吶來說，檢測閾值較低的設(shè)備，其處理能力較強，其性能也較好。831.9.9檢測閾DT聲吶設(shè)備的接收器工作在噪聲環(huán)境中，1.9.10時間增益GT聲吶信號處理中要完成一系列的過程，這中間時間積累是不可缺少的，因為隨機信號的起伏特征只有依靠時間積累才能去除。時間增益定義為：其中(SNR)out是系統(tǒng)輸出信噪比，(SNR)in是系統(tǒng)輸入信噪比。對于被動聲吶和主動聲吶的最佳檢測系統(tǒng)來說，其時間增益GT為：被動聲吶最佳檢測系統(tǒng)：是噪聲相關(guān)特性的一個度量，可以認(rèn)為是相關(guān)半徑。是噪聲的自相關(guān)函數(shù)主動聲吶最佳檢測（匹配濾波）系統(tǒng)：信號脈寬或是輸入信號帶寬信號帶寬對于方波調(diào)制的單頻信號2WT＝1于是GT=0dB841.9.10時間增益GT聲吶信號處理中要完成一系列的過程，1.9.10主動聲吶方程檢測閾(DT)指向性指數(shù)(DI)聲源聲源級(SL)噪聲級(NL)傳播損失(TL)傳播損失(TL)目標(biāo)強度(TS)噪聲級(NL)對于主動聲吶，回聲信號級是自身發(fā)射的信號傳播到目標(biāo)并經(jīng)過目標(biāo)反射回到聲吶接收端的值，表示為SL-2TL-TS。主動聲吶的干擾在多數(shù)情況下是混響級RL，當(dāng)探測距離較遠(yuǎn)時也可能是噪聲背景NL，這里的噪聲包括海洋環(huán)境噪聲和艦艇自噪聲。這樣單水聽器接收的信號信噪（混）比為：(SNR)in=SL-2TL+TS-RL混響背景下：噪聲背景下：(SNR)in=SL-2TL+TS-NL加上聲吶系統(tǒng)的空間增益GS(DI)和時間增益GT可以得到輸出信噪（混）比：(SNR)out=SL-2TL+TS-NL+GS+GT得到主動聲吶方程：SL-2TL+TS-NL+GS(DI)+GT＝DT混響背景下：SL-2TL+TS-RL+GS(DI)+GT＝DT噪聲背景下：851.9.10主動聲吶方程檢測閾(DT)指向性指數(shù)值得注意的是：1、上述的主動聲吶方程適用于收發(fā)合置的聲吶，對于收發(fā)分置的多基地聲吶，信號的傳播損失一般是不同的，不能用簡單的2TL表示往返的傳播損失。2、主動聲吶要經(jīng)受雙層傳播損失，這時主動聲吶探測距離受到限制的重要原因。3、以上給出的主動聲吶方程與傳統(tǒng)的聲吶方程形式形式上有差別，主要是在聲吶發(fā)展中基陣處理以及時間處理得到發(fā)展，我們考慮了基陣的空間增