水聲學(xué)第一章 緒論

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第一章緒論上半部水聲學(xué)的根本內(nèi)涵水聲學(xué)的開展簡史水聲學(xué)的主要研究內(nèi)容水聲的主要應(yīng)用本課程的主要內(nèi)容1、水聲學(xué)的根本內(nèi)涵1.1水聲學(xué)的定義水聲學(xué)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(biāo)探測和信息傳輸過程有關(guān)的各種聲學(xué)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(xué)根本內(nèi)涵磁場：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：聲波是目前唯一的水下遠(yuǎn)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(xué)開展簡史2.1水聲學(xué)開展歷史水聲學(xué)起源1490年，達(dá).芬奇摘記中提出用長管聽遠(yuǎn)處航船水聲學(xué)第一次定量測量1827年，瑞士物理學(xué)家D.Colladon和法國數(shù)學(xué)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(yīng)。1880年，皮埃爾.居里發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)。壓電陶瓷--PZT〔鋯鈦酸鋁〕2.1水聲學(xué)開展歷史壓電效應(yīng)1912年，英國人AlexanderBelm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(xué)開展歷史ThefirstworkingsonarsystemwasdesignedandbuiltintheUnitedStatesbyCanadianReginaldFessenden

in1914.TheFessendensonarwasanelectromagneticmoving-coiloscillatorthatemittedalow-frequencynoiseandthenswitchedtoareceivertolistenforechoes.Itwasabletodetectanicebergunderwaterfrom2milesaway,althoughwiththelowfrequency,itcouldnotpreciselyresolveitsdirection.2.1水聲學(xué)開展歷史Powerfulhighfrequencyultrasonicecho-soundingdevicewasdevelopedbyemminentFrenchphysicistPaulLangévin

andRussianscientistConstantinChilowsky.Theycalledtheirdevicethe'hydrophone'.Thetransducerofthehydrophoneconsistedofamosaicofthinquartzcrystalsgluedbetweentwosteelplateswitharesonantfrequencyof150KHz.Between1915and1918thehydrophonewasfurtherimprovedinclassifiedresearchactivitiesandwasdeployedextensivelyinthesurveillanceofGermanU-boatsandsubmarines.ThefirstknownsinkingofasubmarinedetectedbyhydrophoneoccurredintheAtlanticduringWorldWarIinApril,1916.2.1水聲學(xué)開展歷史2.1水聲學(xué)開展歷史2.1水聲學(xué)開展歷史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(xué)開展歷史3、水聲學(xué)主要研究對象水聲學(xué)的主要研究內(nèi)容水聲學(xué)水聲物理水聲工程水聲系統(tǒng)水聲物理海洋環(huán)境聲特性海水〔聲學(xué)特性〕海底與海面〔聲學(xué)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系統(tǒng)英國國家物理實驗室耦合腔校準(zhǔn)系統(tǒng)中頻校準(zhǔn)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(xué)的主要應(yīng)用軍事領(lǐng)域水雷引信聲制導(dǎo)魚雷探雷聲納小目標(biāo)定位聲納通信聲納航空吊放聲納〔浮標(biāo)聲納〕拖曳聲納拖曳線列陣聲納水聲導(dǎo)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。VariableDepthSonarTowedfromship.Buoyancy,scopeandshipspeeddeterminedepth.SLincreasedwithdepth.(Quenchinglimit)Operatebelowsoniclayerdepth.VDSDeployingVDS(Canada)MineHuntingVDS水中目標(biāo)探測S-3SONOBUOYSDippingSonarAirborneanddippedintotheocean.水中目標(biāo)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(biāo)應(yīng)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觀察點A觀察點B聲源運動方向多普勒效應(yīng)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(dǎo)航水聲定位導(dǎo)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)的根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(yù)測所需要的根本參數(shù)，建立根本的物理概念，明確水聲學(xué)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(xì)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(rèn)真考慮的因素，也是水聲學(xué)主要的研究內(nèi)容。聲納及聲納方程海洋的聲學(xué)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(biāo)上的反射和散射海洋中的混響水下噪聲水聲學(xué)的學(xué)習(xí)方法一點建議與海洋學(xué)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(yīng)用及限制〔了解〕1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)。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(biāo)發(fā)射機(jī)發(fā)射陣信號源干端濕端被動聲納通過接收被探測目標(biāo)〔聲源局部〕如魚雷、潛艇等的輻射噪聲，來實現(xiàn)水下目標(biāo)探測。被動聲納信息流程接收陣處理器判決顯示目標(biāo)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根本組成：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)。2.1聲源級SL〔SourceLevel〕聲源級SL：用來描述主動聲納所發(fā)射的聲信號的強(qiáng)弱〔反響發(fā)射器輻射聲功率的大小〕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(qiáng)，I0為參考聲強(qiáng)〔均方根聲壓為1微帕的平面波對應(yīng)的聲強(qiáng)〕。解釋原因：可以提高輻射信號的強(qiáng)度，相應(yīng)也提高回聲信號強(qiáng)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，如以下圖所示。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(qiáng)度；IND為無指向性發(fā)射器輻射的聲強(qiáng)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。

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(qiáng)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10~30dB，SL約為210~240dB。2.2傳播損失TL〔TransmissionLoss〕傳播損失TL定量描述聲波傳播一定距離后聲強(qiáng)度的衰減變化定義：式中，I1是離聲源聲中心1米處的聲強(qiáng)度；Ir離聲源聲中心r

米處的聲強(qiáng)度。

引起聲強(qiáng)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(kuò)展3〕海水中各種不均勻體的散射2.3目標(biāo)強(qiáng)度TS〔TargetStrength〕目標(biāo)反射本領(lǐng)有差異：在同樣入射聲波的照射下，不同目標(biāo)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(biāo)的特性〔幾何形狀、材料等〕有關(guān)。目標(biāo)強(qiáng)度TS定量描述目標(biāo)反射本領(lǐng)的大小定義：式中，Ii是目標(biāo)處入射聲波的強(qiáng)度；Ir離目標(biāo)聲中心1米處的回波強(qiáng)度。2.4海洋環(huán)境噪聲級NL〔NoiseLevel〕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(qiáng)弱的量定義：式中I0為參考聲強(qiáng)度,IN是測量帶寬內(nèi)〔或1Hz頻帶內(nèi)〕的噪聲強(qiáng)度。Question：海洋內(nèi)部是安靜的嗎？2.5等效平面波混響級RL

〔ReverberationLevel〕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(qiáng)弱b)是利用平面波的聲級來度量混響場的強(qiáng)弱c)定義：強(qiáng)度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，那么該平面波聲級就是混響級。2.6接收指向性指數(shù)DI

〔DirectivityIndex〕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，那么水聽器的靈敏度為：例子：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。那么接收指向性指數(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

〔DetectionThreshold〕聲納設(shè)備接收器接收聲納信號和背景噪聲，兩局部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(qiáng)，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(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。它將海水介質(zhì)、聲納目標(biāo)和聲納設(shè)備的作用聯(lián)系在一起。1、根本考慮聲納方程的根本原那么：信號級—背景干擾級=檢測閾〔剛好完成預(yù)定職能〕背景干擾級的含義：設(shè)備工作帶寬內(nèi)局部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(qiáng)度變化如以下圖：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：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(biāo)，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〕=DTCaution：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=DTCaution：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(biāo)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〕=DTSL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?；芈曅盘柤墸篠L-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(dāng)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(yīng)用及其限制B.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