[工学]水声学原理第一章.ppt

1 水声学原理 上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室 范 军 2019/1/21 第一章 导论 1.1 海洋与水声技术 1、为什么用水声技术 v 海洋占据地球表面约70的面积； 海洋是人类开展交通运输、军事斗争和获取资源的场所。这就必须有观测、通讯 、导航、定位的工具。水声技术在其中扮演了重要的角色。 v声波是迄今为止在水中唯一能有效地远距离传递信息地物理场。 电磁波在水中的衰减： 不能在水中远距离传播 声波由于介质吸收引起的衰减： 能远距离传播 声波与电磁波衰减之比： 10kHz声波水中衰减仅约 1分贝/公里 电磁波为4500分贝/公里 其它物理场：磁场、水压场、尾流场、温度场，也是可以检测，但可检测距离大 致与源本身尺度同一量级，不能在水中远距离传递信息。 2 1.2、声呐与雷达的异同 声呐与雷达的工作原理相似。但由于信息载体声波与电磁波的差异决定了 声呐和雷达有重要差别。 a.电磁波速度30万公里/秒,声波在水中1.5公里/秒。决定： 工作频率差别大。雷达频率约GHz（ Hz） 声呐频率约kHz（ Hz） 工作速率差别大。雷达搜速快，声呐搜索慢 分辨率差。声图象模糊。 b.声呐受海洋信道影响大。声呐环境比雷达环境复杂得多。 c.声呐的作用距离近。 3 1.3、水声技术的研究范围 水声技术呐是研究声波在水中的发射、传输、接收、处理的专门技术。包括： a.水声换能器和基阵水声传感器系统； b.水声物理海洋信道的传播、混响、散射、噪声特性和各种水声目标特性； c.水声设备水声信号处理、水声电子技术。 水声技术的成果突出反映在两个方面 1、声呐性能的不断提高：探测距离原来越远、对目标的定位、跟踪能力越来越强 2、应用声自导或声引信的水中兵器（鱼雷、水雷、深水炸弹等）的作战能力不断 提高。 因此，现代舰艇在水下面临的威胁与水声技术的水平有直接的关系。声隐身 性能是潜艇水下隐蔽性的核心。 4 1.4、水声技术的发展历史 1490年 达芬奇就提出声纳的原始概念 泰坦尼克号的沉没，开始最初的声纳设计 第一次世界大战的爆发促进了一系列军用声纳的发展（值得一提的 是郎之万在换能器上的贡献，并测得了水中1500米外潜艇回波） 一战和二战之间水声工程一直缓慢而稳步发展,最大的成就是对海 洋声传播机理的认识。（如“下午效应”现象的解释） 二战期间为了探测德国潜艇，水声工程有了很大发展，出现了大量 新的理论和技术 战后水声工程随着计算机和电子计算发展，水声工程的应用在军用 、民用领域更为广泛。 5 声呐（声纳）-SONAR(Sound Navigation and Ranging) 凡是利用水下声信息进行探测、识别、定位、导航和通讯的系统，都通称为声呐系 统。声呐的主要应用是军用声呐。按工作方式可以分为：主动声呐和被动声呐。 按安装平台分可以分为： v潜艇声呐：潜艇上的电子设备是声呐。一般核潜艇装有1015部声呐。主要有：艏 部主、被动综合声呐；被动测距声呐；舷侧阵声呐；拖曳线列阵声呐。 v水面舰声呐：舰艏声呐；变深拖曳声呐；拖曳线列阵声呐。 v机载声呐和浮标：吊放声呐；声呐浮标。 v海洋水声监视系统：岸站（岸边海底固定式声呐）；预警系统 v水声对抗器材：鱼雷报警声呐；声诱饵；干扰器；气幕弹 v水中兵器自导：鱼雷声自导；水雷声引信； v其它：通讯仪、鱼探仪、多普勒测速仪、浅地层剖面仪等。 1.5 声呐简介 6 主要声呐图片 7 德国ATLAS公司研制 的拖曳线列阵 英国、法国联合研制的 舷侧阵声呐TSM2253 德国ATLAS公司研制的 ASA9225主动拖曳线声呐 英国、法国联合研制的 投吊声呐 美国Lockheed Martin 公司研制的被动测距声 呐PUFFS 美国DTI公司研制的合 成孔径声呐 8 1.6 声学量的度量、分贝和级 声学中采用分贝计量的原因： v声学量的变化大到六、七个数量级以上 从窃窃私语到大型喷气式飞机起飞的声功率差十个数量级； 人耳的听阈在频率1kHz时是20Pa（微帕），痛阈是20Pa， 相差六个数量级； 在水中，一艘老式潜艇的辐射总声功率达到数瓦，而新型的 低噪声潜艇不到1微瓦，相差六、七个数量级。 v人耳（仪器）的响应近似与声压或声强的对数成比例。 因此声学中定义一个以对数为基础的分贝单位，水声也一直沿用。 9 1.6.1、定义和参考 声压、声强和声功率用级和分贝（dB）来量度。他们是： 参考值 10 1.6.2声压级等于声强级: 注意参考值不同产生的声级差别: 1971年以前曾用： =20Pa2104达因/厘米2，换算到现在标准要加26分贝。 1 达因/厘米21b（微巴）105Pa，换算到现在的标准 要加100分贝。 俄罗斯标准20Pa 由于空气声和水声参考值的不同，舱室内声级为L分贝的噪声若 无损耗地传到水下将变成L26分贝的水噪声。 11 固体介质中的结构噪声用振动来描述，它的分贝定义实际上就是振 动量的分贝定义。 加速度级 速度级 位移级 加速度、速度和位移参考值是： 米/秒2， 米/秒， 米。 应当指出的是，虽然结构噪声级与振动级的定义相同， 但实际测量和评价方法有区别的。因为结构噪声要反映 连续弹性体的振动特性，所以用一个点的振动级是无法 描述的。通常要用结构的整个辐射面上大量测点的统计 平均来描述。 12 1.6.3 分贝表示的特点 物理量的乘除运算变成加减运算。 例如在声学测量中，用灵敏度等于S 伏/Pa的水听器接收，经 过放大倍数等于K的放大器放大后得到电压V伏。水听器输入端的声压 是 : （Pa） 声压级: 如果水听器灵敏度、声学测量放大器的放大倍数都用分贝表示，只要简单的 加减运算就可以求出声压级。 13 声学中不仅声学量用分贝表示，它们的误差范围也用误差表示， 例如 。 用分贝表示的误差与百分比误差的换算关系：设声压是 分贝表示是 ，则有，图给出其关系曲线： 14 用分贝表示后函数图形发生变化 声学中最常见的幂次规律 : 以 为横坐标声级是一条直线。从直线的斜率可以确定幂次n。最方 便的方法是根据频率加倍时声级减小的分贝数 得到 声强随 频率衰 减规律 声强随 距离衰 减规律 15 1.6.4 分贝的基本运算 相干叠加 在讨论分贝运算法则前先要搞清楚声场的叠加原则。因为声压场是标量 场，具有可加性。但是，它又是一个波动场，既有振幅又有相位。 相干叠加：当两个以上的有规声波叠加时要同时计及振幅和相位，若是同 频率的声波叠加会发生干涉现象。若是频率相差不多的两个声波叠加会发 生“拍”。这些情况称为相干叠加： 水下声基阵形成指向性就是靠声波到达不同阵元的相位差。 能量叠加：当两个以上的随机噪声叠加时，由于相位是随机的，噪声要按强 度或能量叠加。因为相位的随机性导致所有的交叉项 ，所以 。相当于按强度或能量叠加。有时候几个噪声之间有一定的 相干性，但是相干性无法估计或测量，也采用能量叠加的原则处理。其结果 是对相干叠加的一种平均。所以，能量叠加是噪声场叠加的基本原则。因此 也是分贝计算的指导原则。 16 1.6.4.1 噪声叠加 特例:N个声级相同的噪声叠加，总声级是单个噪声声级加 分贝。当N2即两个声级相同的噪声叠加，总声级增加 分贝。 当声级为 的N个噪声叠加时，按强度叠加得到总声强和 总声级： 17 1.6.4.2 噪声相减（背景噪声的扣除） 在实际工作中有时需要从总的噪声中减去某个噪声成分，例如在噪声测量中扣 除已知的背景干扰。假设总噪声级是 ，背景干扰级是 ，扣除后的噪声级 是 ： 图给出修正量 与声级差 的关系 曲线。为了保证合理的精度，背景干扰至少 要比总声级低3dB。若背景干扰比总声级低 10dB以上就可以不修正。 18 1.6.4.3多个噪声级的平均 对噪声级进行多次测量需要计算其平均值。设N 次测量的噪声级分别是 ，应根据声强的算术平均值计算平均噪声级: 若各次测量的噪声级的差值小于3dB，则可以直接取噪声级的算术平均值代 替上式，得到： 其误差不超过0.5dB；若各次测量的噪声级的差值小于5dB，误差不超过 0.7dB。 19 1.6.4.5 降噪量的计算 已知总噪声级为140dB，它由三个声级相同的噪声叠加而成。可以求出每 个噪声源的声级是135.2dB。三种降噪方案的效果是： 方案一、将其中一个噪声源降低10dB，另外两个不变，总噪声级 只下降1.6dB； 方案二、将其中的两个噪声源降低10dB，总噪声级下降了4dB； 方案三、将三个噪声源都下降10dB，总噪声级也下降10dB。 例：已知总噪声级由N个声级分别是 的噪声叠加而成 。当这N个噪声分别降低 分贝后，总声级降低为: 总降噪量是 : 20 1.7 频谱和频谱级 水声信号、特别是噪声信号常常包含有多种频率成分，能量分布在一个频带宽 度内。定义单位频带宽度1Hz内的声强度为声强谱密度，用函数 表示。谱 密度的分贝表示称为谱密度级。 将谱密度函数在整个频带内积分就等于总强度： 在频率f附近带宽内的声强是： 用分贝表示： 称为频带级，频带级等于谱密度级加 。上面的分贝计算法则同样适 用于频带级和谱密度级的计算。 潜艇辐射噪声 21 用声压表示时： 参考值应该理解为： 在声学测量中用到两种滤波器： 恒定带宽滤波器：低频时分析太粗，高频分析太细，无法兼顾。 恒定百分比或Q滤波器：用的多，人耳听觉模型是其的组合。声学中的恒定 百分比滤波器称为倍频程滤波器。 22 设 是滤波器的下限频率设 是滤波器的下限频率 n倍频程滤波器的数学定义为： 或 中心频率为： 带宽： n=1 1/1倍频程（1/1oct） n=1/3 1/3倍频程（1/3oct） 对于1/3oct来讲，是在间隔为1倍频程的两个频率之间再插入两个频率，使这4个频率之间依次相距 1/3倍频程，即这4个频率值按比例为： ，近似为 。ISO规定110Hz之 间划分10个频段，中心频率为：1:1.25:1.60:2.0:2.5:3.15:4.0:5.0:6.3:8.0:10.0。这样的取值 得好处是，可使每隔10个1/3倍频程频段的两端频率正好相差10倍，还可以使每隔3个1/3倍频程频 段为一个1/1倍频程频段。 23 1.8 水声（海军）的一些习惯用量 距离单位：英尺（feet），1英尺12英寸0.3048米 千码（Kiloyard）,1千码3000英尺914.4米 海里（Nautical mile）,1海里1853米 链 ,1链=1/10海里 深度单位：英尺 浔（fathom）,1浔2码6英尺1.83米 速度单位： 节（kont），1节1海里/小时0.5米/秒 24 1.9 声呐方程 水声探测技术包括主动方式和被动方式。相应的声呐也分为主动声呐和被动声呐。 主动声呐：由探测设备主动的发射声波，通过接收、分析目标回波实现对目标的 探测、定位和识别。 特点：定位和测距精度高，容易暴露自己，非隐蔽探测，今年来又逐渐重要。 被动声呐：由探测设备被动的接收、分析目标发出的噪声对目标进行探测、定位和 识别。 特点：定位和测距精度不如主动声呐高，是隐蔽探测，是目前主要探测方式，被动 声呐包括：水雷引信、鱼雷自导、舰艇被动声呐、拖曳线列阵、海岸预警系统。 检测阈( DT ) 指向性指 数 ( DT ) 噪声级 ( NL ) 传播损 失 ( TL ) 声源级 ( SL ) 检测阈( DT ) 指向性指 数 ( DI) 声源 声源级 ( DT ) 噪声级 ( NL ) 传播损失 ( TL ) 传播损失 ( TL ) 目标强度 ( TS ) 噪声级 ( NL ) 被动声呐 主动声呐 25 声呐是为了完成特定使命而构成的水声系统。它的性能取决于目标、传输信 道和接收、处理设备的特性。声呐方程是将这三者联系在一起的一个关系式。 它是声呐系统工作时必须服从的一个关系式。应用这个关系式可以对声呐系统 的工作特性作出估计和预报，是声呐设计的基础。 无论声呐系统如何复杂，要完成一定的使命必须保证在其输入端满足： 或： 这里检测阈是接收、处理设备对信号作出判决的一个阈值，用DT表示。DT取决 于： 1、使命的性质； 2、完成使命的质量，通常用检测概率和虚惊概率来表示。 3、接收、处理设备的能力。 26 1.9.1 声呐方程中的各种参数 在声呐方程中出现的声呐参数可分为三类： 由声呐系统决定的参数，包括：声源级SL：、自噪声级NL、空间增益GS（ 或DI）、时间 增益GT、检测阈DT； 取决与被探测目标的参数，包括：辐射声源级SL、目标强度TS； 取决于环境的参数，包括：传播损失TL、海洋环境噪声级NL、等效平面波混 响级RL 其中两对参数用了相同的符号(SL与NL)，因为它们本质上是相同的。这些参数 都用分贝（dB）表示，通常还与频率有关。下面我们分别介绍这些参数的定义 。 27 1.9.2 声源级SL 声源级SL用来描述主动声呐所发射的声信号强弱，定义为： I是发射换能器声轴上离声源中心1米处的声强，I0是参考声强，约为: 。 为了有效地提高主动声纳的作用距离，它的发射器总是做成具有一定的发 射指向性，使它所发射的声能主要集中于空间某一方向(通常就是目标所在的 方向)，其余方向上则仅有很少量的发射声能，下图形象地表示了这种发射指 向性特性。描述发射换能器的这种特性的参数为DIT。 28 1.9.3 发射指向性指数DIT 定义为：设有两个发射相同声功率的发射器，一个具有发射指向性，另一个无发 射指向性，又设在它们各自的辐射声场的远场测量声强，测量距离相同，测得无 指向性发射器辐射声强度为 IND 。在指向性发射器声轴上测得的声强度为ID 。 见上图则指向性发射器的发射指向性指数DTI 可见，发射指向性指数DIT实际上就是在相同的距离上，指向性发射器声轴上 的声级高出无指向性发射器辐射声场声级的分贝数。DIT值愈大，就表示了声能 在声轴方向集中的程度愈高，也就是获得了一定的空间增益，也可以表述为GS， 就愈有利于增加设备的作用距离。所以，近代主动声呐的发射器，都在造价、工 程实施等允许的条件下，尽可能地提高发射指向性指数。 29 发射器的声源级反应了发射器辐射声功率的大小，它们之间有着简单的函 数关系。设在无吸收的介质中有一个辐射声功率为Pa(w)的点声源，根据声学 基础知识可知，距此声源声中心单位距离处的声强度为： 注意到： ，可以得到发射声源级SL： 对于一个发射声功率为Pa(w) 、指向性指数为DIT的指向性发射器，声源级SL： 目前，船用声纳的辐射声功率范围为几百瓦到几十干瓦，发射指向性指数 为1030dB,所以其声源级范围约为210dB到240dB。 30 1.9.4 传播损失TL 海水介质是一种不均匀的非理想介质，由于介质本身的吸收、声传播过程中波阵面 的扩展及海水中各种不均匀性的散射等原因，声波在传播过程中，声传播方向上的 声强度将会逐渐减弱，传播损失TL定量地描述了声波传播一定距离后声强度的衰减 变化，它定义为： 式中，I1是离声源声中心1m处的声强度；Ir是距离声源r处的声强度。上式 定义的传播损失TL值总为正值。 31 1.9.5 目标强度TS 对于主动声呐而言，它是利用目标回波来实现检测的。由声学基础知识可知， 目标回波的特性除和声波本身的特性如频率、波阵面形状等因素有关外，还与目 标的特性如几何形状、组成材料等有关，也就是说，即使是在同样的入射波照射 下，不同目标的回波也将是不一样的。这一现象反应了目标反射本领的差异。水 声技术中，通常用目标强度TS定量描述目标反射本领的大小，它定义为 式中，Ii入是目标处入射声波的强度；Ir=1 是在入射声波相反的方向上、离目 标声中心1m处的回波强度。目标强度是目前我们这个研究小组的主要研究方向。 32 1.9.6 海洋环境噪声级NL 海水介质中，存在着大量的、各种各样的噪声源。它们各自发出的声波构成 了海洋环境噪声。这种环境噪声，对声纳设备的工作无疑是一种干扰。环境噪 声级NL就是用来度量环境噪声强弱的一个量，它定义为： 式中，IN是测量带宽内（或lHz频带内)的噪声强度。 I0是参考声强。 33 1.9.7 等效平面波混响级RL 对于主动声纳来说，除了环境噪声是背景干扰外，很响也是一种背景干扰。关 于海水混响的研究指出，混响不同于环境噪声它不是平稳的，也不是各向同性 的。为了定量描述混响干扰的强弱，我们引入声纳参数等效平面波混响级NL。设 有强度为I的平面波轴向入射到水听器上，水听器输出某一电压值；如将此水听 器移置于混响场中，使它的声轴指向目标，在混响声的作用下，水听器也输出一 个电压。如果这两种情况下水听器的输出相等，那么，就用该平面波的声级来度 量混响场的强弱，称为等效平面波混响级RL。 具体的计算方法和公式我们将在以后的课程中详细讨论。 输出电压 V I 输出电压 V 平面波 混响场 34 1.9.8 接收指向性指数DI 接收换能器的接收指向性指数的定义是： 设有两个水听器一个无指向性，另一个有指向性，且指向性水听器的轴向灵 敏度等于无指向性水听器的灵敏度，设为单位值。现将它们置于单位立体角内 的噪声功率为Ii的各向同性噪声场中，此时无指向性水听器产生的均方电压 是： 有指向性水听器产生的均方电压是： 则： 归一化声束图案函数 35 1.9.9 检测阈DT 声呐设备的接收器工作在噪声环境中，既接收声纳信号，也接收背景噪声，相应 地其输出也由这两部分组成。因此这两部分比值的大小将直接影响设备的工作 质量，即如果接收带宽内的信号功率(或均方电压)与1Hz带宽内(或工作带宽内)的 噪声功率(或均方电压)的比值较高，则设备就能正常工作，它作的“判决”也是可 信的；反之，上述的信噪比值比较低时，设备就不能正常工作，它作出的“判决” 也就不可信。在水声技术中，习惯上将设备刚好能正常工作所需的处理器输入端 的信噪比值(用分贝表示)称作检测阂，它定义为： 由检测阈定义可知，对于完成同样职能的声呐来说，检测阈值较低的设备，其处 理能力较强，其性能也较好。 36 1.9.10 时间增益GT 声呐信号处理中要完成一系列的过程，这中间时间积累是不可缺少的，因为随 机信号的起伏特征只有依靠时间积累才能去除。时间增益定义为： 其中(SNR)out是系统输出信噪比， (SNR)in是系统输入信噪比。对于被动声呐和主 动声呐的最佳检测系统来说，其时间增益GT为： 被动声呐最佳检测系统： 是噪声相关特性的一个度量，可以认为是相关半径。 是噪声的自相关函数 主动声呐最佳检测（匹配 滤波）系统： 信号脉宽 或 是输入信号带宽 信号带宽 对于方波调制的单频信号 2WT1 于是GT=0dB 37 1.9.10 主动声呐方程 检测阈( DT ) 指向性指 数 ( DI) 声源 声源级 ( SL) 噪声级 ( NL ) 传播损失 ( TL ) 传播损失 ( TL ) 目标强度 ( TS ) 噪声级 ( NL ) 对于主动声呐，回声信号级是自身发射的信号传播到目标并经过目标反射回到 声呐接收端的值，表示为SL-2TL-TS。主动声呐的干扰在多数情况下是混响级 RL，当探测距离较远时也可能是噪声背景NL，这里的噪声包括海洋环境噪声和 舰艇自噪声。这样单水听器接收的信号信噪（混）比为： (SNR)in=SL-2TL+TS-RL 混响背景下： 噪声背景下：(SNR)in=SL-2TL+TS-NL 加上声呐系统的空间增益GS(DI)和时间增益GT可以得到输出信噪（混）比： (SNR)out=SL-2TL+TS-NL+GS+GT 得到主动声呐方程： SL-2TL+TS-NL+GS(DI)+GTDT 混响背景下： SL-2TL+TS-RL+GS(DI)+GTDT 噪声背景下： 38 值得注意的是： 1、上述的主动声呐方程适用于收发合置的声呐，对于收发分置的多基地声 呐，信号的传播损失一般是不同的，不能用简单的2TL表示往返的传播损失。 2、主动声呐要经受双层传播损失，这时主动声呐探测距离受到限制的重要原 因。 3、以上给出的主动声呐方程与传统的声呐方程形式形式上有差别，主要是在 声呐发展中基阵处理以及时间处理得到发展，我们考虑了基阵的空间增益GS 和时间增益GT。 一般来说，利用声呐方程的目的是要从中求出声呐的作用距离，因此我们定义： 优质因素FOM(Figure Of Merit） FOM不仅与声呐系统有关，还与海洋环境有关。令 便可求出r。 39 1.9.11 被动声呐方程 对于被动声呐信号级是目标辐射噪声经过信道传输后到达声呐基阵的值，可以 表示为SL-TL。干扰级是声呐平台自噪声和海洋环境噪声级NL。因此单水听器 接收到的信号为：SL-TL-NL，信噪比为： (SNR)in=SL-TL-NL 经过声呐基阵信号处理，获得空间增益GS（DI）和时间增益GT，得到输出信噪比： (SNR)out=SL-TL-NLGSGT 被动声呐方程： SL-TL-NLGSGTDT 检测阈( DT ) 指向性指 数 ( DI ) 噪声级 ( NL ) 传播损 失 ( TL ) 声源级 ( SL ) 被动声呐方程优质因素： FOMSL-NLGSGTDT 40 1.9.12 声呐方程的基本应用 例一：设一静止状态工作方式的声呐站，发射声源级为115分贝，对一个目标强 度为15分贝，并位于足够远的目标进行探测，在这一段距离上的总单程传播衰减 为81分贝，声呐所在的海洋环境噪声和本身总噪声级为40分贝，接收具有指向 性，指向性指数为12分贝，求该设备需要多大的检测阈才能可靠探测目标？ 解：已知SL=115dB, TL=81dB ,NL=-40dB,GS（DI）=12dB,TS=15dB 由于在噪声背景下探测目标：使用下列主动声呐方程： SL-2TL+TS-NL+DIDT 115-2*81+15-(-40)+12=DT DT=20dB 结果表明该设备的输入信噪比在20dB时才可能可靠检测到目标。 41 例二：设一被动探潜声呐，目标潜艇以60分贝的发射声源级发射500Hz的线谱，另 一观察艇相距r处，用无指向性水听器作被动测听，设备的检测阈为8分贝。观察艇 在500Hz的噪声级为-34分贝，求在距离r上有多大传播衰减时才能可靠测听？ 设该设备作为被动测听，所用声呐方程为被动声呐方程。 SL-TL-NLGSGTDT 可以得到： TL=-(DT-SL-GS(DI)+NL-GT) 这里：SL=60dB,DT=8dB,GS(DI)=0,NL=-34dB,GT=0可以得到： TL=-(8-60-0-34-0)=86dB 结果表明单程传播损失小于86dB才可能可靠测听。 42 例三：声呐作用距离估计 利用声呐方程可以估算声呐的作用距离，但要注意，声呐方程中有一部分参数 是与海洋环境有关的，同一部声呐（也就是GSGT一样）在不同的海区和不同 季节，作用距离可能相差很大。计算作用距离时，有两种结果一样但方法不同的 估计。第一种是由传播损失计算距离，另一种是把传播损失由近及远画出，用 FOM求声呐距