《水声学》 2005~2006学年第一学期教案 水声工程学院编写 2005年12月 第1章 引言 声波在水中具有最好的传播性能：在海水中，光波和无线电波的传播衰减很大。距离有限；声波在水中的传播性能要好得多：利用深海声学通道效应，人们可以在5000公里外清晰地接收到几磅TNT炸药爆炸时（1公斤=2.2磅）辐射出的声波信号。 1.1 水声学发展简史 水声学的快速发展：开始于二战初期 声纳的起源：1490 年，意大利的列奥纳多·芬奇在一篇摘录中写道：“如果船停下来，它就会将管子的一端插入水中贝语网校，并将管子的开口放在耳边，你就可以听到远处船的声音。” ——这是人类利用水声探测水下目标的最早记录。这种原始的“声纳”一直延续到了今天。在第一次世界大战中也得到广泛应用。 第一次定量测量水下声音：1827年，瑞士物理学家D.和法国数学家C.Sturm在日内瓦合作测量了声速。测得的声速值为1435米/秒，与现代测量值非常接近。 。水声换能器的进展：1840年，焦耳发现了磁致伸缩效应，1880年，皮埃尔·居里发现了压电效应。在此基础上，后人支持并发展了水声压电换能器和磁致伸缩换能器，实现了水中电能与声能的转换。第一个水下回声定位计划：1912年，英国“泰坦尼克号”和冰山相撞事件发生后不久，英国LF提出了水下回声定位计划，但他本人未能实现这个计划。
军用声纳的发展（一战）：一战后期，反潜成为主要研究方向；法国物理学家B.和俄罗斯电气工程师C.利用电容式发射器和碳粒子接收器造水。1916年，他接收到了海底的回波和200米外装甲板的回波； 1917年，研究成功石英钢夹层换能器并采用真空管放大器，首次将电子学应用于水声技术； 1918年，成功探测到1500米外水下潜艇的反射声。他是第一个利用回声探测水下目标的人。第一次世界大战后：水声技术继续发展。 1925年，研制出一种用于传播和导航的水声装置——回声测深仪。第二次世界大战：进一步推动了水声技术的发展，取得了许多成果：主被动声纳、水声制导鱼雷、声水雷和扫描声纳等。二战后：随着电子信息技术和水声技术的迅速发展形成了以低频、大功率、大矩阵、综合信号处理为特点的新一代声纳。近年来，最优时空增益处理器理论、自适应信号处理技术和大规模集成电路的应用的发展催生了新一代水声设备的诞生。水声物理研究：两次战争期间，人们对声波在海水中的传播规律知之甚少。他们认为，探测距离随着季节和一天中的“早、中、夜”的不同而变化莫测，这限制了水声设备的使用。 “下午效应”就是一个例子。
推动各国海军开展了一系列水声物理研究，总结了理论和实验规律：海水中声速的分布及其对声音传播的影响；利用射线理论分析声音在海洋中的传播规律；声音在海洋中传播的衰减规律和吸收机制；海底和海面的声学特性及其对传播的影响；了解船舶噪声、混响、海洋环境噪声等水声干扰特性；船舶及其他目标的反射能力等，为水声设备参数的合理选择提供依据，形成一门独立的学科。第二次世界大战后，水声技术在民用领域的应用日益广泛。水声设备已应用于海洋开发、渔业、海底地质测绘、导航、水下机器人研制等领域。 1.2 水声学的研究对象水声物理：从分析水声场的物理特性出发，主要研究海水介质及其边界（海底、海面）的声学特性以及声波在海水中传播所遵循的规则介质，以及对水声设备运行的影响。水声通道（声学信息的传输通道）复杂多变，声音传播现象也复杂多变。水声工程：包括水声系统和水声技术。水声系统：是实现水声能与电能之间转换的水声换能器和阵列。研究内容主要包括换能器材料、结构、制作以及辐射和接收特性。 《水下声学换能器与阵列》，周福红主编。水下声学技术：广义上讲，声波在水中发挥某些功能的相关技术。狭义——水声信号处理与显示技术，主要研究声信号在水中传播的特性以及背景干扰（噪声和混响）的统计特性，在此基础上设计最佳的时空处理方案，实现信号检测，并完成目标参数估计和目标识别。
《水声信号处理基础》，钱秋山、陆耿主编 1.3 水声学的应用 水声学的军事应用： 水雷引爆：压敏水雷、声波水雷 制导鱼雷：主被动制导 舰载声纳：A/N - SQS-26拖曳式声纳：A/N-SQS-35拖曳线阵和声纳浮标等水声民用：探空：常规测深仪、海底剖面仪、侧视声纳多普勒测速仪鱼探仪：前视主动声纳鱼探仪：辅助设备：计数、诱鱼 潜水辅助设备：便携式小型定位声纳 定位标志：新标准、应答器 通讯与遥测控制：声波释放、油井口流量控制 声波流量 液位、波高传感器 1.4 内容安排取声纳方程为主线，从水声物理的角度解释其各个参数： 引言：声纳方程的声学基础知识：海洋声学特性：海洋中的声音传播理论：传播条件下的典型声场：反射和散射声波对目标的影响： 海洋中的混响： 水下噪声： 声音传播波动： 教材：刘伯胜主编的《水声学原理》 1.5 声纳及其工作方法 声纳（Sonar-声纳）：利用水声的系统用于探测、识别、定位、导航和通信的信息。按工作方式分类：主动声纳和被动声纳。主动声纳信息过程：发射系统发出携带一定信息的声波信号（发射信号）。在海水中传播时，如果遇到障碍物（潜艇、水雷、鱼雷、冰山、珊瑚礁，统称为声纳目标），就会产生回波信号；某一方向的回波信号被传送到接收矩阵，并转换成电信号。经过处理器处理后，发送到决策装置，决策装置按照预定的原则进行处理。判断，最后显示判断结果。
无源声纳（噪声声纳站）信息流：无源声纳通过接收鱼雷、潜艇等被检测目标（声源部分）的辐射噪声来实现水下目标检测。 1.6 声纳参数 主、被动声纳工作的基本组成信息处理：声学信号传播介质（海水）、探测到的目标和声纳设备。声纳参数：影响声纳设备工作的因素称为声纳参数。 1、声源级SL 声源级SL用来描述主动声纳发出的声信号的强度（反映发射器辐射的声功率的大小）。其定义为： 其中， 是发射机声轴方向上距声源的距离。距声中心1米处的声强为参考声强（均方根声压为1微帕的平面波的声强）。为了增加主动声纳的射程，其发射机被制成具有一定的发射方向性，如右图所示。解释一下原因：它可以增加辐射信号的强度，相应地增加回波信号的强度，增加接收信号的信噪比，从而增加声纳的作用范围。发射方向性指数 DIT：其中 是在定向发射器的声轴上测量的声音强度；是非定向发射器辐射的声音强度。含义：在相同距离下，定向发射机声轴上的声级比非定向发射机辐射声场的声级高出分贝数；声能越大，声能在声轴方向的集中程度越高；有利于增加声纳范围。声源级与声功率的关系：假设介质无吸声，声源为点声源，辐射声功率为Pa(W)物理学家制导鱼雷，距声中心1米处的声强声源为： 那么我们可以得到一个非定向声源 辐射声功率与声源电平的关系： 定向声源的辐射声功率与声源电平的关系： 常识：船用声纳的Pa为几百至几千瓦，即10至30dB，SL约为210至240dB。 。
2、传输损耗TL：由于海水介质本身的吸声作用、声音传播过程中波前的扩大以及海水中各种不均匀的散射，导致声波的声强逐渐减弱。传输损耗TL定量地描述了声波传播一定距离后声强的衰减变化。定义为： 式中 为距声源声中心 1 米处的声强；距声源声中心r米处的声强。 3、目标强度TS目标反射能力差异：同一入射声波下，不同目标的回波不同。它不仅与入射声波的特性（频率、波前形状）有关，还与目标的特性（几何形状、材料等）有关。目标强度TS定量地描述了目标反射功率的大小，其定义为： 式中 为入射声波在目标处的强度；距目标声中心1米处的回声强度。 4.海洋环境噪声级NL 海洋环境噪声是由海洋中大量的各种噪声源发出的声波组成的。它是声纳设备的一种背景干扰。环境噪声级NL是环境噪声强度的量度。定义为： 其中 是测量带宽内（或1Hz频段内）的噪声强度；是参考声强。 5、等效平面波混响级RL主动声纳的背景干扰：环境噪声和混响；一般来说，环境噪声是平稳且各向同性的，而混响则是非平稳且非各向同性的。等效平面波混响电平RL定量地描述了混响干扰的强度。它利用平面波的声级来测量混响场的强度：已知强度的平面波轴向入射到水听器上，水听器输出电压值；将水听器置于混响场中，声轴指向目标，水听器输出电压值。
6、接收方向性指数DI 接收换能器的接收方向性指数DI定义为： 其中，定向水听器的轴向灵敏度等于非定向水听器的灵敏度。假设水听器的灵敏度为单位值，噪声场各向同性，单位立体角内的噪声功率为，无方向性水听器产生的均方电压为： 式中， 为比例常数；是元素立体声喇叭。定向水听器产生的均方电压为： 其中 是归一化波束方向图函数， 是空间方位角。则接收方向性指数 DI 为： 注：参数 DI 仅对各向同性噪声场中的平面波信号（完全相关信号）有意义；否则，需要使用阵列增益代替 DI。对于几何形状简单的换能器阵列，可以用阵列尺寸来表示其DI值。式中声束图函数 DI = 10lg。无限挡板上长度为100m的连续线性阵列。直径10m、间距10m的活塞。由等间距基元组成的线性数组双元素数组。间距为， 7。 检测阈值 DT 声纳设备 接收器接收并输出信号：声纳信号和背景噪声。两部分——接收带宽内的信号功率或均方声压与1Hz带宽（或接收带宽）内的噪声功率或均方电压之比，影响设备的运行。质量，比值越高，“判断”设备能否正常工作就越可靠。检测阈值DT是设备正常工作所需的处理器输入端的信噪比值。定义为： 注：对于相同功能的声纳设备，检测阈值越低的设备处理能力越强，性能越低。好的。 1.7 声纳方程 声纳方程：综合考虑水下声特有的各种现象和效应对声纳设备设计和应用影响的关系式。
它将海水介质、声纳目标和声纳设备的作用联系起来。 1、基本上考虑声纳方程的基本原理：信号电平-背景干扰电平=检测阈值（正好完成预定的功能）。背景干扰电平的含义：只有设备工作带宽内的部分背景噪声起干扰作用。 2、主动声纳方程与发射机和接收机结合时，主动声纳信号强度变化如下图： 回波信号电平（ level）：回波到达接收阵列SL-2TL+TS的声级 背景干扰电平：NL-DI（接收阵列接收指向性指数降低背景噪声） 注：换能器声轴指向目标物理学家制导鱼雷，回波信号不会受到接收指向性指数的抑制。处理器处电信号的信噪比：(SL-2TL+TS)-(NL-DI) 主动声纳方程（噪声背景）：(SL-2TL+TS)-(NL-DI)=DT注意：它适用于并置收发器和接收器声纳。对于收发器和发射器分离的声纳，其往返传播损耗不能简单地用2TL来表示；适用于背景干扰各向同性的环境噪声场合。对于主动声纳来说，混响也是其背景干扰，而且混响是非各向同性的。当混响成为主要背景干扰时，应使用等效平面波混响电平RL来代替NL-DI。主动声纳方程为（混响背景）：SL-2TL+TS-RL=DT3。与主动声纳相比，被动声纳方程简单：噪声源发出的噪声直接从噪声源传播到接收换能器；噪声没有被目标反射，即没有TS；背景干扰是环境噪声。
被动声纳方程：(SL-TL)-(NL-DI)=DT 式中，SL为噪声源辐射的噪声的声源级。 1.8 组合声纳参数 组合声纳参数：多个声纳参数的组合，具有明确的物理意义。回波信号电平：SL-2TL+TS——加到有源声纳接收换能器上的回波信号的声级；噪声掩蔽水平：NL-DI+DT——工作在噪声干扰中的声纳设备正常工作所需的最低信号水平；混响掩蔽电平：RL+DT——工作在混响干扰下的声纳设备正常工作所需的最低信号电平；回波余量：SL-2TL+TS- (NL-DI +DT) - 主动声纳回波水平超过噪声掩蔽水平的量；品质因数：SL-（NL-DI+DT）——对于无源声纳，该量指定最大允许单向传播损耗；对于主动声纳，当TS=0时，该量规定最大允许双向传播损耗；品质因数：SL-（NL-DI）——声源级与声纳接收换能器测得的噪声级之差 1.9 声纳方程的应用及其局限性 1、声纳方程应用的基本目的：声纳设备性能预测：了解设备的特性和几个参数，估计其他声纳参数（例如估计最大传播损耗-品质因数）；声纳装备设计：提前明确设计装备的功能和各项战术技术指标，根据声纳方程综合评估各参数的影响，合理选择参数，优化设计装备（如频率选择-DI、TL） ）。
2.声纳方程的瞬态形式。声纳方程用声强来描述，声强是一定时间间隔内声能流的平均值：当声源发出很短的脉冲信号时，或者由于介质的传播效应和声波的物理作用如果目标反射，接收到的回波信号的波形会严重失真，上式的平均值会给出不确定的结果，上式不再适用。作为常用的近似，声强是通过对时间T内声波的能量流密度E进行平均得到的：对于长脉冲声纳，T为发射脉冲宽度，回波脉冲宽度也近似等于该值;对于短脉冲声纳来说，T一般是不确定的，回波宽度与发射宽度相差很大。短脉冲信号声纳方程（RJ Urick）： 式中，E为距声源单位距离处的声能流密度；是回波脉冲宽度： 其中， 是发射脉冲宽度；是声音传播展宽的多径效应引起的信号；由目标回波引起的展宽。每个回波宽度