水聲學(xué)-緒論-聲納方程課件

第二講聲納方程1CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU本講主要內(nèi)容聲納及其工作方式聲納參數(shù)聲納方程組合聲納參數(shù)聲納方程的工程應(yīng)用及限制主動聲納的主要干擾判斷2CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU一、聲納及其工作方式聲納（Sonar—SOundNAvigationandRanging）：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)。3CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU一、聲納及其工作方式被動聲納信息流程：被動聲納通過接收被探測目標(biāo)（聲源部分）如魚雷、潛艇等的輻射噪聲來實(shí)現(xiàn)水下目標(biāo)探測。接收陣處理器判決顯示目標(biāo)濕端干端5CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU問題一：主被動聲納有何區(qū)別？聲源—SL、NL傳播路徑—2TL、TL干擾—NL、RL目標(biāo)—TS、SL主動被動6CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU二、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(biāo)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)例舉幾個聲納參數(shù)：SL、TL、TS、RL、NL、DI、DT本節(jié)重點(diǎn)：聲納參數(shù)的概念、物理意義、聲納方程的組成7CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU二、聲納參數(shù)主動聲納聲納參數(shù)：聲源級SL發(fā)射指向性指數(shù)DIT傳播損失TL目標(biāo)強(qiáng)度TS傳播損失TL接收指向性指數(shù)DI噪聲級NL等效平面波混響級RL檢測閾DT8CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU2.1聲源級—SL（SourceLevel）物理意義：用來描述主動聲納所發(fā)射的聲信號的強(qiáng)弱（反應(yīng)發(fā)射器輻射聲功率的大?。┒x：：如何提高聲源級？有無益處？二、聲納參數(shù)10CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU2.2發(fā)射指向性指數(shù)—DIT（DirectivityIndex）物理意義：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)

定義：

特點(diǎn)：二、聲納參數(shù)聲能集中作用距離12CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU問題三：已知聲功率時，如何計算SL？指向性聲源的聲源級：：船用聲納Pa為幾百瓦~幾千瓦，DIT為10~30dB，SL約為210~240dB。14CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU2.3傳播損失—TL（Transmission

Loss）物理意義：定量描述聲波傳播一定距離后聲強(qiáng)度的衰減變化定義：：引起聲強(qiáng)衰減的原因有哪些呢？二、聲納參數(shù)15CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU2.4目標(biāo)強(qiáng)度—TS（TargetStrength）物理意義：定量描述目標(biāo)聲反射本領(lǐng)的大小定義：：TS>0還是TS<0？二、聲納參數(shù)目標(biāo)QCPIr1m16CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU2.5海洋環(huán)境噪聲級—NL（NoiseLevel）物理意義：是度量環(huán)境噪聲強(qiáng)弱的量定義：：IN是測量帶寬內(nèi)（或1Hz頻帶內(nèi)）的噪聲強(qiáng)度。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。二、聲納參數(shù)17CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU2.6等效平面波混響級—RL（ReverberationLevel）物理意義：定量描述混響干擾的強(qiáng)弱定義：強(qiáng)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(biāo)，水聽器輸出電壓值也為V，則該平面波聲級就是混響級。它是主動聲納的一種背景干擾二、聲納參數(shù)18CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU2.7接收指向性指數(shù)—DI（DirectivityIndex）物理意義：接收系統(tǒng)抑制各向同性背景噪聲的能力定義：條件：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。二、聲納參數(shù)20CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU問題四：何為水聽器靈敏度？物理意義：反應(yīng)水聽器的聲電轉(zhuǎn)換能力定義：水聽器處的聲壓為p，裝置的開路終端電壓為V，則水聽器的靈敏度：：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/V21CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU問題五：接收指向性指數(shù)如何獲得？接收指向性指數(shù)：：參數(shù)DI只對各向同性噪聲場中的平面波信號有意義其它方向特性的信號和噪聲場，需用陣增益來代替DI23CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU問題五：接收指向性指數(shù)如何獲得？陣增益：（R.J.Urick.水聲原理[M].P24）24CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU2.8檢測閾—DT（DetectionThreshold）物理意義：設(shè)備剛好能正常工作所需的處理器輸入端的信噪比定義：：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(qiáng)，性能也好。

二、聲納參數(shù)26CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU小結(jié)從能量角度描述了海水介質(zhì)、聲納目標(biāo)和聲納設(shè)備的特性和效應(yīng)二、聲納參數(shù)SLTLTSTLDTDINLRL27CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU三、聲納方程基本特征：將海水介質(zhì)、聲納目標(biāo)和聲納設(shè)備的作用聯(lián)系在一起。綜合考慮水聲所特有的各種現(xiàn)象和效應(yīng)對聲納設(shè)備的設(shè)計和應(yīng)用所產(chǎn)生影響的關(guān)系式。基本考慮：聲納方程的基本原則：信號級-背景干擾級=檢測閾背景干擾級的含義：設(shè)備工作帶寬內(nèi)部分背景噪聲才起干擾作用28CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU三、聲納方程3.1收發(fā)合置主動聲納信號強(qiáng)度變化過程回聲信號級（信號級）：回聲到達(dá)接收陣的聲級SL-2TL+TS背景干擾級：（接收陣接收指向性指數(shù)壓低背景噪聲）NL-DI

：換能器聲軸指向目標(biāo)，回聲信號不會被接收指向性指數(shù)壓低。處理器處電信號的信噪比：（SL-2TL+TS）-（NL-DI）30CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU三、聲納方程3.2主動聲納方程噪聲背景情況：（SL-2TL+TS）-（NL-DI）=DT

★：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?；祉懕尘扒闆r：（SL-2TL+TS）-RL=DT

★：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。31CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU三、聲納方程3.3被動聲納信號強(qiáng)度變化過程32CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU三、聲納方程3.4被動聲納方程特點(diǎn)：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(biāo)反射，即無TS；背景干擾為環(huán)境噪聲。聲納方程：（SL-TL）-（NL-DI）=DT

：SL為噪聲源輻射噪聲的聲源級。33CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU四、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；34CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU四、組合聲納參數(shù)回聲余量：主動聲納回聲級超過噪聲掩蔽級的數(shù)量SL-2TL+TS-（NL-DI+DT）優(yōu)質(zhì)因數(shù)：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(dāng)TS=0時，該量規(guī)定了最大允許雙程傳播損失。SL-（NL-DI+DT）品質(zhì)因數(shù)：聲納接收換能器測得的聲源級與噪聲級之差SL-（NL-DI）35CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU五、聲納方程的應(yīng)用及限制5.1聲納方程的應(yīng)用聲納設(shè)備性能預(yù)報：已知設(shè)備特點(diǎn)和若干參數(shù)，對其它聲納參數(shù)進(jìn)行估計；估計最大傳播損失估計探測距離聲納設(shè)備設(shè)計：預(yù)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(biāo)，根據(jù)聲納方程綜合評價各參數(shù)的影響，對參數(shù)進(jìn)行合理選取和設(shè)備最佳設(shè)計。頻率的選取——DI、TL36CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU五、聲納方程的應(yīng)用及限制5.2聲納方程的限制聲納方程是用聲強(qiáng)度來描述的，而聲強(qiáng)度是聲能流在某一時間間隔內(nèi)的平均值：長脈沖信號，回波信號的寬度很接近發(fā)射信號脈沖寬度短脈沖信號，回波信號波形嚴(yán)重畸變，平均值不確定37CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU五、聲納方程的應(yīng)用及限制5.3聲納方程的修正作為一種常用的近似，在時間T內(nèi)對聲波的能流密度E求平均而得聲強(qiáng)：對于長脈沖聲納，T為發(fā)射脈沖寬度，回波脈沖寬度也近似等于此值；對于短脈沖聲納，T一般不確定，回聲寬度與發(fā)射寬度相差甚大。38CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU五、聲納方程的應(yīng)用及限制5.3聲納方程的修正短脈沖信號聲納方程中（R.J.Urick）：回聲脈沖寬度：39CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU五、聲納方程的應(yīng)用及限制5.3聲納方程的修正40CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU六、主動聲納的主要干擾判斷回聲級、噪聲掩蔽級、混響掩蔽級與距離的關(guān)系EL=SL-2TL+TSNL-DI+DTRL+DT41CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU六、主動聲納的主要干擾判斷結(jié)論回聲和混響都是隨距離而衰減的，而噪聲保持不變?；芈暻€隨距離下降比混響掩蔽級曲線要快，二者相交于混響限制距離Rr處。而回聲曲線與噪聲掩蔽級曲線相交于噪聲限制距離Rn處。對于噪聲掩蔽級I，Rr<Rn，聲納設(shè)備正常工作的距離R<Rr，因此聲納作用距離受混響限制，選擇混響為主要干擾的聲納方程；對于噪聲掩蔽級II，Rn<Rr，而聲納設(shè)備正常工作的距離R<Rn，因此聲納作用距離受噪聲限制，選擇噪聲為主要干