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4.夏日某处海水中温度分布简化如下图所示的曲线。试求：在什么深度上声速梯度的绝对值最大？该处的声速梯度是多少？,解：,在15米处声速梯度绝对值最大，其声速梯度为-1.36/s。,(m/s)/atm,2019/12/18,课程总结,2,声源级sl指向性指数dit传播损失tl目标强度ts传播损失tl指向性指数dir噪声级nl等效平面波混响级rl检测阈dt,主动声纳,（sl-2tl+ts）-rldt,（sl-2tl+ts）-（nl-di）dt,2019/12/18,课程总结,3,声源级sl传播损失tl指向性指数dir噪声级nl检测阈dt,被动声纳,（sl-tl）-（nl-di）dt,2019/12/18,课程总结,4,回声级、噪声级和混响级与距离的关系,注意：随距离衰减规律（1）噪声掩蔽级随距离不变；（2）回声级和混响掩蔽级随距离衰减；（3）一般，回声级随距离下降比混响掩蔽级要快。,2019/12/18,课程总结,5,第4章海洋中的声传播理论,知识点：波动理论和射线理论比较,6,已知目标强度为ts的目标位于海底，探测声纳与它之间的距离r，海底散射强度为sb，探测声纳声源级sl，发射脉冲宽度，换能器等效联合指向性，海水中声速c，吸收系数（计算中取：声波球面扩展）。写出下列参数的表达式：1）传播损失tl；2）回声信号级el；3）等效平面波混响级rl；4）问：为提高接收信号的信混比应如何改变声纳系统的参数？,例题2,7,（1）传播损失,（2）回声信号级el=sl-2tl+ts=sl-40lgr-2r+ts,（3）等效平面波混响级,（4）根据回声信号的信混比,可通过减小发射信号脉冲宽度、减小收发换能器指向性束宽实现。,8.海水中声速分布如下图所示，请画出几条典型声线轨迹图。,9.海水中声速分布如图1所示，请画出几条典型声线轨迹图。,1.按声纳的工作方式来区分，它通常可分为主动声呐系统和被动声呐系统。2.对于主动声纳方程而言，其干扰有混响和噪声两种，如何判断哪种干扰是主要，则应根据回声信号级、混响掩蔽级和噪声掩蔽级随距离的变化曲线，由此合理选用声纳方程。回声信号级：sl-2tl+ts加到主动声呐接收换能器上的回声信号的声级噪声掩蔽级：nl-di+dt工作在噪声干扰中的声呐设备正常工作所需的最低信号级混响掩蔽级：rl+dt:工作在混响干扰中的声呐设备正常工作所需的最低信号级,根据下图判断此时主动声纳的干扰是环境噪声还是海洋混响，并说明原因。,由混响决定的声纳的最大作用距离是rr,由噪声决定的声纳的最大作用距离是rn,由于rrrn，所以混响是主要干扰。,2019/12/18,课程总结,14,回声级、噪声级和混响级与距离的关系,注意：随距离衰减规律（1）噪声掩蔽级随距离不变；（2）回声级和混响掩蔽级随距离衰减；（3）一般，回声级随距离下降比混响掩蔽级要快。,4、声场中，同一位置的声压和振速之比称为该点的声阻抗率5、已知声纳a与声纳b有相等的声源级，声纳a的工作频率fa高于声纳b的工作频率fb，问哪台声纳作用距离远，说明原因。声纳b作用距离远，因为工作频率越低，海水的吸收越小，作用距离远。6、声波的频率越高，海水的吸收衰减就越大。为此，要使声波传播越远，频率越低越好。判断正误并解释之。不完全正确。海水吸收损失随频率的降低而减小，因此频率降低有利于声波的远距离传播。并非频率越低，声波传播就越远，因为浅海波导存在截止频率，也即最低阶简正波的临界频率。当声波的频率低于截止频率时，波导中简正波水平方向波数为纯虚数，此时简正波幅度随距离作指数衰减，因此传播距离反而变近。,7、引起声强衰减的原因有哪些？列举两种常用传播损失表达式，并说明其适用条件。声波传播时，强度衰减的原因：声波传播过程中，波振面逐渐扩展；海水介质的吸收和海水介质中不均匀性的散射。常用传播损失的表达式有以下三种：tl=10lgr+r柱面波传播，表面声道tl=15lgr+r计入海底声吸收的浅海声传播tl=20lgr+r球面波传播开阔水域,估计,1.天气晴好，同一台声呐在早晨作用距离远还是下午作用距离远，为什么？,解：早晨时声呐作用距离远，因为此时可能存在表面声道，而下午一般不会形成表面声道。即使不出现表面声道时，早晨的负梯度也小于下午的负梯度，所以早晨的作用距离远于下午，这就是下午效应。,5写出（1）目标回声信号级表达式；（2）海底混响的等效平面波混响级表达式。又已知：海底有一刚性球，半径1m；收-发合置换能器，其指向性等效束宽弧度；收-发合置换能器距海底目标斜距400m；信号脉冲宽度；海底散射强度-25db；（3）试求：接收信号的信混比。（4）为提高接收信号的信混比应如何改进声呐的设备参数。（声速：1500m/s；声波球面波扩展；不计海水声吸收）,解：,若提高，需改进声呐的设备参数：减小脉冲宽度和等效束宽。,6.已知：甲船，其辐射噪声谱密度级如右图；乙船用被动声呐探测甲船，该声呐系统工作通带为：500hz2000hz；全指向性接收器；能量检测工作方式，当信噪比大于6db时，认为检测到目标；若来自海洋环境噪声和乙船自噪声的总干扰噪声各向同性并且为均匀谱密度分布，在接收器处其噪声谱密度级为70db（0db=）；试求：（1）乙船接收到甲船噪声信号级；（2）乙船接收的干扰噪声级；（3）乙船探测到甲船的最远距离（取声波球面扩展；不计海水声吸收）（4）为增大探测到甲船的距离，乙船的被动声呐应如何改进设备参数。,解：,（1）信号级：sltl，其中sl=10lg(i/iref)；i=i1+i2,（2）干扰级：nldi,解：,（3）被动声呐方程：,（4）为提高探测距离，应改进声呐的设备参数：降低检测阈dt；减小接收束宽；选择工作带宽和频段使sl-nl值尽量大；对于此题，声呐工作频段左移，可提高声呐探测距离。,6、环境噪声和海洋混响都是主动声呐的干扰，在实际工作中如何确定哪种干扰是主要的？解：根据水文条件及声呐使用场合，画出回声信号级、混响掩蔽级和噪声掩蔽级随距离变化的曲线，如下图，然后由回声信号曲线与混响掩蔽级、噪声掩蔽级曲线的交点所对应的距离来确定混响是主要干扰，还是噪声为主要干扰，如下图，rrd2/；d：被测物体最大线度；：声波波长）。接收器接收的点声源辐射声压幅值为pi，接收的被测物体散射声压幅值为ps；问：被测物体的目标强度（ts值）如何计算？（声波球面扩展，不计海水声吸收）解：“直接测量法”测量水下目标强度（其它略）：布置如下图。,（2）实验注意事项：a.接收水听器和待测目标置于发射换能器的远场区；b.接收水听器置于待测努表散射声场的远场区；c.发射声信号的脉冲长度：，l为目标长度。,9写出目标回声信号级表达式；目标回声信号是如何产生的，它有哪些特性，并简述其产生的原因？解：目标回声信号级el=sl-2tl+ts目标回声信号是入射声与目标互相作用后产生的，它由镜反射波，目标上不规则处的散射波，目标的再辐射波等组成，回声信号的一般特性有：回声信号的脉宽一般比入射信号宽；与入射信号相比，有多卜勒频偏；回声信号波形一般有较大的畸变等。10比较弹性目标和刚性目标回波信号的异同，并说明形成差异的原因。解：回声信号的相同点：脉冲展宽，多卜勒频偏，波形畸变等回声信号的不同点：弹性目标回声信号随频率作剧烈振荡，其原因是在入射波的激励下，目标的某些固有振动模态被激励，这些振动的辐射波是回声信号的组成部分，它们和镜反射波、不规则处的散射波等分量的迭加得到总的回声信号，而这种相干迭加是和频率有关的，因而回声信号随频率而变。,第六章海洋中的混响,将声呐换能器放入混响声场中，声轴指向目标，在混响的作用下，换能器输出开路电压v，再将声强为i的平面波沿声轴入射向换能器，如换能器的开路输出电压也等于v，则就用平面波声强度量混响强度，称rl为等效平面波混响级。混响是主动声呐特有的干扰，它是一个非平衡随机量，随时间衰减，它的瞬时值服从高斯分布，振幅服从瑞利分布。其频率特性基本上与发射信号相同，在空间中不是均匀的。,5为什么说海洋体积混响源是海洋生物？海面混响和海底混响是如何形成的？解：海洋体积混响主要来自深水散射层。深水散射层具有昼夜迁徒规律，早晚较浅，接近海面，白昼较深；该层具有一定厚度；且有选频特性，据此可以判定，该层是由海洋生物组成的，它们是体积混响的散射源。海面混响是由波浪海面不平整及海面附近的一层小气泡对声波的散射形成的，海底混响是海底的不平整及表面的粗糙度对声波的散射形成的。,6、海洋混响是如何形成的？它的强弱与哪些因素有关？解：海洋混响是由海洋中存在的大量不均匀性（如海底、海面的不平整，海面附近的气泡，海底的粗糙度，海洋生物等）对入射声波的散射波在接收点的迭加，混响首先与海水体积或海面、海底的散射强度有关，还与换能器等效联合指向性、发射脉冲宽度和入射声强度有关。,解：（1）计算混响的简单模型：声线直线传播；不计海水声吸收；散射体（面）单元均匀连续分布；每一散射体（面）单元散射声波的发生和结束与入射到此单元上的入射声波同时发生和结束；不计二次散射。（2）t时刻收发合置换能器接收的混响来自半径为ct/2和c（t+）/2的球壳间散射体的散射，此区域记作v0。,14同上题，若该声呐发射声源级190分贝；干扰噪声为各向同性，其均匀噪声谱级为70分贝，声呐工作带宽200hz，接收器等效束宽为0.1弧度，求：接收信号的信噪比。并分别讨论：为提高接收信号的信混比应如何改变声呐系统的参数？为提高接收信号的信噪比应如何改变声呐系统的参数？,第七章水下噪声,1为何在水下噪声研究中将舰船噪声分为舰船辐射噪声和舰船自噪声？写出舰船辐射噪声的噪声源，并说明它们的频率特性及在辐射噪声中起的作用。解：（1）舰船噪声对声呐作用有两种：一个作为它舰被动声呐探测目标的声源，另一个作为本舰声呐的干扰。这表现在声呐方程中：前者为被动声呐方程的声源级（sl），后者表现为干扰噪声（nl）的一部分。并且舰船辐射噪声和舰船自噪声的性质也不同。因而舰船噪声分为舰船辐射噪声和舰船自噪声。（2）舰船辐射噪声源有：机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声三种。（3）舰船噪声的谱特性：连续谱上迭加线谱。,2写出（1）海洋环境噪声源及其频率特性；（2）海洋环境噪声的空间指向特性和振幅分布特性。解：海洋环境噪声源及其频率特性：潮汐和波浪的海水静压力效应1或2周日；远处行船50500hz地震扰动低于1hz；波浪噪声50025000hz海洋湍流110hz；分子热噪声25000hz海洋环境噪声具有空间指向性，即远处行船噪声具有水平指向性，波浪噪声则有垂直指向性。海洋环境噪声的振幅分布是高斯型的，但如水听器置于水面附近，则振幅分布比高斯分布尖。,3为什么说频率50500hz，50025000hz的环境噪声分别是航船噪声和风成噪声（海面波浪噪声）解：实验测量表明，在50500hz频段，海洋环境噪声的谱比较平坦，与波浪的大小基本无关，且具有水平指向性，因此可以判定此频段的噪声主要来自远处航船。在50025000hz频段，环境噪声具有垂直指向性，且与海面波浪大小密切有关，因而波浪噪声为此频段的主要噪声源。,5说明螺旋桨噪声的形成机理及与航速，航深和频率的关系。在低频段，螺旋桨噪声强度与频率的3次方式正比，当速度由v变为2v时，噪声强度增加多少分贝。解：螺旋桨噪声由空化及唱音构成。螺旋桨旋转时，当速度达到一定值时，在叶尖和叶片表面上形成负压而产生气泡，这些小气泡破裂时发出的嘶嘶声就是螺旋桨空化噪声，它与航速、航深及频率的关系见上左图。螺旋桨噪声只有在航速达到或超过临界航速才产生。见上右图，空化噪声是连续谱。唱音是由于叶片周期性切割海水而产生的，它的频谱是线谱。当速度由v变为2v时，噪声强度增加,8对于舰船自噪声来说，水动力噪声具有特殊的重要性，在工程上可采取哪些措施降低水动力噪声。解：降低水动力噪声，工程上常采用：（1）将换能器封闭在导流罩内；（2）将换能器安装在舰艏滞流点处；（3）适当增加换能器表面积；（4）在换能器表面喷注聚合物液体。,第八章声纳方程的应用,1开阔水域中扫雷舰拖拽宽带噪声源、声源谱级160db，被扫音响水雷对200300hz的噪声敏感，环境噪声谱级90db，接收机检测阈dt=10db，海水吸收系数，求作用距离（给出表达式）。解：被动声呐方程sl-tl-(nl-di)=dtsl=160+10lg(300-200)=180dbnl=90+10lg100=110di=0dt=10