水聲學(xué)原理第一章[共35頁]

1、1,第一章 緒論,第二講 聲納方程,2,本講主要內(nèi)容,主動聲納方程及其各參數(shù)的概念、物理意義（重、難點） ； 被動聲納方程及其各參數(shù)的概念、物理意義（重、難點） ； 組合聲納參數(shù)的物理意義（了解） ； 聲納方程的工程應(yīng)用及限制（重點）。,3,1.5 聲納及其工作方式,聲納（SonarSound Navigation and Ranging）：利用水下聲信息進行探測、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,發(fā)射陣,信號源,4,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，來實現(xiàn)水下目標(biāo)探

2、測。,被動聲納信息流程,接收陣,處理器,判決 顯示,目標(biāo),5,1.6 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)。,6,1、聲源級SL（Source Level）,聲源級SL：用來描述主動聲納所發(fā)射的聲信號的強弱（反應(yīng)發(fā)射器輻射聲功率的大?。?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，I0為參考聲強（均方根聲壓為1微帕的平面波對應(yīng)的聲強）。,7,解釋原因：可以提高輻射信號的強度，相應(yīng)也提高回聲信號強度，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

3、離，將發(fā)射器做成具有一定的發(fā)射指向性，如下圖所示。,8,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度； IND為無指向性發(fā)射器輻射的聲強度。 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。,9,已知聲功率時，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米處聲強度為：,1）無指向性聲源輻射聲功率與聲源級的關(guān)系：,10,2）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

4、百瓦幾千瓦，DIT為1030dB，SL約為210240dB。,11,2、傳播損失TL （Transmission Loss）,傳播損失TL定量描述聲波傳播一定距離后聲強度的衰減變化 定義：,式中，I1是離聲源聲中心1米處的聲強度；Ir 離聲源聲中心 r 米處的聲強度。,引起聲強衰減的原因： 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展 3）海水中各種不均勻體的散射,12,3、目標(biāo)強度TS（Target Strength）,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)

5、強度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)處入射聲波的強度；Ir離目標(biāo)聲中心1米處的回波強度。,13,4、海洋環(huán)境噪聲級NL（Noise Level）,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)境噪聲強弱的量 定義：,式中I0為參考聲強度,IN是測量帶寬內(nèi)（或1Hz頻帶內(nèi)）的噪聲強度。,Question：海洋內(nèi)部是安靜的嗎？,14,5、等效平面波混響級RL（Reverberation Level）,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

6、級RL： a)定量描述混響干擾的強弱 b)是利用平面波的聲級來度量混響場的強弱 c)定義：強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。,15,6、接收指向性指數(shù)DI（Directivity Index）,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?,16,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，則水聽器的靈敏度為：,例子：已知水聽器的靈敏度為-200dB/V，假設(shè)入射平面波

7、的聲壓級為80dB，問其輸出端的開路電壓為幾伏？,dB/V,17,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：,18,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。則接收指向性指數(shù)DI為：,19,參數(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，需用參數(shù)陣增益來代替DI。,Caution：,20,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。,21,7、檢測

8、閾DT（Detection Threshold）,聲納設(shè)備接收器接收聲納信號和背景噪聲，兩部分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，性能也好。,22,1.7 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、基本考慮 聲納方程的基本原則：

9、 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)部分背景噪聲才起干擾作用。,23,2、主動聲納方程,收發(fā)合置的主動聲納信號強度變化如下圖：,24,回聲信號級（信號級）：回聲到達接收陣的聲級 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）,25,主動聲納方程（噪聲背景）： （SL-2TL+TS）-（NL-DI）=DT Caution：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

10、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=DT Caution：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。,26,3、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）=DT 式中，SL為噪聲源輻射噪聲的聲源級。,27,1.8 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

11、-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；,28,1.8 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,29,1.9 聲納方程的應(yīng)用及其限制,1、聲納方程的應(yīng)用

12、（兩個基本用途） 聲納設(shè)備性能預(yù)報： 已知設(shè)備特點和若干參數(shù)，對其它聲納參數(shù)進行估計（例如估計最大傳播損失優(yōu)質(zhì)因數(shù)）； 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)合理選取和設(shè)備最佳設(shè)計（例如頻率的選取DI、TL）。,30,2、聲納方程的限制,聲納方程是用聲強度來描述的，而聲強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T 當(dāng)聲源發(fā)射聲信號是很短的脈沖信號，或者由于介質(zhì)的傳播效應(yīng)、目標(biāo)反射的物理效應(yīng)，接收到回聲信號波形會產(chǎn)生嚴(yán)重畸變，上式平均值會得到不確定的結(jié)果，上式不再適用。,31,作為一種常用的

13、近似，在時間T內(nèi)對聲波的能流密度E求平均而得聲強：,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。短脈沖信號聲納方程中（R.J. Urick）：,式中，E是離聲源單位距離處的聲能流密度； 是回聲脈沖寬度：,32,33,3、回聲級、噪聲掩蔽級和混響掩蔽級與距離的關(guān)系,主動聲納的背景干擾包括混響和噪聲，它們對聲納設(shè)備工作的影響不同，應(yīng)用聲納方程需要確定背景干擾類型。 （SL-2TL+TS）-（RL+DT）=0 （SL-2TL+TS）-（NL-DI+DT）=0,QUESTION：如何確定混響還是噪聲是聲納的主要干擾？,答：首先畫出回聲級、混響掩蔽級和噪聲掩蔽級隨距離 的變化曲線；,34,回聲級、噪聲掩蔽級和混響掩蔽級與距離的關(guān)系,35,1）回聲和混響都是隨距離而衰