水聲學(xué)第一章 緒論

?水聲學(xué)?

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(jiǎn)史水聲學(xué)的主要研究?jī)?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(cè)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(chǎng)：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(shí)驗(yàn)-低頻聲源ATOC實(shí)驗(yàn)-聲波傳播路徑2、水聲學(xué)開展簡(jiǎn)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(zhǎng)管聽遠(yuǎn)處航船水聲學(xué)第一次定量測(cè)量1827年，瑞士物理學(xué)家D.Colladon和法國(guó)數(shù)學(xué)家C.Sturm合作，在日內(nèi)瓦湖測(cè)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(guó)人AlexanderBelm描述了回聲定位設(shè)備。1912年，英國(guó)人L.F.Richardon提出了回聲定位方案〔英國(guó)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(cè)量2.1水聲學(xué)開展歷史3、水聲學(xué)主要研究對(duì)象水聲學(xué)的主要研究?jī)?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(duì)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(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)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(yàn)場(chǎng)及其安裝設(shè)備和測(cè)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(cè)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(cè)S-3SONOBUOYSDippingSonarAirborneanddippedintotheocean.水中目標(biāo)探測(cè)測(cè)深單波束測(cè)深儀多波束測(cè)深儀旁視聲納側(cè)掃聲納綜合孔徑測(cè)深儀測(cè)速多普勒測(cè)速儀〔海流計(jì)〕相關(guān)測(cè)速儀〔海流計(jì)〕民用領(lǐng)域魚探儀助漁設(shè)備〔誘魚、計(jì)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(cè)聲控海洋監(jiān)測(cè)海底特性探測(cè)海底特性探測(cè)海底特性探測(cè)海底特性探測(cè)洋流和海水溫度探測(cè)觀察點(diǎn)A觀察點(diǎn)B聲源運(yùn)動(dòng)方向多普勒效應(yīng)洋流和海水溫度探測(cè)魚群探測(cè)、跟蹤和識(shí)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(jì)、性能預(yù)測(cè)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?jī)?nèi)容與聲納系統(tǒng)的關(guān)系。與換能器和信號(hào)處理有關(guān)的內(nèi)容由于有單獨(dú)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(jì)必須認(rèn)真考慮的因素，也是水聲學(xué)主要的研究?jī)?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(chǎng)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(diǎn)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(shí)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(diǎn)〕聲納方程〔重點(diǎn)〕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(cè)、識(shí)別、定位、導(dǎo)航和通訊的系統(tǒng)。按照工作方式分類：主動(dòng)聲納和被動(dòng)聲納主動(dòng)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(hào)源干端濕端被動(dòng)聲納通過接收被探測(cè)目標(biāo)〔聲源局部〕如魚雷、潛艇等的輻射噪聲，來(lái)實(shí)現(xiàn)水下目標(biāo)探測(cè)。被動(dòng)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(dòng)聲納工作信息流程的根本組成：聲信號(hào)傳播介質(zhì)〔海水〕被探測(cè)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(jí)SL〔SourceLevel〕聲源級(jí)SL：用來(lái)描述主動(dòng)聲納所發(fā)射的聲信號(hào)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(duì)應(yīng)的聲強(qiáng)〕。解釋原因：可以提高輻射信號(hào)的強(qiáng)度，相應(yīng)也提高回聲信號(hào)強(qiáng)度，增加接收信號(hào)的信噪比，從而增加聲納的作用距離。為了提高主動(dòng)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(cè)得的聲強(qiáng)度；IND為無(wú)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(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(shí)，如何計(jì)算SL？聲源級(jí)與聲功率的關(guān)系：假設(shè)介質(zhì)無(wú)聲吸收，聲源為點(diǎn)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(wú)指向性聲源輻射聲功率與聲源級(jí)的關(guān)系：2〕指向性聲源輻射聲功率與聲源級(jí)的關(guān)系：常識(shí)：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(jí)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(jí)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(cè)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(jí)RL

〔ReverberationLevel〕主動(dòng)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(jí)RL：a)定量描述混響干擾的強(qiáng)弱b)是利用平面波的聲級(jí)來(lái)度量混響場(chǎng)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(chǎng)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(jí)就是混響級(jí)。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(wú)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(jí)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(chǎng)為各向同性的，單位立體角內(nèi)的噪聲功率為Ii，無(wú)指向性水聽器產(chǎn)生的均方電壓為：無(wú)指向性水聽器產(chǎn)生的均方電壓：在同一噪聲場(chǎng)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(duì)各向同性噪聲場(chǎng)中的平面波信號(hào)〔是完全相關(guān)信號(hào)〕有意義；具有其它方向特性的信號(hào)和噪聲場(chǎng)，需用陣增益來(lái)代替DI。Caution：對(duì)于幾何形狀簡(jiǎn)單的換能器陣，可用陣尺寸來(lái)表示它的DI值。2.7檢測(cè)閾DT

〔DetectionThreshold〕聲納設(shè)備接收器接收聲納信號(hào)和背景噪聲，兩局部的比值即接收帶寬內(nèi)的信號(hào)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(cè)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(shí)：對(duì)于同種職能的聲納設(shè)備，檢測(cè)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(duì)聲納設(shè)備的設(shè)計(jì)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(hào)級(jí)—背景干擾級(jí)=檢測(cè)閾〔剛好完成預(yù)定職能〕背景干擾級(jí)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(dòng)聲納方程收發(fā)合置的主動(dòng)聲納信號(hào)強(qiáng)度變化如以下圖：回聲信號(hào)級(jí)〔信號(hào)級(jí)〕：回聲到達(dá)接收陣的聲級(jí)SL-2TL+TS背景干擾級(jí)：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(hào)不會(huì)被接收指向性指數(shù)壓低。處理器處的電信號(hào)的信噪比：〔SL-2TL+TS〕-〔NL-DI〕主動(dòng)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(duì)于收發(fā)分置聲納，往返傳播損失不能簡(jiǎn)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(dòng)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(duì)于收發(fā)分置聲納，往返傳播損失不能簡(jiǎn)單用2TL表示；適用于背景干擾為混響的情況。3.2被動(dòng)聲納方程與主動(dòng)聲納相比，被動(dòng)聲納特點(diǎn)：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(wú)TS；背景干擾為環(huán)境噪聲。被動(dòng)聲納方程：SL-TL-〔NL-DI〕=DTSL為噪聲源輻射噪聲的聲源級(jí)。4組合聲納參數(shù)組合聲納參數(shù)：幾個(gè)聲納參數(shù)的組合量，它具有明確的物理含義。回聲信號(hào)級(jí)：SL-2TL+TS——加到主動(dòng)聲納接收換能器上的回聲信號(hào)的聲級(jí)；噪聲掩蔽級(jí)：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(hào)級(jí)；混響掩蔽級(jí)：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(hào)級(jí)；4組合聲納參數(shù)回聲余量：SL-2TL+TS-〔NL-DI+DT〕——主動(dòng)聲納回聲級(jí)超過噪聲掩蔽級(jí)的數(shù)量；優(yōu)質(zhì)因數(shù)：SL-〔NL-DI+DT〕——對(duì)于被動(dòng)聲納，該量規(guī)定最大允許單程傳播損失；對(duì)于主動(dòng)聲納，當(dāng)TS=0時(shí)，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(cè)得的聲源級(jí)與噪聲級(jí)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(lái)描述的，而聲強(qiáng)度是聲能流在某一時(shí)間間隔內(nèi)的平均值：長(zhǎng)脈