水聲學原理--緒論1

1、2020/9/8,水聲學基礎序論,1,水聲學基礎 Fundamental of Underwater Acoustics,2020/9/8,水聲學基礎序論,2,水聲學基礎 Fundamental of Underwater Acoustics,課程編號：0320040 任課教師：申曉紅 聯(lián)系電話：88495836 E-mail: QQ：1121604675,2020/9/8,水聲學基礎序論,3,課程內容,序論 第一章 聲學基礎 第二章 海洋的聲學特性 第三章 海洋中的聲傳播 第四章 典型傳播條件下的聲場 第五章 聲波在目標上的反射和散射 第六章 海洋中的混響 第七章 水下噪聲,2020/9/8

2、,水聲學基礎序論,4,課程成績,平時到課：10 平時作業(yè)：20 考試成績：70 總 成 績：100,2020/9/8,水聲學基礎序論,5,教材及參考資料,參考書目：1 馬大猷 編 現(xiàn)代聲學理論基礎 科學出版社，2004 2 顧金海, 葉學千編. 水聲學基礎. 國防工業(yè)出版社, 1980 3 .J.尤立克著，洪申譯. 水聲學原理. 哈爾濱船舶工程學院出版社，1990,教材名稱：劉伯勝，雷家煜編. 水聲學原理. 哈爾濱工程大學出版社,1993,2020/9/8,水聲學基礎序論,6,課程特點,該課程與以往所學課程在課程內容與教學方法上均有不同，主要表現(xiàn)在： 注重數(shù)學建模； 在數(shù)理方程與特殊函數(shù)的基礎

3、上進行討論，理論上有難度； 注重試驗，在試驗的基礎上進行總結，得出普遍性的理論結果； 在教學過程中滲透科學研究的方法。,2020/9/8,水聲學基礎序論,7,序論,第一講主要研究內容 水聲學研究的意義 水聲學研究的對象 水聲學發(fā)展簡史 水聲的主要應用,2020/9/8,水聲學基礎序論,8,1. 水聲學研究的意義,世界地圖,2020/9/8,水聲學基礎序論,9,1. 水聲學研究的意義,中國版圖,2020/9/8,水聲學基礎序論,10,1. 水聲學研究的意義,海洋是人類生命的搖籃 生命的源泉，生命的起源，科學探索，深海生命現(xiàn)象 海洋是人類賴以生存的寶庫 海洋資源之多少？幾乎人類生存所需要的一切資源

4、，食品、能源、礦物、金屬、石油、天然氣. 探測？勘探方法？開采？ 海洋是人類生存和發(fā)展的主要空間 海洋環(huán)境的惡化加劇，海洋災害頻繁 如何認識海洋？海洋的勘探、調查、監(jiān)測手段是什么？,2020/9/8,水聲學基礎序論,11,1. 水聲學研究的意義,海洋是世界軍事爭斗的主要戰(zhàn)場 戰(zhàn)爭的演變，由陸到海，由海到陸，現(xiàn)在是以海為主。航母，巡航彈，精確制導武器等應用改變了戰(zhàn)爭的模式。海上軍事力量成為軍力的主要標志。 海上力量的戰(zhàn)斗力的基礎是生存能力，海上作戰(zhàn)的最有效的武器，經(jīng)過兩次世界大戰(zhàn)證明，一是潛艇，二是魚雷。尤其是現(xiàn)在的配備了核打擊力量的安靜型核動力潛艇、安靜型潛艇配備智能魚雷，成為水面艦艇和地面目

5、標的最主要的威脅。,2020/9/8,水聲學基礎序論,12,1. 水聲學研究的意義,潛艇依然是海戰(zhàn)的重要作戰(zhàn)平臺 世界上的潛艇按動力可區(qū)分為：常規(guī)潛艇和核潛艇；按作戰(zhàn)任務可區(qū)分為：戰(zhàn)略導彈潛艇和攻擊型潛艇 世界上擁有核潛艇的國家有5個，擁有各型核潛艇150余艘，其中，戰(zhàn)略導彈核潛艇近50艘，攻擊型核潛艇100余艘 還有近40個國家擁有不同類型的常規(guī)潛艇300余艘。 擁有常規(guī)潛艇數(shù)量最多的國家在我們亞洲（朝鮮擁有60艘）,2020/9/8,水聲學基礎序論,13,1. 水聲學研究的意義,二戰(zhàn)期間，潛艇共擊沉作戰(zhàn)艦艇381艘，其中戰(zhàn)列艦3艘，航空母艦17艘，巡洋艦32艘，驅逐艦122艘，還有其它作戰(zhàn)

6、艦艇207艘，擊沉各種運輸船5000余艘 二戰(zhàn)中各種艦艇共擊沉航空母艦38艘，僅潛艇就擊沉17艘 被潛艇擊沉的潛艇80艘 在第二次世界大戰(zhàn)中，德國“U-47”號潛艇于1939年10月潛入英國位于蘇格蘭北部的海軍基地，在港內擊沉了英國的排水量達33000多噸的大型戰(zhàn)列艦“皇家橡樹”號，創(chuàng)造了軍事史上的奇跡,2020/9/8,水聲學基礎序論,14,美國 美國是世界上潛艇技術領先、數(shù)量最多的國家，共擁有潛艇70余艘，全部為核動力潛艇，其中，戰(zhàn)略導彈核潛艇近20艘、攻擊型核潛艇50余艘,1. 水聲學研究的意義,美國最新核動力攻擊潛艇-海狼號,2020/9/8,水聲學基礎序論,15,美國 “俄亥俄”級戰(zhàn)

7、略導彈核潛艇是美國“三維一體”戰(zhàn)略核力量的中堅，該級艇是美國至今建造的噸位最大、性能最先進、攜帶導彈最多的戰(zhàn)略導彈核潛艇，水下排水量18750噸，下潛深度400米，水下航速25節(jié)，每艘有24 個導彈發(fā)射筒,1. 水聲學研究的意義,美國俄亥俄級核動力導彈潛艇,2020/9/8,水聲學基礎序論,16,俄羅斯 俄羅斯的彈道導彈核潛艇共發(fā)展了四代，分別為“臺風”級、DI、DII、DIV級，目前在役的有17艘，“臺風”級彈道導彈核潛艇是世界上排水量最大的核潛艇，其水下排水量26500噸，水下航速26節(jié)，可攜帶1620枚SS-N-23或SS-N-20型彈道核導彈，每枚可攜載10個分彈頭，射程可達90001

8、0000公里,1. 水聲學研究的意義,俄羅斯D級彈道導彈核潛艇,2020/9/8,水聲學基礎序論,17,英國 英國是世界上第三個擁有核武器的國家，英國的核力量全部為海基，目前擁有戰(zhàn)略導彈核潛艇4艘，每艘可攜帶16枚“三叉戟”彈道核導彈，每枚可攜載14枚分彈頭，射程達12000公里,1. 水聲學研究的意義,英國最新戰(zhàn)略核潛艇-警戒,2020/9/8,水聲學基礎序論,18,法國 法國海軍的戰(zhàn)略導彈核潛艇有三代，第一代“無畏”級、第二代“不屈”級、第三代“勝利”級。目前在役的有5艘，其中“勝利”級水下排水量14335噸、水下航速25節(jié)、下潛深度300米，可攜帶16枚M45型戰(zhàn)略核導彈，射程5300公

9、里,1. 水聲學研究的意義,法國?；肆α恐袌?凱旋號核潛艇,2020/9/8,水聲學基礎序論,19,中國 中國潛艇: 091型“漢”級攻擊核潛艇、 092型“夏”級彈道導彈核潛艇、 039型“宋”級潛艇,1. 水聲學研究的意義,中國 092型“夏” 級彈道導彈核潛艇,2020/9/8,水聲學基礎序論,20,1. 水聲學研究的意義,魚雷和水雷是目前水下作戰(zhàn)的主要兵器 魚雷多種多樣 制導方式：主動/被動聲自導、尾流自導、線導 投放方式：潛艇布放、艦艇布放、飛機布放、漁船布放 爆炸方式： 超高速：超空泡 水雷多種多樣 引爆引信：觸發(fā)引信、非觸發(fā)引信 布放方式： 主動攻擊水雷 水魚雷 魚水雷,202

10、0/9/8,水聲學基礎序論,21,2020/9/8,水聲學基礎序論,22,2020/9/8,水聲學基礎序論,23,2020/9/8,水聲學基礎序論,24,2020/9/8,水聲學基礎序論,25,2020/9/8,水聲學基礎序論,26,1. 水聲學研究的意義,水雷網(wǎng)絡,2020/9/8,水聲學基礎序論,27,1. 水聲學研究的意義,海軍的新型裝備 無人水下航行器（UUV）,美國海軍于2000年制定UUV發(fā)展規(guī)劃，并于2004年9月和2005年1月兩次修訂了UUV發(fā)展規(guī)劃。 2007年底發(fā)布了“無人系統(tǒng)路線圖2007-2032”,UUV在其中占重要地位。 美計劃于2020年前，水下作戰(zhàn)武器無人化達

11、到1/3。 有研究報告稱美海軍大力發(fā)展專門針對我常規(guī)柴油潛艇的UUV，以確保海洋霸權地位。,2020/9/8,水聲學基礎序論,28,1. 水聲學研究的意義,美國最新公布的UUV發(fā)展規(guī)劃中，確定了未來發(fā)展的四種UUV形式： 便攜式：直徑大約在7.6厘米23厘米之間，重量小于45kg，便攜式UUV可執(zhí)行的任務包括：特殊目的的情報監(jiān)視偵察(ISR)、可消耗的通信/導航網(wǎng)絡節(jié)點(CN3)、極淺水域反水雷、勘察與識別、滅雷以及爆炸物處置。 輕型：直徑324mm，執(zhí)行的任務包括：港口ISR、特殊目的海洋調查、移動式CN3、網(wǎng)絡攻擊和反水雷區(qū)域偵察。,重型：直徑533mm，執(zhí)行的任務包括：戰(zhàn)術ISR、海洋調

12、查、反水雷、秘密偵察以及作為誘餌。 大型 ：直徑超過910mm，排水量月10t，巨型UUV能夠執(zhí)行持續(xù)的ISR任務，適用于反潛戰(zhàn)、大范圍的海洋調查、水雷戰(zhàn)、特種作戰(zhàn)、爆炸物處置以及“時敏”打擊。,海軍的新型裝備 無人水下航行器（UUV）,2020/9/8,水聲學基礎序論,29,1. 水聲學研究的意義,UUV網(wǎng)絡,2020/9/8,水聲學基礎序論,30,1. 水聲學研究的意義,海軍的新型裝備 蛙人,2020/9/8,水聲學基礎序論,31,1. 水聲學研究的意義,水下作戰(zhàn)的主要手段 潛艇、魚雷、水雷、UUV、蛙人等 水下戰(zhàn)的主要內容 潛艇戰(zhàn)與反潛戰(zhàn) 魚雷攻擊與防護 水雷戰(zhàn)與反水雷 水下作戰(zhàn)保障 先

13、敵發(fā)現(xiàn) 精確定位 隱蔽導航與通信,2020/9/8,水聲學基礎序論,32,1. 水聲學研究的意義,先敵發(fā)現(xiàn) 隱身能力，有效地隱蔽自己而不被敵人發(fā)現(xiàn) 探測能力 精確定位 定自己的位置 定敵人的位置 隱蔽導航與通信 隱蔽性是主要的 已經(jīng)有很多進展,2020/9/8,水聲學基礎序論,33,1. 水聲學研究的意義,水下的探測、定位、導航和通信如何實現(xiàn)？如何在水下獲取信息？,2020/9/8,水聲學基礎序論,34,1. 水聲學研究的意義,陸地上的信息獲?。?光 聲 無線電 電磁波是最有效的信息載體 探測雷達 導航與定位GPS 通信有線、無線、衛(wèi)星通信,2020/9/8,水聲學基礎序論,35,1. 水聲學

14、研究的意義,聲波是唯一能在海洋中遠距離傳輸信息的信息載體 聲波的衰減 1分貝/公里，10kHz 頻率，（聲波的衰減與頻率的平方成正比），利用海洋中的波導效應，聲波可以傳播的更遠。 電磁波的衰減 4500分貝/公里（每米能量衰減百分之九十），所以海洋中是漆黑的，即使藍綠激光，能穿透的距離也只有百米量級，并且是水質清澈條件下。,2020/9/8,水聲學基礎序論,36,2. 水聲學的研究對象,它是水聲工程應用的理論依據(jù)，為工程設計提供合適參數(shù)。,它對水聲物理提出新的內容和要求，為其研究提供新的手段，并促進其發(fā)展。,水聲工程：,水聲物理：,水聲學,2020/9/8,水聲學基礎序論,37,2. 水聲學研

15、究的對象,水聲物理：從水聲場的物理特性分析出發(fā)，主要研究海水介質及其邊界（海底、海面）的聲學特性和聲波在海水介質中的傳播時所遵循的規(guī)律，及其對水聲設備工作的影響。,海洋環(huán)境聲特性 海水水體 海底與海面 水聲傳播 混響 噪聲 散射 起伏,2020/9/8,水聲學基礎序論,38,2. 水聲學研究的對象,水聲工程：包括水下聲系統(tǒng)和水聲技術兩方面 水下聲系統(tǒng) ：是水聲換能器及基陣，實現(xiàn)水下聲能與電能之間的轉換，研究內容主要為換能器材料、結構、制作及其輻射、接收特性等。 水聲換能器及基陣，周福洪編著 水聲技術：廣義聲波在水中完成某種職能的有關技術。 狹義水聲信號處理、顯示技術，主要研究聲 信號在水中傳播

16、時的特性和背景干擾 （噪聲和混響）的統(tǒng)計特性，在此基礎 上設計最佳時、頻、空處理方案，實現(xiàn)信 號檢測，完成目標參數(shù)估計和識別。 水聲信號處理基礎，錢秋珊、陸根源編,2020/9/8,水聲學基礎序論,39,2. 水聲學研究的對象,水聲換能器及基陣,水聲換能材料 水聲換能器設計原理與方法 水聲換能器工藝 聲基陣成陣技術 水聲換能器校準計量,2020/9/8,水聲學基礎序論,40,2. 水聲學研究的對象,時頻分析 自適應技術 檢測與估計 特征提取與識別 基陣信號處理波束形成技術 信號處理的軟硬件實現(xiàn)AD &DA技術，DSP技術,水聲信號處理,2020/9/8,水聲學基礎序論,41,2. 水聲學研究的

17、對象,例：當發(fā)現(xiàn)某海區(qū)內潛艇目標時，用飛機向該海區(qū)投放某魚雷。飛機可按設定的時間間隔每組投放若干枚，彈間水平距離400m，各枚魚雷可分別進行自導，對航速20節(jié)內的潛艇目標形成集群攻擊。魚雷的工作過程如圖所示，大約以20m/s的速度垂直下行。,設計魚雷探測裝置的聲基陣結構、發(fā)射信號的類型、頻率，并估計目標的方位、距離，以及探測的范圍。,2020/9/8,水聲學基礎序論,42,3.水聲學發(fā)展簡史,水聲學的早期研究可以追溯很遙遠，因為水聲學畢竟是聲學的一個重要分支 水聲學的誕生需要許多條件，一是需求，二是基礎。 水聲學發(fā)展史上的著名事件 海洋探測和海軍的需求是水聲學發(fā)展的兩大基本推動力,2020/9

18、/8,水聲學基礎序論,43,3.水聲學發(fā)展簡史,1490年，達.芬奇摘記中提出用長管聽遠處航船 1827年，瑞士物理學家D.Colladon和法國數(shù)學家C.Sturm合作，在日內瓦湖測量了水中的聲速。,2020/9/8,水聲學基礎序論,44,3.水聲學發(fā)展簡史,第一和第二次世界大戰(zhàn)期間 反潛，法國、英國和美國，主動聲納 郎之萬振子，夾心石英預應力換能器 磁致伸縮換能器 電子管振蕩器和放大器 壓電陶瓷 透聲橡膠 水聲物理研究，傳播，噪聲，混響的基本理論 潛艇攻擊，德國的被動聲納聽音系統(tǒng) 潛艇隱身技術，消聲瓦,2020/9/8,水聲學基礎序論,45,3.水聲學發(fā)展簡史,二戰(zhàn)以后的水聲技術與水聲學 傳感器技術 拖曳線列陣技術 水聲信號