水聲學(xué)原理講解

（優(yōu)選）水聲學(xué)原理第一章ppt講解2023/4/23現(xiàn)在是1頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期六第一章導(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(yùn)輸、軍事斗爭(zhēng)和獲取資源的場(chǎng)所。這就必須有觀測(cè)、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(chǎng)。

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(chǎng)：磁場(chǎng)、水壓場(chǎng)、尾流場(chǎng)、溫度場(chǎng)，也是可以檢測(cè)，但可檢測(cè)距離大致與源本身尺度同一量級(jí)，不能在水中遠(yuǎn)距離傳遞信息。2現(xiàn)在是2頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期六1.2、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(wàn)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。3現(xiàn)在是3頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期六1.3、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(hào)處理、水聲電子技術(shù)。水聲技術(shù)的成果突出反映在兩個(gè)方面1、聲吶性能的不斷提高：探測(cè)距離原來(lái)越遠(yuǎn)、對(duì)目標(biāo)的定位、跟蹤能力越來(lái)越強(qiáng)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。4現(xiàn)在是4頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期六1.4、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(hào)的沉沒(méi)，開始最初的聲納設(shè)計(jì)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(wàn)在換能器上的貢獻(xiàn)，并測(cè)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(duì)海洋聲傳播機(jī)理的認(rèn)識(shí)。（如“下午效應(yīng)”現(xiàn)象的解釋）二戰(zhàn)期間為了探測(cè)德國(guó)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(jì)算機(jī)和電子計(jì)算發(fā)展，水聲工程的應(yīng)用在軍用、民用領(lǐng)域更為廣泛。5現(xiàn)在是5頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期六

聲吶（聲納）-SONAR(SoundNavigationandRanging)

凡是利用水下聲信息進(jìn)行探測(cè)、識(shí)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(dòng)聲吶和被動(dòng)聲吶。

按安裝平臺(tái)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(dòng)綜合聲吶；被動(dòng)測(cè)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(jī)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(duì)抗器材：魚雷報(bào)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(cè)速儀、淺地層剖面儀等。1.5聲吶簡(jiǎn)介6現(xiàn)在是6頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期六主要聲吶圖片7現(xiàn)在是7頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期六德國(guó)ATLAS公司研制的拖曳線列陣英國(guó)、法國(guó)聯(lián)合研制的舷側(cè)陣聲吶TSM2253德國(guó)ATLAS公司研制的ASA92－25主動(dòng)拖曳線聲吶英國(guó)、法國(guó)聯(lián)合研制的投吊聲吶美國(guó)LockheedMartin公司研制的被動(dòng)測(cè)距聲吶PUFFS美國(guó)DTI公司研制的合成孔徑聲吶8現(xiàn)在是8頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期六1.6聲學(xué)量的度量、分貝和級(jí)聲學(xué)中采用分貝計(jì)量的原因：聲學(xué)量的變化大到六、七個(gè)數(shù)量級(jí)以上從竊竊私語(yǔ)到大型噴氣式飛機(jī)起飛的聲功率差十個(gè)數(shù)量級(jí)；人耳的聽閾在頻率1kHz時(shí)是20μPa（微帕），痛閾是20Pa，相差六個(gè)數(shù)量級(jí)；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(gè)數(shù)量級(jí)。人耳（儀器）的響應(yīng)近似與聲壓或聲強(qiáng)的對(duì)數(shù)成比例。

因此聲學(xué)中定義一個(gè)以對(duì)數(shù)為基礎(chǔ)的分貝單位，水聲也一直沿用。9現(xiàn)在是9頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期六1.6.1、定義和參考聲壓、聲強(qiáng)和聲功率用級(jí)和分貝（dB）來(lái)量度。他們是：參考值10現(xiàn)在是10頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期六1.6.2聲壓級(jí)等于聲強(qiáng)級(jí):注意參考值不同產(chǎn)生的聲級(jí)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(jí)為L(zhǎng)分貝的噪聲若無(wú)損耗地傳到水下將變成L＋26分貝的水噪聲。11現(xiàn)在是11頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期六

固體介質(zhì)中的結(jié)構(gòu)噪聲用振動(dòng)來(lái)描述，它的分貝定義實(shí)際上就是振動(dòng)量的分貝定義。加速度級(jí)速度級(jí)位移級(jí)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(jí)與振動(dòng)級(jí)的定義相同，但實(shí)際測(cè)量和評(píng)價(jià)方法有區(qū)別的。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)噪聲要反映連續(xù)彈性體的振動(dòng)特性，所以用一個(gè)點(diǎn)的振動(dòng)級(jí)是無(wú)法描述的。通常要用結(jié)構(gòu)的整個(gè)輻射面上大量測(cè)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)平均來(lái)描述。12現(xiàn)在是12頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期六1.6.3分貝表示的特點(diǎn)物理量的乘除運(yùn)算變成加減運(yùn)算。例如在聲學(xué)測(cè)量中，用靈敏度等于S

伏/μPa的水聽器接收，經(jīng)過(guò)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(jí):如果水聽器靈敏度、聲學(xué)測(cè)量放大器的放大倍數(shù)都用分貝表示，只要簡(jiǎn)單的加減運(yùn)算就可以求出聲壓級(jí)。13現(xiàn)在是13頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期六聲學(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現(xiàn)在是14頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期六用分貝表示后函數(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(jí)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(shí)聲級(jí)減小的分貝數(shù)得到聲強(qiáng)隨頻率衰減規(guī)律聲強(qiáng)隨距離衰減規(guī)律15現(xiàn)在是15頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期六1.6.4分貝的基本運(yùn)算相干疊加在討論分貝運(yùn)算法則前先要搞清楚聲場(chǎng)的疊加原則。因?yàn)槁晧簣?chǎng)是標(biāo)量場(chǎng)，具有可加性。但是，它又是一個(gè)波動(dòng)場(chǎng)，既有振幅又有相位。相干疊加：當(dāng)兩個(gè)以上的有規(guī)聲波疊加時(shí)要同時(shí)計(jì)及振幅和相位，若是同頻率的聲波疊加會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象。若是頻率相差不多的兩個(gè)聲波疊加會(huì)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(gè)以上的隨機(jī)噪聲疊加時(shí)，由于相位是隨機(jī)的，噪聲要按強(qiáng)度或能量疊加。因?yàn)橄辔坏碾S機(jī)性導(dǎo)致所有的交叉項(xiàng)，所以。相當(dāng)于按強(qiáng)度或能量疊加。有時(shí)候幾個(gè)噪聲之間有一定的相干性，但是相干性無(wú)法估計(jì)或測(cè)量，也采用能量疊加的原則處理。其結(jié)果是對(duì)相干疊加的一種平均。所以，能量疊加是噪聲場(chǎng)疊加的基本原則。因此也是分貝計(jì)算的指導(dǎo)原則。16現(xiàn)在是16頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期六1.6.4.1噪聲疊加特例:N個(gè)聲級(jí)相同的噪聲疊加，總聲級(jí)是單個(gè)噪聲聲級(jí)加分貝。當(dāng)N＝2即兩個(gè)聲級(jí)相同的噪聲疊加，總聲級(jí)增加分貝。當(dāng)聲級(jí)為的N個(gè)噪聲疊加時(shí)，按強(qiáng)度疊加得到總聲強(qiáng)和總聲級(jí)：17現(xiàn)在是17頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期六1.6.4.2噪聲相減（背景噪聲的扣除）在實(shí)際工作中有時(shí)需要從總的噪聲中減去某個(gè)噪聲成分，例如在噪聲測(cè)量中扣除已知的背景干擾。假設(shè)總噪聲級(jí)是，背景干擾級(jí)是，扣除后的噪聲級(jí)是：圖給出修正量與聲級(jí)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(jí)低3dB。若背景干擾比總聲級(jí)低10dB以上就可以不修正。

18現(xiàn)在是18頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期六1.6.4.3多個(gè)噪聲級(jí)的平均對(duì)噪聲級(jí)進(jìn)行多次測(cè)量需要計(jì)算其平均值。設(shè)N次測(cè)量的噪聲級(jí)分別是，應(yīng)根據(jù)聲強(qiáng)的算術(shù)平均值計(jì)算平均噪聲級(jí):若各次測(cè)量的噪聲級(jí)的差值小于3dB，則可以直接取噪聲級(jí)的算術(shù)平均值代替上式，得到：其誤差不超過(guò)0.5dB；若各次測(cè)量的噪聲級(jí)的差值小于5dB，誤差不超過(guò)0.7dB。19現(xiàn)在是19頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期六1.6.4.5降噪量的計(jì)算

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

例：已知總噪聲級(jí)由N個(gè)聲級(jí)分別是的噪聲疊加而成。當(dāng)這N個(gè)噪聲分別降低分貝后，總聲級(jí)降低為:總降噪量是:20現(xiàn)在是20頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期六1.7頻譜和頻譜級(jí)水聲信號(hào)、特別是噪聲信號(hào)常常包含有多種頻率成分，能量分布在一個(gè)頻帶寬度內(nèi)。定義單位頻帶寬度1Hz內(nèi)的聲強(qiáng)度為聲強(qiáng)譜密度，用函數(shù)表示。譜密度的分貝表示稱為譜密度級(jí)。將譜密度函數(shù)在整個(gè)頻帶內(nèi)積分就等于總強(qiáng)度：在頻率f附近帶寬內(nèi)的聲強(qiáng)是：用分貝表示：稱為頻帶級(jí)，頻帶級(jí)等于譜密度級(jí)加。上面的分貝計(jì)算法則同樣適用于頻帶級(jí)和譜密度級(jí)的計(jì)算。潛艇輻射噪聲21現(xiàn)在是21頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期六用聲壓表示時(shí)：參考值應(yīng)該理解為：

在聲學(xué)測(cè)量中用到兩種濾波器：恒定帶寬濾波器：低頻時(shí)分析太粗，高頻分析太細(xì)，無(wú)法兼顧。恒定百分比或Q濾波器：用的多，人耳聽覺(jué)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現(xiàn)在是22頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期六設(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(duì)于1/3oct來(lái)講，是在間隔為1倍頻程的兩個(gè)頻率之間再插入兩個(gè)頻率，使這4個(gè)頻率之間依次相距1/3倍頻程，即這4個(gè)頻率值按比例為：，近似為。ISO規(guī)定1~10Hz之間劃分10個(gè)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(gè)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(gè)1/3倍頻程頻段為一個(gè)1/1倍頻程頻段。23現(xiàn)在是23頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期六1.8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?。╢athom）,1?。?碼＝6英尺＝1.83米速度單位：節(jié)（kont），1節(jié)＝1海里/小時(shí)＝0.5米/秒24現(xiàn)在是24頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期六1.9聲吶方程水聲探測(cè)技術(shù)包括主動(dòng)方式和被動(dòng)方式。相應(yīng)的聲吶也分為主動(dòng)聲吶和被動(dòng)聲吶。主動(dòng)聲吶：由探測(cè)設(shè)備主動(dòng)的發(fā)射聲波，通過(guò)接收、分析目標(biāo)回波實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)、定位和識(shí)別。

特點(diǎn)：定位和測(cè)距精度高，容易暴露自己，非隱蔽探測(cè)，今年來(lái)又逐漸重要。被動(dòng)聲吶：由探測(cè)設(shè)備被動(dòng)的接收、分析目標(biāo)發(fā)出的噪聲對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)、定位和識(shí)別。特點(diǎn)：定位和測(cè)距精度不如主動(dòng)聲吶高，是隱蔽探測(cè)，是目前主要探測(cè)方式，被動(dòng)聲吶包括：水雷引信、魚雷自導(dǎo)、艦艇被動(dòng)聲吶、拖曳線列陣、海岸預(yù)警系統(tǒng)。檢測(cè)閾(DT)指向性指數(shù)(DT)噪聲級(jí)(NL)傳播損失(TL)聲源級(jí)(SL)檢測(cè)閾(DT)指向性指數(shù)(DI)聲源聲源級(jí)(DT)噪聲級(jí)(NL)傳播損失(TL)傳播損失(TL)目標(biāo)強(qiáng)度(TS)噪聲級(jí)(NL)被動(dòng)聲吶主動(dòng)聲吶25現(xiàn)在是25頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期六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(gè)關(guān)系式。它是聲吶系統(tǒng)工作時(shí)必須服從的一個(gè)關(guān)系式。應(yīng)用這個(gè)關(guān)系式可以對(duì)聲吶系統(tǒng)的工作特性作出估計(jì)和預(yù)報(bào)，是聲吶設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。無(wú)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(cè)閾是接收、處理設(shè)備對(duì)信號(hào)作出判決的一個(gè)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(cè)概率和虛驚概率來(lái)表示。3、接收、處理設(shè)備的能力。26現(xiàn)在是26頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期六1.9.1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(jí)SL：、自噪聲級(jí)NL、空間增益GS（或DI）、時(shí)間增益GT、檢測(cè)閾DT；取決與被探測(cè)目標(biāo)的參數(shù)，包括：輻射聲源級(jí)SL、目標(biāo)強(qiáng)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(jí)NL、等效平面波混響級(jí)RL其中兩對(duì)參數(shù)用了相同的符號(hào)(SL與NL)，因?yàn)樗鼈儽举|(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。27現(xiàn)在是27頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期六1.9.2聲源級(jí)SL聲源級(jí)SL用來(lái)描述主動(dòng)聲吶所發(fā)射的聲信號(hào)強(qiáng)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(qiáng)，I0是參考聲強(qiáng)，約為:。為了有效地提高主動(dòng)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。28現(xiàn)在是28頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期六1.9.3發(fā)射指向性指數(shù)DIT定義為：設(shè)有兩個(gè)發(fā)射相同聲功率的發(fā)射器，一個(gè)具有發(fā)射指向性，另一個(gè)無(wú)發(fā)射指向性，又設(shè)在它們各自的輻射聲場(chǎng)的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量聲強(qiáng)，測(cè)量距離相同，測(cè)得無(wú)指向性發(fā)射器輻射聲強(qiáng)度為IND。在指向性發(fā)射器聲軸上測(cè)得的聲強(qiáng)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(shí)際上就是在相同的距離上，指向性發(fā)射器聲軸上的聲級(jí)高出無(wú)指向性發(fā)射器輻射聲場(chǎng)聲級(jí)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(dòng)聲吶的發(fā)射器，都在造價(jià)、工程實(shí)施等允許的條件下，盡可能地提高發(fā)射指向性指數(shù)。29現(xiàn)在是29頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期六發(fā)射器的聲源級(jí)反應(yīng)了發(fā)射器輻射聲功率的大小，它們之間有著簡(jiǎn)單的函數(shù)關(guān)系。設(shè)在無(wú)吸收的介質(zhì)中有一個(gè)輻射聲功率為Pa(w)的點(diǎn)聲源，根據(jù)聲學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)可知，距此聲源聲中心單位距離處的聲強(qiáng)度為：注意到：，可以得到發(fā)射聲源級(jí)SL：對(duì)于一個(gè)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(jí)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(jí)范圍約為210dB到240dB。30現(xiàn)在是30頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期六1.9.4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(guò)程中波陣面的擴(kuò)展及海水中各種不均勻性的散射等原因，聲波在傳播過(guò)程中，聲傳播方向上的聲強(qiáng)度將會(huì)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(qiáng)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(qiáng)度；Ir是距離聲源r處的聲強(qiáng)度。上式定義的傳播損失TL值總為正值。31現(xiàn)在是31頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期六1.9.5目標(biāo)強(qiáng)度TS

對(duì)于主動(dòng)聲吶而言，它是利用目標(biāo)回波來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的。由聲學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)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(shuō)，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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度。目標(biāo)強(qiáng)度是目前我們這個(gè)研究小組的主要研究方向。32現(xiàn)在是32頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期六1.9.6海洋環(huán)境噪聲級(jí)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(duì)聲納設(shè)備的工作無(wú)疑是一種干擾。環(huán)境噪聲級(jí)NL就是用來(lái)度量環(huán)境噪聲強(qiáng)弱的一個(gè)量，它定義為：式中，IN是測(cè)量帶寬內(nèi)（或lHz頻帶內(nèi))的噪聲強(qiáng)度。I0是參考聲強(qiáng)。33現(xiàn)在是33頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期六1.9.7等效平面波混響級(jí)RL對(duì)于主動(dòng)聲納來(lái)說(shuō)，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(qiáng)弱，我們引入聲納參數(shù)等效平面波混響級(jí)NL。設(shè)有強(qiáng)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(chǎng)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(gè)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(jí)來(lái)度量混響場(chǎng)的強(qiáng)弱，稱為等效平面波混響級(jí)RL。

具體的計(jì)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(chǎng)34現(xiàn)在是34頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期六1.9.8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(gè)水聽器．一個(gè)無(wú)指向性，另一個(gè)有指向性，且指向性水聽器的軸向靈敏度等于無(wú)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(chǎng)中，此時(shí)無(wú)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)35現(xiàn)在是35頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期六1.9.9檢測(cè)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(hào)，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(hào)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(shí)，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(cè)閡，它定義為：

由檢測(cè)閾定義可知，對(duì)于完成同樣職能的聲吶來(lái)說(shuō)，檢測(cè)閾值較低的設(shè)備，其處理能力較強(qiáng)，其性能也較好。36現(xiàn)在是36頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期六1.9.10時(shí)間增益GT聲吶信號(hào)處理中要完成一系列的過(guò)程，這中間時(shí)間積累是不可缺少的，因?yàn)殡S機(jī)信號(hào)的起伏特征只有依靠時(shí)間積累才能去除。時(shí)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(duì)于被動(dòng)聲吶和主動(dòng)聲吶的最佳檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其時(shí)間增益GT為：被動(dòng)聲吶最佳檢測(cè)系統(tǒng)：是噪聲相關(guān)特性的一個(gè)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(dòng)聲吶最佳檢測(cè)（匹配濾波）系統(tǒng)：信號(hào)脈寬或是輸入信號(hào)帶寬信號(hào)帶寬對(duì)于方波調(diào)制的單頻信號(hào)2WT＝1于是GT=0dB37現(xiàn)在是37頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期六1.9.10主動(dòng)聲吶方程檢測(cè)閾(DT)指向性指數(shù)(DI)聲源聲源級(jí)(SL)噪聲級(jí)(NL)傳播損失(TL)傳播損失(TL)目標(biāo)強(qiáng)度(TS)噪聲級(jí)(NL)對(duì)于主動(dòng)聲吶，回聲信號(hào)級(jí)是自身發(fā)射的信號(hào)傳播到目標(biāo)并經(jīng)過(guò)目標(biāo)反射回到聲吶接收端的值，表示為SL-2TL-TS。主動(dòng)聲吶的干擾在多數(shù)情況下是混響級(jí)RL，當(dāng)探測(cè)距離較遠(yuǎn)時(shí)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(hào)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(shí)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(dòng)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：38現(xiàn)在是38頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期六值得注意的是：1、上述的主動(dòng)聲吶方程適用于收發(fā)合置的聲吶，對(duì)于收發(fā)分置的多基地聲吶，信號(hào)的傳播損失一般是不同的，不能用簡(jiǎn)單的2TL表示往返的傳播損失。2、主動(dòng)聲吶要經(jīng)受雙層傳播損失，這時(shí)主動(dòng)聲吶探測(cè)距離受到限制的重要原因。3、以上給出的主動(dòng)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(shí)間處理得到發(fā)展，我們考慮了基陣的空間增益GS和時(shí)間增益GT。一般來(lái)說(shuō)，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現(xiàn)在是39頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期六1.9.11被動(dòng)聲吶方程對(duì)于被動(dòng)聲吶信號(hào)級(jí)是目標(biāo)輻射噪聲經(jīng)過(guò)信道傳輸后到達(dá)聲吶基陣的值，可以表示為SL-TL。干擾級(jí)是聲吶平臺(tái)自噪聲和海洋環(huán)境噪聲級(jí)NL。因此單水聽器接收到的信號(hào)為：SL-TL-NL，信噪比為：(SNR)in=SL-TL-NL經(jīng)過(guò)聲吶基陣信號(hào)處理，獲得空間增益GS（DI）和時(shí)間增益GT，得到輸出信噪比：(SNR)out=SL-TL-NL＋GS＋GT被動(dòng)聲吶方程：SL-TL-NL＋GS＋GT＝DT檢測(cè)閾(DT)指向性指數(shù)(DI)噪聲級(jí)(NL)傳播損失(TL)聲源級(jí)(SL)被動(dòng)聲吶方程優(yōu)質(zhì)因素：FOM＝SL-NL＋GS＋GT－DT40現(xiàn)在是40頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期六1.9.12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(jí)為115分貝，對(duì)一個(gè)目標(biāo)強(qiáng)度為15分貝，并位于足夠遠(yuǎn)的目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，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(jí)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(cè)閾才能可靠探測(cè)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(cè)目標(biāo)：使用下列主動(dòng)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(shí)才可能可靠檢測(cè)到目標(biāo)。41現(xiàn)在是41頁(yè)\一共有46頁(yè)\編輯于星期六例二：設(shè)一被動(dòng)探潛聲吶，目標(biāo)潛艇以60分貝的發(fā)射聲源級(jí)發(fā)射500Hz的線譜，另一觀察艇相距r處，用無(wú)指向性水聽器作被動(dòng)測(cè)聽，設(shè)備的檢測(cè)閾為8分貝。觀察艇在500Hz的噪聲級(jí)為-34分貝，求在距離r上有多大傳播衰減時(shí)才能可靠測(cè)聽？設(shè)該設(shè)備作為被動(dòng)測(cè)聽，所用聲吶方程為被動(dòng)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(cè)聽。42現(xiàn)在是42頁(yè)\一共有46頁(yè)