聲波在目標(biāo)上的反射和散射

第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射水下目標(biāo)含義：（1）軍事目標(biāo)：艦船、潛艇、魚(yú)雷、水雷等；（2）礁石等；

反射體、散射體→回波信號(hào)→有規(guī)信號(hào)；（3）無(wú)限延展非均勻體：深水散射層、海面、海底等。

散射體→回波信號(hào)→無(wú)規(guī)信號(hào)→統(tǒng)計(jì)信號(hào)(混響)。研究聲吶目標(biāo)回波特性意義（1）主動(dòng)聲吶的目標(biāo)檢測(cè)和識(shí)別的依據(jù)；（2）對(duì)聲吶設(shè)備的設(shè)計(jì)和應(yīng)用有重要意義。水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射2主要內(nèi)容

聲吶目標(biāo)強(qiáng)度TS；

常見(jiàn)聲吶目標(biāo)TS值的特性；

目標(biāo)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)測(cè)量；目標(biāo)回聲信號(hào)；剛性和彈性球體的散射場(chǎng)特性；

殼體目標(biāo)的回波信號(hào)；

散射聲場(chǎng)理論計(jì)算方法。水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射31、目標(biāo)強(qiáng)度TS目標(biāo)強(qiáng)度TS定量描述目標(biāo)反射本領(lǐng)的大小，從回聲強(qiáng)度角度描述目標(biāo)的聲學(xué)特性。定義：式中，為入射波強(qiáng)度；為離目標(biāo)等效聲中心1米處的回聲強(qiáng)度。水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射45.1聲吶目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度

（1）測(cè)量距離在遠(yuǎn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量Ir，并按球面波衰減規(guī)律將測(cè)量值換算至目標(biāo)等效聲中心1m處。（2）目標(biāo)等效聲中心假想的點(diǎn)，可位于目標(biāo)的外部或內(nèi)部；射線聲學(xué)觀點(diǎn)認(rèn)為回聲是由該點(diǎn)發(fā)出。目標(biāo)QCPIr1m水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射55.1聲吶目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度

（3）回聲強(qiáng)度回聲強(qiáng)度Ir是入射波方向和回波方向的函數(shù)。在收發(fā)合置情況，回聲強(qiáng)度僅是入射波方向的函數(shù)，稱之為“反向反射”或“反向散射”。（4）參考距離

參考距離通常取1m。多數(shù)聲吶為收發(fā)合置型的，因此主要討論反向散射情況目標(biāo)回聲問(wèn)題。

通常情況下，水下目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度TS為正值，為什么不能說(shuō)回聲強(qiáng)度高于入射聲強(qiáng)度？

水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射65.1聲吶目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度

2、剛性大球的目標(biāo)強(qiáng)度①剛性不動(dòng)球體：半徑a，ka>>1，k為波數(shù)；②反射聲線：局部平面鏡反射定律；

③球體剛性：聲能不會(huì)透入球體內(nèi)部；④理想反射體：聲能無(wú)損失被反射。

散射聲功率：局部范圍入射聲功率：a水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射75.1聲吶目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度

入射聲功率等于散射聲功率：尤立克《水聲原理》從總體角度上進(jìn)行推導(dǎo)。

求得：剛性大球的目標(biāo)強(qiáng)度：結(jié)論：當(dāng)ka>>1，剛性球TS值與聲波頻率無(wú)關(guān)，只與球半徑有關(guān)；是考慮鏡反射的平均結(jié)果，不是嚴(yán)格解。水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射85.1聲吶目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度

軍事需要：探潛、反潛、水聲對(duì)抗聲吶目標(biāo)（潛艇、魚(yú)雷、水雷等）強(qiáng)度備受各海軍強(qiáng)國(guó)重視；軍事保密原因，公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)資料較少，且年代久遠(yuǎn)；我們僅對(duì)聲吶目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度特性作一般性討論。水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射95.2常見(jiàn)聲吶目標(biāo)TS值的一般特征1、潛艇的目標(biāo)強(qiáng)度潛艇實(shí)測(cè)目標(biāo)強(qiáng)度值具有離散性，而且與方位、頻率、脈沖寬度、深度和距離有關(guān)。（1）測(cè)試艇：柴油動(dòng)力潛艇（2）測(cè)試時(shí)間：二次大戰(zhàn)前后（3）正橫方向：12～40dB，平均值25dB

18艘潛艇正橫方向目標(biāo)強(qiáng)度直方圖

水聲學(xué)第5章聲波在目標(biāo)上的反射和散射105.2常見(jiàn)聲吶目標(biāo)TS值的一般特征（1）空間方位位特性潛艇目標(biāo)強(qiáng)強(qiáng)度與方位位角關(guān)系曲曲線呈“蝴蝶形”圖形。①測(cè)試頻率率：24kHz②A為戰(zhàn)前、40次平均③B為戰(zhàn)后、5次平均潛艇目標(biāo)強(qiáng)強(qiáng)度隨方位位的變化水聲學(xué)第5章聲波在在目標(biāo)上的的反射和散散射115.2常見(jiàn)聲吶目目標(biāo)TS值的一般特特征（1）空間方位位特性（A曲線）♀在艇的舷側(cè)側(cè)正橫方向向上，目標(biāo)標(biāo)強(qiáng)度值最最大，平均均達(dá)25dB，系由艇殼殼的鏡反射引起；♀在艇首和艇艇尾方向，，目標(biāo)強(qiáng)度度最小，約10～15dB，系由艇殼殼和尾流的遮遮蔽效應(yīng)引引起；♀在艇首和艇艇尾20度附近，比比相鄰區(qū)域高出出1～3dB，可能是由由潛艇的艙室室結(jié)構(gòu)的內(nèi)反射產(chǎn)生生。。水聲聲學(xué)學(xué)第5章聲聲波波在在目目標(biāo)標(biāo)上上的的反反射射和和散散射射125.2常見(jiàn)見(jiàn)聲聲吶吶目目標(biāo)標(biāo)TS值的的一一般般特特征征（2）隨隨測(cè)測(cè)量量距距離離的的變變化化通常常近近距距離離測(cè)測(cè)量量的的目目標(biāo)標(biāo)強(qiáng)強(qiáng)度度值值有有可可能能小小于于遠(yuǎn)遠(yuǎn)距距離離的的測(cè)測(cè)量量值值，，且且隨隨著著測(cè)測(cè)量量距距離離變變大大目目標(biāo)標(biāo)強(qiáng)強(qiáng)度度值值也也逐逐漸漸變變大大，，到到了了某某個(gè)個(gè)距距離離后后，，目目標(biāo)標(biāo)強(qiáng)強(qiáng)度度值值不不再再隨隨距距離離而而變變。。產(chǎn)生生原原因因：：♀指向向性性聲聲吶吶入入射射聲聲束束照照射射目目標(biāo)標(biāo)面面積積隨隨測(cè)測(cè)量量距距離離變變化化。。♀幾何形形狀比比較復(fù)復(fù)雜物物體的的回聲強(qiáng)強(qiáng)度隨隨距離離的衰衰減規(guī)規(guī)律不同于于點(diǎn)源源聲場(chǎng)場(chǎng)，聲聲強(qiáng)隨隨距離離變化化不遵遵循球球面規(guī)規(guī)律。。水聲學(xué)學(xué)第5章聲聲波在在目標(biāo)標(biāo)上的的反射射和散散射135.2常見(jiàn)聲聲吶目目標(biāo)TS值的一一般特特征（2）隨測(cè)測(cè)量距距離的的變化化♀在近場(chǎng)（距離小于），回聲強(qiáng)度隨距離的衰減服從柱面波規(guī)律，即?！庠谶h(yuǎn)場(chǎng)（距離大于），回聲強(qiáng)度隨距離的衰減服從球面波規(guī)律，即?！馊舴謩e在近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，然后按照球面波規(guī)律歸算到目標(biāo)聲中心1m處。

為了要得到穩(wěn)定可靠的測(cè)量結(jié)果，應(yīng)在遠(yuǎn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，即測(cè)量距離。

水聲學(xué)學(xué)第5章聲聲波在在目標(biāo)標(biāo)上的的反射射和散散射145.2常見(jiàn)聲聲吶目目標(biāo)TS值的一一般特特征（3）隨脈脈沖長(zhǎng)長(zhǎng)度的的變化化設(shè)入射射波脈脈沖長(zhǎng)長(zhǎng)度為為，，若若物體體表面面上A點(diǎn)和B點(diǎn)所產(chǎn)產(chǎn)生回回聲在在脈沖沖寬度度內(nèi)內(nèi)被被同時(shí)時(shí)接收收到，，則有有：♀隨著脈脈沖長(zhǎng)長(zhǎng)度的的增加加，對(duì)對(duì)回聲聲有貢貢獻(xiàn)物物體表表面積積相應(yīng)應(yīng)增大大；♀脈沖長(zhǎng)度由短逐漸變長(zhǎng)時(shí)，目標(biāo)強(qiáng)度值也由小逐漸變大，直到脈沖長(zhǎng)度變?yōu)楹?，目?biāo)強(qiáng)度值就不再隨脈沖長(zhǎng)度而變化。

水聲學(xué)第5章聲波在在目標(biāo)上的的反射和散散射155.2常見(jiàn)聲吶目目標(biāo)TS值的一般特特征（3）隨脈沖長(zhǎng)長(zhǎng)度的變化化♀目標(biāo)強(qiáng)度隨隨脈沖寬度度的變化實(shí)實(shí)質(zhì)還是對(duì)對(duì)回聲有貢貢獻(xiàn)的目標(biāo)標(biāo)表面積大大小不同引引起的。♀在正橫方向向上目標(biāo)強(qiáng)強(qiáng)度隨脈沖沖長(zhǎng)度變化化現(xiàn)象不明明顯。由于目標(biāo)沿沿入射波方方向上的長(zhǎng)長(zhǎng)度很小，，且回聲形形成主要是是鏡反射過(guò)過(guò)程（脈寬寬減小效應(yīng)應(yīng)）。水聲學(xué)第5章聲波在在目標(biāo)上的的反射和散散射165.2常見(jiàn)聲吶目目標(biāo)TS值的一般特特征（4）隨頻率的的變化試驗(yàn)測(cè)試結(jié)結(jié)果：潛艇目標(biāo)強(qiáng)強(qiáng)度值不存存在明顯頻頻率效應(yīng)。。♀可能被實(shí)測(cè)測(cè)值的離散散性所掩蓋蓋；♀潛艇目標(biāo)的的結(jié)構(gòu)和幾幾何形狀十十分復(fù)雜，，產(chǎn)生回聲聲的機(jī)理是是多種多樣樣的。水聲學(xué)第5章聲波在在目標(biāo)上的的反射和散散射175.2常見(jiàn)聲吶目目標(biāo)TS值的一般特特征（5）隨航行深深度的變化化♀深度對(duì)潛艇艇尾流回聲聲有影響，，對(duì)其結(jié)構(gòu)構(gòu)的目標(biāo)強(qiáng)強(qiáng)度值原則則上沒(méi)有影影響?！馍疃葘?duì)測(cè)試試結(jié)果的影影響表現(xiàn)對(duì)對(duì)聲傳播特特性的影響響，并沒(méi)有有影響到產(chǎn)產(chǎn)生回聲的的機(jī)理。水聲聲學(xué)學(xué)第5章聲聲波波在在目目標(biāo)標(biāo)上上的的反反射射和和散散射射185.2常見(jiàn)見(jiàn)聲聲吶吶目目標(biāo)標(biāo)TS值的的一一般般特特征征2、魚(yú)魚(yú)雷雷和和水水雷雷的的目目標(biāo)標(biāo)強(qiáng)強(qiáng)度度基本本形形狀狀：：帶帶平平頭頭或或半半球球體體的的圓圓柱柱體體；；幾何何尺尺度度：：長(zhǎng)長(zhǎng)度度1米至至數(shù)數(shù)米米，，直直徑徑0.3米至至1米；；兩者者不不同同：：魚(yú)魚(yú)雷雷尾尾部部安安裝裝有有推推進(jìn)進(jìn)器器；；水水雷雷雷雷體體上上安安裝裝有有翼翼及及凹凹凸凸不不平平處處。。目標(biāo)標(biāo)強(qiáng)強(qiáng)度度特特點(diǎn)點(diǎn)：：♀正橫橫方方位位或或頭頭部部目目標(biāo)標(biāo)強(qiáng)強(qiáng)度度值值較較大大———強(qiáng)鏡鏡反反射射；；♀尾部部和和雷雷體體上上小小的的不不規(guī)規(guī)則則部部分分目目標(biāo)標(biāo)強(qiáng)強(qiáng)度度值值較較小小。。水聲聲學(xué)學(xué)第5章聲聲波波在在目目標(biāo)標(biāo)上上的的反反射射和和散散射射195.2常見(jiàn)見(jiàn)聲聲吶吶目目標(biāo)標(biāo)TS值的的一一般般特特征征圓柱柱形形物物體體目目標(biāo)標(biāo)強(qiáng)強(qiáng)度度：：圓柱柱形形物物體體正正橫橫和和端端部部方方位位目目標(biāo)標(biāo)強(qiáng)強(qiáng)度度：：式中中，，a為圓圓柱柱半半徑徑，，L為圓圓柱柱長(zhǎng)長(zhǎng)，，是是聲聲波波波波長(zhǎng)長(zhǎng)。。魚(yú)雷雷和和水水雷雷的的目目標(biāo)標(biāo)強(qiáng)強(qiáng)度度隨隨方方位位、、頻頻率率、、脈脈沖沖寬寬度度和和測(cè)測(cè)量量距距離離變變化化，，大大體體與與潛潛艇艇的的相相類類似似。。水聲聲學(xué)學(xué)第5章聲聲波波在在目目標(biāo)標(biāo)上上的的反反射射和和散散射射205.2常見(jiàn)見(jiàn)聲聲吶吶目目標(biāo)標(biāo)TS值的的一一般般特特征征2、魚(yú)魚(yú)雷雷和和水水雷雷的的目目標(biāo)標(biāo)強(qiáng)強(qiáng)度度3、魚(yú)魚(yú)的的目目標(biāo)標(biāo)強(qiáng)強(qiáng)度度魚(yú)是是探探魚(yú)魚(yú)聲聲吶吶的的目目標(biāo)標(biāo)。。單個(gè)個(gè)魚(yú)魚(yú)體體的的研研究究Cushing（1963年））等等人人研研究究結(jié)結(jié)果果：：♀測(cè)量量對(duì)對(duì)象象：：鱘鱘魚(yú)魚(yú)、、比比目目魚(yú)魚(yú)、、鱸鱸魚(yú)魚(yú)、、青魚(yú)魚(yú)等等死死魚(yú)魚(yú)，，安安裝裝薄薄膜膜塑塑料料人人工工魚(yú)魚(yú)鰾鰾。?！鈱?shí)驗(yàn)驗(yàn)條條件件：：聲聲波波頻頻率率30kHz，聲束由上向下下垂直照照射到魚(yú)魚(yú)脊背上上，魚(yú)處于正常常游動(dòng)狀狀態(tài)?！鉁y(cè)量結(jié)果果水聲學(xué)第5章聲波波在目標(biāo)標(biāo)上的反反射和散散射215.2常見(jiàn)聲吶吶目標(biāo)TS值的一般般特征單個(gè)魚(yú)體體的研究究Love（1971年））等人試試驗(yàn)研究究，獲得得魚(yú)脊背背方向入入射時(shí)魚(yú)魚(yú)目標(biāo)強(qiáng)強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)公式（（12kHz~200kHz）：式中，魚(yú)魚(yú)體長(zhǎng)度度L（cm），頻率率f（kHz）。魚(yú)群的研研究將魚(yú)群視為為一個(gè)整整體，如如果魚(yú)群群由N條相距較較大魚(yú)所所組成，，則魚(yú)群群總目標(biāo)標(biāo)強(qiáng)度為為TS+10lgN，其中TS是單個(gè)魚(yú)魚(yú)體目標(biāo)標(biāo)強(qiáng)度值值。水聲學(xué)第5章聲波波在目標(biāo)標(biāo)上的反反射和散散射225.2常見(jiàn)聲吶吶目標(biāo)TS值的一般般特征3、魚(yú)的目目標(biāo)強(qiáng)度度在湖泊或或海上現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量量目標(biāo)的的目標(biāo)強(qiáng)強(qiáng)度值，，容易滿滿足遠(yuǎn)場(chǎng)場(chǎng)，能直直接測(cè)量量結(jié)果，，但不宜宜控制和和重復(fù)，，結(jié)果有有一定離離散度，，測(cè)量精精度不高高。1、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)測(cè)量測(cè)量原理理①指向性性聲源A：向待測(cè)測(cè)目標(biāo)輻輻射聲波波；②接收水水聽(tīng)器B：接收待待測(cè)目標(biāo)標(biāo)回波；；③計(jì)算入入射聲強(qiáng)強(qiáng)度和回回聲強(qiáng)度度；④計(jì)算目目標(biāo)強(qiáng)度度TS值。①測(cè)量應(yīng)應(yīng)滿足遠(yuǎn)遠(yuǎn)場(chǎng)條件件；②合理選選擇發(fā)射射信號(hào)脈脈沖寬度度；③合理選選擇發(fā)射射聲源和和接收水水聽(tīng)器位位置。水聲學(xué)第5章聲波波在目標(biāo)標(biāo)上的反反射和散散射235.3目標(biāo)強(qiáng)度度實(shí)驗(yàn)測(cè)測(cè)量和常常見(jiàn)目標(biāo)標(biāo)TS值（1）比較法法測(cè)量原理理①需要一一個(gè)目標(biāo)標(biāo)強(qiáng)度為為已知的的參考目目標(biāo)；②在相同同測(cè)量條條件下分分別測(cè)量量參考目目標(biāo)和待待測(cè)目標(biāo)標(biāo)的回聲聲級(jí)，比比較它們們的回聲聲級(jí)；③目標(biāo)強(qiáng)強(qiáng)度的計(jì)計(jì)算：水聲學(xué)第5章聲波波在目標(biāo)標(biāo)上的反反射和散散射245.3目標(biāo)強(qiáng)度度實(shí)驗(yàn)測(cè)測(cè)量和常常見(jiàn)目標(biāo)標(biāo)TS值1、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)測(cè)量（1）比較法法♀優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單單，僅測(cè)測(cè)量回聲聲強(qiáng)度，，計(jì)算簡(jiǎn)簡(jiǎn)單，是是比較實(shí)實(shí)用的方方法?！馊秉c(diǎn)：①需要一一個(gè)目標(biāo)標(biāo)強(qiáng)度已已知的參參考目標(biāo)標(biāo)；②對(duì)于復(fù)復(fù)雜幾何何形狀目目標(biāo)（潛潛艇），，高逼真真的參考考目標(biāo)制制作比較較困難；；③對(duì)于大大目標(biāo)很很難保證證前后兩兩次測(cè)量量條件相相同。水聲學(xué)第5章聲波波在目標(biāo)標(biāo)上的反反射和散散射255.3目標(biāo)強(qiáng)度度實(shí)驗(yàn)測(cè)測(cè)量和常常見(jiàn)目標(biāo)標(biāo)TS值1、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)測(cè)量（2）直直接法測(cè)量原理理①A為收發(fā)合合置換能能器（為為討論方方便而假假定），，它是指指向性聲聲源，聲聲軸指向向待測(cè)目目標(biāo)；B為被測(cè)目目標(biāo)；距距離r應(yīng)滿足遠(yuǎn)遠(yuǎn)場(chǎng)條件件。水聲學(xué)第5章聲波波在目標(biāo)標(biāo)上的反反射和散散射265.3目標(biāo)強(qiáng)度度實(shí)驗(yàn)測(cè)測(cè)量和常常見(jiàn)目標(biāo)標(biāo)TS值1、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)測(cè)量（2）直接接法測(cè)量原原理②水聽(tīng)聽(tīng)器（（聲源源）處處回聲聲級(jí)：：EL=SL-2TL+TS③待測(cè)目目標(biāo)強(qiáng)強(qiáng)度值值：需要測(cè)測(cè)量物物理量量：聲聲源級(jí)級(jí)SL、回聲聲強(qiáng)度度Ir和傳播播損失失TL。水聲學(xué)學(xué)第5章聲聲波在在目標(biāo)標(biāo)上的的反射射和散散射275.3目標(biāo)強(qiáng)強(qiáng)度實(shí)實(shí)驗(yàn)測(cè)測(cè)量和和常見(jiàn)見(jiàn)目標(biāo)標(biāo)TS值1、現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)測(cè)量量（2）直接接法♀優(yōu)點(diǎn)：：操作比比較簡(jiǎn)簡(jiǎn)單，，不需需特殊殊儀器器設(shè)備備，是是一種種基本本的測(cè)測(cè)量方方法。?！馊秉c(diǎn)：需要精確地地知道或測(cè)測(cè)量傳播損損失值，現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量難難度比較大大。水聲學(xué)第5章聲波在在目標(biāo)上的的反射和散散射285.3目標(biāo)強(qiáng)度實(shí)實(shí)驗(yàn)測(cè)量和和常見(jiàn)目標(biāo)標(biāo)TS值1、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量量（3）應(yīng)答答器法測(cè)量原理①測(cè)量船：安安裝發(fā)射器和水聽(tīng)器Ⅰ各一個(gè)，測(cè)測(cè)量目標(biāo)回回聲和應(yīng)答答器所輻射射的脈沖信信號(hào)，設(shè)它它們聲級(jí)差差為A分貝。②待測(cè)目標(biāo)標(biāo)：安裝應(yīng)答器和水聽(tīng)器Ⅱ各一個(gè)，相相距1米，，應(yīng)答器接接收聲源發(fā)發(fā)射聲脈沖沖后也發(fā)射射聲脈沖，，水聽(tīng)器先先后接收聲聲源和應(yīng)答答器發(fā)射的的脈沖信號(hào)號(hào)，設(shè)它們們的聲級(jí)差差為B分貝。水聲學(xué)第5章聲波在在目標(biāo)上的的反射和散散射295.3目標(biāo)強(qiáng)度實(shí)實(shí)驗(yàn)測(cè)量和和常見(jiàn)目標(biāo)標(biāo)TS值1、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量量（3）應(yīng)答器法法測(cè)量原理③目標(biāo)強(qiáng)度值值計(jì)算：優(yōu)點(diǎn)不需要確定定傳播損失失；測(cè)量比比較簡(jiǎn)單，，不需要對(duì)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)統(tǒng)做復(fù)雜的的絕對(duì)校正正。水聲學(xué)第5章聲波在在目標(biāo)上的的反射和散散射305.3目標(biāo)強(qiáng)度實(shí)實(shí)驗(yàn)測(cè)量和和常見(jiàn)目標(biāo)標(biāo)TS值1、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量量在實(shí)驗(yàn)室水水池中現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)測(cè)量小尺尺度目標(biāo)的的目標(biāo)強(qiáng)度度值，測(cè)量量條件遠(yuǎn)優(yōu)優(yōu)于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)測(cè)量條件。。2、實(shí)驗(yàn)室測(cè)測(cè)量測(cè)量方法：：①比較法②直接法水聲學(xué)第5章聲波在在目標(biāo)上的的反射和散散射315.3目標(biāo)強(qiáng)度實(shí)實(shí)驗(yàn)測(cè)量和和常見(jiàn)目標(biāo)標(biāo)TS值測(cè)量條件：：①滿足遠(yuǎn)場(chǎng)場(chǎng)條件目標(biāo)處于聲聲源的遠(yuǎn)場(chǎng)場(chǎng)，水聽(tīng)器器處于目標(biāo)標(biāo)的遠(yuǎn)場(chǎng)。。②滿足自由由場(chǎng)條件消聲水池：：一般滿足自自由場(chǎng)條件件；非消聲水池池：由于池壁、、水面、池池底反射聲聲可能和目目標(biāo)回波信信號(hào)干涉、、疊加，影影響測(cè)量結(jié)結(jié)果的可信信度；根據(jù)據(jù)水池尺寸寸，合理選選擇脈沖寬寬度，調(diào)整整聲源、目目標(biāo)和水聽(tīng)聽(tīng)器三者之之間位置，，使界面反反射脈沖和和目標(biāo)回波波脈沖在接接收時(shí)間上上分開(kāi)。③合理選取取發(fā)射信號(hào)號(hào)脈沖寬度度為抗多途干干擾，要求求脈沖寬度度窄一些；；測(cè)量穩(wěn)態(tài)態(tài)結(jié)果，又又要求脈沖沖寬度不能能太窄（包包含至少10個(gè)左右右波）。水聲學(xué)第5章聲波在在目標(biāo)上的的反射和散散射325.3目標(biāo)強(qiáng)度實(shí)實(shí)驗(yàn)測(cè)量和和常見(jiàn)目標(biāo)標(biāo)TS值2、實(shí)驗(yàn)室測(cè)測(cè)量3、常見(jiàn)聲吶吶目標(biāo)的目目標(biāo)強(qiáng)度值值聲吶目標(biāo)的的目標(biāo)強(qiáng)度度值是根據(jù)據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量量得到的，，結(jié)果具有有較大的離離散性，從從統(tǒng)計(jì)的意意義上給出出了規(guī)律性性結(jié)果。目標(biāo)方位TS/dB潛艇小型艇大型艇·有涂層大型艇正橫51025中間3815艇艏或艇尾0510水面艦艇正橫25非正橫15水雷正橫0非正橫-10~-25魚(yú)雷隨機(jī)-15鯨魚(yú)，30m脊背方向5鯊魚(yú)，10m脊背方向-4冰山任意10（最?。┧晫W(xué)第5章聲波在在目標(biāo)上的的反射和散散射335.3目標(biāo)強(qiáng)度實(shí)實(shí)驗(yàn)測(cè)量和和常見(jiàn)目標(biāo)標(biāo)TS值4、簡(jiǎn)單形狀狀物體的目目標(biāo)強(qiáng)度①理論上可推推得一些簡(jiǎn)簡(jiǎn)單幾何形形狀物體目目標(biāo)強(qiáng)度值值理論計(jì)算算公式。②雷達(dá)技術(shù)術(shù)中對(duì)簡(jiǎn)單單幾何形狀狀物體的目目標(biāo)強(qiáng)度計(jì)計(jì)算公式用用于聲吶目目標(biāo)僅是一一種近似值值。♀聲吶目標(biāo)內(nèi)內(nèi)部結(jié)構(gòu)比比較復(fù)雜，，不滿足剛性性條件；♀聲吶目標(biāo)不不滿足不動(dòng)動(dòng)理想條件件。③復(fù)雜幾何何形狀目標(biāo)標(biāo)可分解成成若干簡(jiǎn)單單幾何形狀狀子目標(biāo)，，通過(guò)子目目標(biāo)的目標(biāo)標(biāo)強(qiáng)度值的的合成得到到其目標(biāo)強(qiáng)強(qiáng)度值。水聲聲學(xué)學(xué)第5章聲聲波波在在目目標(biāo)標(biāo)上上的的反反射射和和散散射射345.3目標(biāo)標(biāo)強(qiáng)強(qiáng)度度實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)測(cè)測(cè)量量和和常常見(jiàn)見(jiàn)目目標(biāo)標(biāo)TS值5、目目標(biāo)標(biāo)TS值的的降降低低（1）低低頻頻條條件件下下目目標(biāo)標(biāo)強(qiáng)強(qiáng)度度值值的的降降低低在低低頻頻，，工工程程實(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)難難度度大大，，可可以以通通過(guò)過(guò)減減小小目目標(biāo)標(biāo)的的體體積積，，來(lái)來(lái)降降低低目目標(biāo)標(biāo)強(qiáng)強(qiáng)度度值值。。（2）高高頻頻條條件件下下目目標(biāo)標(biāo)強(qiáng)強(qiáng)度度值值的的降降低低①改變變目目標(biāo)標(biāo)幾幾何何形形狀狀；②表表面面覆覆蓋蓋消消聲聲被被覆覆；；③主動(dòng)動(dòng)抵抵消消；；④采采用用薄薄調(diào)調(diào)諧諧材材料料。。水聲聲學(xué)學(xué)第5章聲聲波波在在目目標(biāo)標(biāo)上上的的反反射射和和散散射射355.3目標(biāo)標(biāo)強(qiáng)強(qiáng)度度實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)測(cè)測(cè)量量和和常常見(jiàn)見(jiàn)目目標(biāo)標(biāo)TS值目標(biāo)標(biāo)回回波波：聲波波在在傳傳播播途途中中遇遇到到障障礙礙物物時(shí)時(shí)產(chǎn)產(chǎn)生生散散射射聲聲波波中中，，返返回回聲聲源源方方向向那那部部分分聲聲波波。。目標(biāo)回波是散散射波的一部部分，是入射射波與目標(biāo)相相互作用產(chǎn)生生的，它攜帶帶目標(biāo)的某些些特征信息。。測(cè)量回波信號(hào)號(hào)——分析處理——提取目標(biāo)特征征（先驗(yàn)知識(shí)識(shí)）——目標(biāo)檢測(cè)和識(shí)識(shí)別?；仡櫋獯竽繕?biāo)：目標(biāo)標(biāo)前方次級(jí)聲聲波——反射波；目標(biāo)標(biāo)后方次級(jí)聲聲波——繞射波。♀小目標(biāo)：向空空間各方向輻輻射次級(jí)聲波波——散射波?！馀c波長(zhǎng)相當(dāng)目目標(biāo)：反射、、繞射、散射射均起作用。?！庠诼晫W(xué)中，近近場(chǎng)次級(jí)聲波波——衍射波；遠(yuǎn)場(chǎng)場(chǎng)次級(jí)聲波——散射波。在這這里，統(tǒng)稱為為散射波。水聲學(xué)第5章聲波在目目標(biāo)上的反射射和散射365.4目標(biāo)回波1、回波信號(hào)的的形成（1）目標(biāo)鏡反射鏡反射是幾何何反射過(guò)程，，服從反射定定律。曲率半半徑大于波長(zhǎng)長(zhǎng)的目標(biāo)，回回波基本由鏡鏡反射過(guò)程產(chǎn)產(chǎn)生，與垂直直入射點(diǎn)相鄰鄰的目標(biāo)表面面產(chǎn)生相干反反射回聲。（2）目標(biāo)散射目標(biāo)表面不規(guī)規(guī)則性，如棱棱角、邊緣和和小凸起物，，其曲率半徑徑小于波長(zhǎng)，，回波由散射射過(guò)程產(chǎn)生。。水聲學(xué)第5章聲波在目目標(biāo)上的反射射和散射375.4目標(biāo)回波水聲學(xué)第5章聲波在目目標(biāo)上的反射射和散射385.4目標(biāo)回波1、回波信號(hào)的的形成（3）目標(biāo)再輻射一般聲吶目標(biāo)標(biāo)為彈性物體體，在入射聲聲波的激勵(lì)下下，目標(biāo)某些些固有振動(dòng)模模式被激發(fā)，，向周圍介質(zhì)質(zhì)輻射聲波，，它是目標(biāo)回回聲組成部分分，稱為非鏡鏡反射回波。。它與目標(biāo)力學(xué)學(xué)參數(shù)、狀態(tài)態(tài)以及與入射射聲波相對(duì)位位置等因素有有關(guān)。窄平面面波脈沖入射射到鋁球上接接收到的回波波脈沖串。水聲學(xué)第5章聲波在目目標(biāo)上的反射射和散射395.4目標(biāo)回波1、回波信號(hào)的的形成（4）回音廊式回回聲（環(huán)繞波波）聲波入射到A點(diǎn)除產(chǎn)生鏡反反射波外，還還有折射波投投射到目標(biāo)內(nèi)內(nèi)部。折射波波在目標(biāo)內(nèi)部部傳播，在B、C、…上同樣產(chǎn)生反反射和折射，，到達(dá)G點(diǎn)時(shí)，折射波波恰好在返回回聲源的方向向上，它是回回波的一部分分。水聲學(xué)學(xué)第5章聲聲波在在目標(biāo)標(biāo)上的的反射射和散散射405.4目標(biāo)回回波1、回波波信號(hào)號(hào)的形形成彈性散散射波波－圓圓柱傾傾斜入入射時(shí)時(shí)彈性性散射射波（（湯渭霖霖、陳陳德智智）水聲學(xué)學(xué)第5章聲聲波在在目標(biāo)標(biāo)上的的反射射和散散射415.4目標(biāo)回波波1、回波信信號(hào)的形形成彈性散射射波－圓圓柱斜入入射螺旋旋環(huán)繞波波（鮑小玲））水聲學(xué)第5章聲波波在目標(biāo)標(biāo)上的反反射和散散射425.4目標(biāo)回波波1、回波信信號(hào)的形形成彈性散射射波的作作用－高高分辨率率聲吶的的有限長(zhǎng)長(zhǎng)圓柱聲聲圖像水聲學(xué)第5章聲波波在目標(biāo)標(biāo)上的反反射和散散射435.4目標(biāo)回波波1、回波信信號(hào)的形形成回波與入入射波的的差異（1）多普勒勒頻移運(yùn)動(dòng)目標(biāo)標(biāo)回波頻頻率和入入射波產(chǎn)產(chǎn)生差異異，這種種差異的的大小與與入射波波頻率f及目標(biāo)與與聲源之之間距離離變化率率V有關(guān)：式中，c是海水中中的聲速速。可以以估計(jì)目目標(biāo)的速速度。目標(biāo)接近近聲源時(shí)時(shí)，取正正號(hào)；目目標(biāo)遠(yuǎn)離離聲源時(shí)時(shí)，取負(fù)負(fù)號(hào)。舉舉例：聲聲吶工作作頻率10kHz，聲源以以10節(jié)（5.15m/s）的相對(duì)對(duì)速度趨趨近目標(biāo)標(biāo)時(shí)，回回波頻移移為69Hz。水聲學(xué)第5章聲波波在目標(biāo)標(biāo)上的反反射和散散射445.4目標(biāo)回波波2、回波信信號(hào)的一一般特征征（2）脈沖展展寬目標(biāo)回聲聲是由整整個(gè)目標(biāo)標(biāo)表面上上的反射射體和散散射體產(chǎn)產(chǎn)生，整整個(gè)物體體表面都都對(duì)回波波有貢獻(xiàn)獻(xiàn)。由于于傳播路路徑不同同，目標(biāo)標(biāo)表面不不同部分分產(chǎn)生回回波到達(dá)達(dá)接收點(diǎn)點(diǎn)在時(shí)間間上有先先有后，，加寬了了回聲信信號(hào)的脈脈沖寬度度。平面波以以掠射角角入射到到長(zhǎng)為L(zhǎng)的目標(biāo)上上，在收收發(fā)合置置條件下下，回波波脈沖將將比入射射脈沖展展寬：在窄脈沖沖入射下下，目標(biāo)標(biāo)為許多多散射體體組成復(fù)復(fù)雜目標(biāo)標(biāo)，回聲聲脈沖展展寬明顯顯；若回回聲主要要過(guò)程是是鏡反射射，回聲聲脈沖展展寬可以以忽略。。舉例：：潛艇在在正橫方方向，回回波展寬寬為10ms，在首尾尾方位，，回波展展寬為100ms。水聲學(xué)第5章聲波波在目標(biāo)標(biāo)上的反反射和散散射455.4目標(biāo)回波波2、回波信信號(hào)的一一般特征征（3）包絡(luò)不不規(guī)則性性回聲包絡(luò)絡(luò)是不規(guī)規(guī)則的，，當(dāng)鏡反反射不起起主要作作用時(shí)更更是如此此。原因：目標(biāo)上各各散射體體散射波波互相迭迭加干涉涉引起的的。在目目標(biāo)回聲聲中，還還可能有有個(gè)別的的亮點(diǎn)，，是由目目標(biāo)上某某些部位位的產(chǎn)生生鏡反射射引起的的。例如如，潛艇艇的指揮揮臺(tái)，幾幾何亮點(diǎn)點(diǎn)和彈性性亮點(diǎn)。。（4）調(diào)制制效應(yīng)應(yīng)產(chǎn)生原原因：：螺旋槳槳旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)引起起目標(biāo)標(biāo)的散散射截截面產(chǎn)產(chǎn)生周周期性性變化化，引引起回回聲幅幅度周周期性性變化化。運(yùn)動(dòng)船船體與與其尾尾流產(chǎn)產(chǎn)生的的兩種種回波波干涉涉引起起調(diào)制制效應(yīng)應(yīng)。水聲學(xué)學(xué)第5章聲聲波在在目標(biāo)標(biāo)上的的反射射和散散射465.4目標(biāo)回波2、回波信號(hào)的的一般特征上節(jié)講述通過(guò)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量聲聲吶目標(biāo)的目目標(biāo)強(qiáng)度值；；本節(jié)講述通過(guò)過(guò)理論計(jì)算目目標(biāo)強(qiáng)度值及及其物理特性性。常見(jiàn)聲吶目標(biāo)標(biāo)幾何形狀基基本接近于球球形或柱形，，將其視為球球體或圓柱體體，簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)學(xué)運(yùn)算，結(jié)果果也適用于實(shí)實(shí)際聲吶目標(biāo)標(biāo)。剛性不動(dòng)球體體物理含義：：剛性：在入射射聲波作用下下球體不發(fā)生生變形，聲波波透不到球體體內(nèi)部，激不不起球內(nèi)部運(yùn)運(yùn)動(dòng)；不動(dòng)：球體不不參與周圍流流體介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。水聲學(xué)第5章聲波在目目標(biāo)上的反射射和散射475.5剛性球體散射射聲場(chǎng)取坐標(biāo)系的原原點(diǎn)和剛性球球的球心重合合，并取x軸與入射平面面波的傳播方方向一致，設(shè)設(shè)剛性球的半半徑為a。入射平面波波聲壓為：為書(shū)寫(xiě)方便，，將時(shí)間因子子省略。設(shè)散射波聲壓為，它滿足波動(dòng)方程：水聲學(xué)第5章聲波在目目標(biāo)上的反射射和散射485.5剛性球體散射射聲場(chǎng)考慮入射波對(duì)對(duì)x軸對(duì)稱性，散散射波也關(guān)于于x軸對(duì)稱，則它它與變量無(wú)無(wú)關(guān)，則：利用分離變量量法，有勒讓德方程：貝塞爾方程：：水聲學(xué)第5章聲波在目目標(biāo)上的反射射和散射495.5剛性球體散射射聲場(chǎng)根據(jù)勒讓德方方程的解有（（m為分離變量時(shí)時(shí)引入常數(shù)，，根據(jù)勒讓德德方程性質(zhì)，，m必須是非負(fù)整整數(shù)）：根據(jù)貝塞爾方方程的解有：：根據(jù)輻射條件水聲學(xué)第5章聲波在目目標(biāo)上的反射射和散射505.5剛性球體散射射聲場(chǎng)散射波聲壓的的解為：待定常數(shù)，由由邊界條件確確定對(duì)于剛性球體體有：為了確定待定系數(shù)，需要將入射波展開(kāi)：水聲學(xué)第5章聲波在目目標(biāo)上的反射射和散射515.5剛性球體散射射聲場(chǎng)根據(jù)邊界條件件，可確定待待定系數(shù)：：對(duì)于散射波的的遠(yuǎn)場(chǎng)，利用用球漢克爾函函數(shù)在大宗量量條件下近似似展開(kāi)：散射波聲壓表表達(dá)式為：水聲學(xué)第5章聲波在目目標(biāo)上的反射射和散射525.5剛性球體散射射聲場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)散射波聲聲壓為：遠(yuǎn)場(chǎng)散射波聲聲壓為：記：水聲學(xué)第5章聲波在目目標(biāo)上的反射射和散射535.5剛性球體散射射聲場(chǎng)在低頻，球前前向散射較均均勻，隨頻率率增大，指向向性變得復(fù)雜雜；低頻時(shí)，，剛球背面散散射波很弱，，隨著頻率的的增加，背部部散射波逐漸漸增強(qiáng)。剛球遠(yuǎn)場(chǎng)散射射波強(qiáng)度：散射波振幅正正比于入射波波振幅；散射射波是各階球球面波的迭加加，具有球面面波的某些特特征，如振幅幅隨距離的衰衰減；散射波波具有明顯指指向性。剛性不動(dòng)球的的目標(biāo)強(qiáng)度表表達(dá)式水聲學(xué)第5章聲波在目目標(biāo)上的反射射和散射545.5剛性球體散射射聲場(chǎng)常見(jiàn)聲吶目標(biāo)標(biāo)是由金屬材材料制成的，，均為彈性體體；對(duì)于彈性體，，入射聲波能能透入物體內(nèi)內(nèi)部，并激發(fā)發(fā)內(nèi)部聲場(chǎng)。。與剛性球體比比較：（1）彈性球體散散射波強(qiáng)度隨隨頻率變化出出現(xiàn)極大、極極小變化；剛剛性球體散射射波強(qiáng)度不存存在明顯的頻頻率效應(yīng)。（2）還存在其它它方面差別，，研究這些差差別，有助于于聲吶目標(biāo)的的檢測(cè)和識(shí)別別。水聲學(xué)第5章聲波在目目標(biāo)上的反射射和散射555.6彈性物體散射射聲場(chǎng)及其特特性1、平面波在彈彈性球體上的的聲散射分析：與剛性球體的的散射場(chǎng)計(jì)算算過(guò)程作對(duì)比比相同點(diǎn)：散射射波聲壓滿足足相同的波動(dòng)動(dòng)方程，解法法相同，形式式解相同；不同點(diǎn)：確定定形式解中待待定系數(shù)的邊邊界條件不同同。邊界條件：1）法向應(yīng)力連連續(xù)2）法向位移連連續(xù)或法向質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振速連續(xù)續(xù)3）切向應(yīng)力為為零水聲學(xué)第5章聲波在目目標(biāo)上的反射射和散射565.6彈性物體散射射聲場(chǎng)及其特特性考慮點(diǎn)聲源置置于S處，它距球心心的距離為r0，空間間任意意點(diǎn)P處入射射聲場(chǎng)場(chǎng)為：：將球坐坐標(biāo)系系原點(diǎn)點(diǎn)置于于球心心處，，則：：水聲學(xué)學(xué)第5章聲聲波在在目標(biāo)標(biāo)上的的反射射和散散射575.6彈性物物體散散射聲聲場(chǎng)及及其特特性1、平面面波在在彈性性球體體上的的聲散散射水聲學(xué)學(xué)第5章聲聲波在在目標(biāo)標(biāo)上的的反射射和散散射585.6彈性物物體散散射聲聲場(chǎng)及及其特特性1、平面面波在在彈性性球體體上的的聲散散射入射聲聲波表表達(dá)式式為：：在遠(yuǎn)場(chǎng)場(chǎng)條件件下，，則有有：沿x軸入射射平面面波球球函數(shù)數(shù)展開(kāi)開(kāi)式水聲學(xué)學(xué)第5章聲聲波在在目標(biāo)標(biāo)上的的反射射和散散射595.6彈性物物體散散射聲聲場(chǎng)及及其特特性1、平面面波在在彈性性球體體上的的聲散散射彈性球球體散散射聲聲場(chǎng)表表達(dá)式式為：：考慮收收發(fā)合合置情情況下下的回回波：：切向應(yīng)應(yīng)力為為零法向應(yīng)應(yīng)力連連續(xù)水聲學(xué)學(xué)第5章聲聲波在在目標(biāo)標(biāo)上的的反射射和散散射605.6彈性物物體散散射聲聲場(chǎng)及及其特特性1、平面面波在在彈性性球體體上的的聲散散射水聲學(xué)學(xué)第5章聲聲波在在目標(biāo)標(biāo)上的的反射射和散散射615.6彈性物物體散散射聲聲場(chǎng)及及其特特性1、平面面波在在彈性性球體體上的的聲散散射遠(yuǎn)場(chǎng)條件下下回波表達(dá)達(dá)式為：彈性球體散射聲場(chǎng)比剛性球體復(fù)雜，與球體組成材料的彈性參數(shù)有關(guān)。

水聲學(xué)第5章聲波在在目標(biāo)上的的反射和散散射625.6彈性物體散散射聲場(chǎng)及及其特性1、平面波在在彈性球體體上的聲散散射上世紀(jì)60年代，Hickling引入形態(tài)函數(shù)來(lái)討論散射射聲場(chǎng)與頻頻率的關(guān)系系，彈性球球的形態(tài)函函數(shù)定義為為：散射聲場(chǎng)為為：水聲學(xué)第5章聲波在在目標(biāo)上的的反射和散散射635.6彈性物體散散射聲場(chǎng)及及其特性1、平面波在在彈性球體體上的聲散散射結(jié)論：彈性性球（鋼球球和鋁球））形態(tài)函數(shù)數(shù)隨頻率有有極大、極極小變化；；剛性球形形態(tài)函數(shù)在在低頻段起起伏振蕩，，隨著頻率率的增高，，逐漸趨于于1；聲學(xué)軟球球形態(tài)函數(shù)數(shù)在很低頻頻段大于1，隨著頻率率的增加很很快降至1。水聲學(xué)第5章聲波在在目標(biāo)上的的反射和散散射645.6彈性物體散散射聲場(chǎng)及及其特性1、平面波在在彈性球體體上的聲散散射具有明顯頻頻率特性（1）寬脈沖入入射信號(hào)散射強(qiáng)度隨隨頻率作極極大、極小小急劇變化化，回波波波形產(chǎn)生嚴(yán)嚴(yán)重畸變。。（2）窄脈沖入射射信號(hào)回波為一脈沖沖串，每個(gè)脈脈沖之間的間間隔基本相等等，脈沖幅度度逐漸衰減，，波形基本不不變。水聲學(xué)第5章聲波在目目標(biāo)上的反射射和散射655.6彈性物體散射射聲場(chǎng)及其特特性2、彈性物體散散射聲場(chǎng)一般般特征波形畸變解釋釋（1）回波來(lái)自物物體表面的散射波波、透入物體內(nèi)內(nèi)部經(jīng)內(nèi)表面反射、、透射到達(dá)的波，入入射波激勵(lì)下下的再輻射波；（2）長(zhǎng)脈沖時(shí)，，水聽(tīng)器可在在同一時(shí)刻接接收上述各種種波迭加而成成，它們經(jīng)由由不同途徑到到達(dá)接收點(diǎn)（（相位不同）），迭加結(jié)果果使得回波波波形產(chǎn)生嚴(yán)重重畸變；（3）短脈沖時(shí)，，上述各種波波不會(huì)在同一一時(shí)刻到達(dá)接接收點(diǎn)，所以以接收到的是是一個(gè)脈沖串串。由于各個(gè)個(gè)脈沖到達(dá)接接收點(diǎn)的時(shí)間間不同，它們們之間不會(huì)發(fā)發(fā)生干涉迭加加，不產(chǎn)生大大的畸變。水聲學(xué)第5章聲波在目目標(biāo)上的反射射和散射665.6彈性物體散射射聲場(chǎng)及其特特性2、彈性物體散散射聲場(chǎng)一般般特征以彈性球?yàn)槔f(shuō)明回波強(qiáng)度隨頻率急劇起伏的原因：設(shè)入射波頻譜為，則有：回波波可可表表示示為為水聲聲學(xué)學(xué)第5章聲聲波波在在目目標(biāo)標(biāo)上上的的反反射射和和散散射射675.6彈性性物物體體散散射射聲聲場(chǎng)場(chǎng)及及其其特特性性2、彈彈性性物物體體散散射射聲聲場(chǎng)場(chǎng)一一般般特特征征入射射波波為為長(zhǎng)長(zhǎng)脈脈沖沖，，其其頻頻譜譜較較窄窄，，所所以以頻頻率率稍稍許許變變化化時(shí)時(shí)，，和和相相對(duì)對(duì)位位置置可可能能發(fā)發(fā)生生很很大大的的變變化化，，它它們們乘乘積積也也相相應(yīng)應(yīng)有有較較大大變變化化，，導(dǎo)導(dǎo)致致回回波波強(qiáng)強(qiáng)度度隨隨頻頻率率急急劇劇變變化化；；入入射射波波為為短短脈脈沖沖，，其其頻頻譜譜較較寬寬，，所所以以頻頻率率稍稍許許變變化化時(shí)時(shí)，，和和相對(duì)對(duì)位位置置產(chǎn)產(chǎn)生生不不大大的變變化化，，它它們們乘乘積積也也相相應(yīng)應(yīng)有有不不大大變變化化，，回回波波強(qiáng)強(qiáng)度度不不會(huì)會(huì)隨隨頻頻率率稍稍許許變變化化產(chǎn)產(chǎn)生生急急劇劇變變化化。。水聲聲學(xué)學(xué)第5章聲聲波波在在目目標(biāo)標(biāo)上上的的反反射射和和散散射射685.6彈性性物物體體散散射射聲聲場(chǎng)場(chǎng)及及其其特特性性2、彈彈性性物物體體散散射射聲聲場(chǎng)場(chǎng)一一般般特特征征“非鏡鏡”反射射效效應(yīng)應(yīng)Finney在實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)室室中中發(fā)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)，，對(duì)對(duì)于于浸浸在在水水中中彈彈性性薄薄板板，，在在聲聲波波入入射射角角滿滿足足如如下下關(guān)關(guān)系系：在入入射射方方向向上上有有強(qiáng)強(qiáng)反反射射，，不不滿滿足足鏡鏡反反射射規(guī)規(guī)律律，，稱稱““非非鏡鏡反反射射””。。進(jìn)一一步步研研究究表表明明，，當(dāng)當(dāng)聲聲波波入入射射角角滿滿足足如如下下關(guān)關(guān)系系：：也同同樣樣發(fā)發(fā)生生非非鏡鏡反反射射。水中中聲聲速速板中中彎彎曲曲波波波波速速板中中縱縱波波波波速速水聲聲學(xué)學(xué)第5章聲聲波波在在目目標(biāo)標(biāo)上上的的反反射射和和散散射射695.6彈性性物物體體散散射射聲聲場(chǎng)場(chǎng)及及其其特特性性2、彈彈性性物物體體散散射射聲聲場(chǎng)場(chǎng)一一般般特特征征空間間指指向向性性彈性性物物體體散散射射聲聲場(chǎng)場(chǎng)具具有有空空間間指指向向性性特特性性水聲聲學(xué)學(xué)第5章聲聲波波在在目目標(biāo)標(biāo)上上的的反反射射和和散散射射705.6彈性性物物體體散散射射聲聲場(chǎng)場(chǎng)及及其其特特性性2、彈彈性性物物體體散散射射聲聲場(chǎng)場(chǎng)一一般般特特征征實(shí)際際聲聲吶吶目目標(biāo)標(biāo)的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)更更類類似似于于殼殼體體———如如潛潛艇艇、、水水雷雷、、魚(yú)魚(yú)雷雷等等。。聲吶目標(biāo)標(biāo)本身是是殼體或或填充某某種材料料的殼體體——回聲聲信號(hào)攜攜帶殼體體或填充充材料的的某些特特征。水聲學(xué)第5章聲波波在目標(biāo)標(biāo)上的反反射和散散射715.7殼體目標(biāo)標(biāo)上的回回聲信號(hào)號(hào)水聲學(xué)第5章聲波波在目標(biāo)標(biāo)上的反反射和散散射725.7殼體目標(biāo)標(biāo)上的回回聲信號(hào)號(hào)以彈性球球殼為例例討論殼殼體目標(biāo)標(biāo)回聲信信號(hào)—?dú)んw結(jié)構(gòu)構(gòu)復(fù)雜，，回聲信信號(hào)復(fù)雜雜，理論論計(jì)算分分析處理理復(fù)雜繁繁瑣。1、穩(wěn)態(tài)回回波信號(hào)號(hào)接收點(diǎn)R處回聲信信號(hào)：形態(tài)函數(shù)數(shù)是是殼體材材料的彈彈性參數(shù)數(shù)、密度度、球殼殼內(nèi)外半半徑、球球殼兩側(cè)側(cè)流體介介質(zhì)聲學(xué)學(xué)參數(shù)、、入射波波頻率函函數(shù)。水聲學(xué)第5章聲波波在目標(biāo)標(biāo)上的反反射和散散射735.7殼體目標(biāo)標(biāo)上的回回聲信號(hào)號(hào)（1）形態(tài)函函數(shù)隨ka變化對(duì)殼體目目標(biāo)，隨隨著ka值的變化化，有有劇烈烈的極大大、極小小變化，，且比實(shí)實(shí)心球更更為劇烈烈。充水鋼球球殼回聲聲信號(hào)的的形態(tài)函函數(shù)實(shí)心鋼球球回聲信信號(hào)的形形態(tài)函數(shù)數(shù)水聲學(xué)第5章聲波波在目標(biāo)標(biāo)上的反反射和散散射745.7殼體目標(biāo)標(biāo)上的回回聲信號(hào)號(hào)（2）形態(tài)函函數(shù)隨球球殼厚度度變化與殼體厚厚度有著著十分密密切的關(guān)關(guān)系；厚殼和薄薄殼具具有有一定相相似性，，但后者者變化比比前者劇劇烈；隨著殼厚厚的增加加，隨隨ka的變化逐逐漸趨于于實(shí)心球球體。充水鋼鋼球殼殼回聲聲信號(hào)號(hào)的形形態(tài)函函數(shù)水聲學(xué)學(xué)第5章聲聲波在在目標(biāo)標(biāo)上的的反射射和散散射755.7殼體目目標(biāo)上上的回回聲信信號(hào)（3）形態(tài)態(tài)函數(shù)數(shù)隨殼殼內(nèi)填填充物物變化化當(dāng)ka值大于于10以后，，隨隨ka值作比比較有有規(guī)則則變化化。內(nèi)真空空鋼球球殼回回聲信信號(hào)的的形態(tài)態(tài)函數(shù)數(shù)水聲學(xué)學(xué)第5章聲聲波在在目標(biāo)標(biāo)上的的反射射和散散射765.7殼體目目標(biāo)上上的回回聲信信號(hào)（4）殼體體目標(biāo)標(biāo)散射射聲場(chǎng)場(chǎng)的空空間指指向性性特性性對(duì)應(yīng)取取極極大值值和極極小值值的空空間指指向性性，更更為復(fù)復(fù)雜。內(nèi)真空空鋼球球殼散散射聲聲場(chǎng)的的空間間指向向性水聲學(xué)學(xué)第5章聲聲波在在目標(biāo)標(biāo)上的的反射射和散散射775.7殼體目目標(biāo)上上的回回聲信信號(hào)2、短脈脈沖入入射時(shí)時(shí)的回回聲信信號(hào)短脈沖沖入射射時(shí)充充水球球殼的的回聲聲脈沖沖：水聲學(xué)學(xué)第5章聲聲波在在目標(biāo)標(biāo)上的的反射射和散散射785.7殼體目目標(biāo)上上的回回聲信信號(hào)在短脈脈沖入入射時(shí)時(shí)，殼殼體目目標(biāo)回回波由由一串串脈沖沖構(gòu)成成；（1）第一一個(gè)回回波脈脈沖為為殼面面的鏡鏡反射射回波波；后后續(xù)回回波脈脈沖為為入射射波激激勵(lì)殼殼體固固有振振動(dòng)再再輻射射聲脈脈沖；；（2）短脈沖沖條件下下，輻射射脈沖各各自獨(dú)立立，隨著著脈寬逐逐漸變寬寬，輻射射脈沖連連成一片片。水聲學(xué)第5章聲波波在目標(biāo)標(biāo)上的反反射和散散射795.7殼體目標(biāo)標(biāo)上的回回聲信號(hào)號(hào)2、短脈沖沖入射時(shí)時(shí)的回聲聲信號(hào)脈沖寬度度大小對(duì)對(duì)回聲脈脈沖結(jié)構(gòu)構(gòu)有明顯顯影響；；（1）當(dāng)時(shí)時(shí)，，脈沖中中心頻率率稍有變變化，回回波脈沖沖結(jié)構(gòu)改改變不明明顯；（2）當(dāng)時(shí)時(shí)，，脈沖中中心頻率率細(xì)微變變化，回回波脈沖沖結(jié)構(gòu)改改變明顯顯。水聲學(xué)第5章聲波波在目標(biāo)標(biāo)上的反反射和散散射805.7殼體目標(biāo)標(biāo)上的回回聲信號(hào)號(hào)2、短脈沖沖入射時(shí)時(shí)的回聲聲信號(hào)理論求解解散射聲聲場(chǎng)——分離變量量法：——形狀規(guī)則則物體（（正交坐坐標(biāo)系））——邊界條件件簡(jiǎn)單（（硬或軟軟邊界））——嚴(yán)格解析析解。數(shù)值求解解散射聲聲場(chǎng)——數(shù)值方法法：——形狀不規(guī)規(guī)則物體體（正交交坐標(biāo)系系無(wú)法描描述）——分離變量量法不滿滿足——數(shù)值方法法計(jì)算量量大（尤尤其高頻頻）。高頻近似似計(jì)算方方法——赫姆霍茨茨積分方方法：——形狀規(guī)則則物體——硬或軟邊邊界——嚴(yán)格解析析解；——形狀不規(guī)規(guī)則物體體或邊界界條件復(fù)復(fù)雜——物理概念念清晰——數(shù)值解（（數(shù)值積積分方法法）。水聲學(xué)第5章聲波波在目標(biāo)標(biāo)上的反反射和散散射815.8Helmholtz積分方法法求解散散射聲場(chǎng)場(chǎng)1、Helmholtz積分解設(shè)物體位位于無(wú)限限流體介介質(zhì)中，，物體外外表面為為封閉凸凸曲面S，它外法法線方向向?yàn)閚；點(diǎn)源位位于點(diǎn)A，由赫姆姆霍茨積積分公式式得B點(diǎn)散射聲場(chǎng)場(chǎng)解：散射聲場(chǎng)場(chǎng)勢(shì)函數(shù)數(shù)水聲學(xué)第5章聲波波在目標(biāo)標(biāo)上的反反射和散散射825.8Helmholtz積分方法法求解散散射聲場(chǎng)場(chǎng)利用邊界界條件，，將被積積函數(shù)中中未知量量用已知知量表示示。（1）被被積函數(shù)數(shù)簡(jiǎn)化設(shè)物體表表面S是剛性性的，，則：：入射波波勢(shì)函函數(shù)：：水聲學(xué)學(xué)第5章聲聲波在在目標(biāo)標(biāo)上的的反射射和散散射835.8Helmholtz積分方方法求求解散散射聲聲場(chǎng)1、Helmholtz積分解解（1））被積積函數(shù)數(shù)簡(jiǎn)化化設(shè)觀察察點(diǎn)在在目標(biāo)標(biāo)遠(yuǎn)場(chǎng)場(chǎng)，考考慮遠(yuǎn)遠(yuǎn)場(chǎng)條條件，，得：：同理，，在條條件下下，，得：：水聲學(xué)學(xué)第5章聲聲波在在目標(biāo)標(biāo)上的的反射射和散散射845.8Helmholtz積分方方法求求解散散射聲聲場(chǎng)1、Helmholtz積分解解（1））被積積函數(shù)數(shù)簡(jiǎn)化化剛性物體表面面上散射聲場(chǎng)場(chǎng)等于入射聲聲場(chǎng)（精確近近似），有：：水聲學(xué)第5章聲波在目目標(biāo)上的反射射和散射855.8Helmholtz積分方法求解解散射聲場(chǎng)1、Helmholtz積分解（2）散射聲聲場(chǎng)的積分解解剛性物體散射射場(chǎng)的Helmholtz積分解：如果考慮反向向散射（收發(fā)發(fā)合置）：剛性物體散射聲場(chǎng)積分解。

水聲學(xué)第5章聲波在目目標(biāo)上的反射射和散射865.8Helmholtz積分方法求解解散射聲場(chǎng)1、Helmholtz積分解2、菲涅爾爾半波帶近近似赫姆霍茨積積分解：需需要知道物物體表面曲曲面方程，，運(yùn)算繁瑣瑣，計(jì)算量量大。費(fèi)涅爾半波波帶方法：：它是一種種近似，簡(jiǎn)簡(jiǎn)化運(yùn)算量量。赫姆霍茨積積分解物理理意義：物體表面上上各點(diǎn)在入入射聲波的的激勵(lì)下，，作為次級(jí)級(jí)聲源輻射射次級(jí)聲波波，它們?cè)谠诮邮拯c(diǎn)迭迭加成為散散射聲波，，次級(jí)聲波波的相位為為，，即聲聲波往返路路程。水聲學(xué)第5章聲波在在目標(biāo)上的的反射和散散射875.8Helmholtz積分方法求求解散射聲聲場(chǎng)菲涅爾半波波帶方法：：收發(fā)合置情情況，它位位于B點(diǎn)，設(shè)物體體表面距B點(diǎn)最近點(diǎn)為為C，距離為r0。以B點(diǎn)為球心，，以r0半徑，它與與物體相切切于點(diǎn)C，然后半徑徑每次增加加1/4波長(zhǎng)，將物物體表面分分割成N個(gè)環(huán)帶，稱稱為費(fèi)涅爾爾半波帶。。相鄰半波帶帶的散射波波在B點(diǎn)聲程差為為，，相位相相差。。水聲學(xué)第5章聲波在在目標(biāo)上的的反射和散散射885.8Helmholtz積分方法求求解散射聲聲場(chǎng)2、菲涅爾爾半波帶近近似第i菲涅爾半波波帶的散射射聲場(chǎng)為：：若物體表面面上共分為為N個(gè)波帶，則總總散射