水声学原理PPT绪论

1、2020/12/27,水声学基础序论,1,水声学基础 Fundamental of Underwater Acoustics,2020/12/27,水声学基础序论,2,水声学基础 Fundamental of Underwater Acoustics,课程编号：0320040 任课教师：申晓红 联系电话：88495836 E-mail: QQ：1121604675,2020/12/27,水声学基础序论,3,课程内容,序论 第一章 声学基础 第二章 海洋的声学特性 第三章 海洋中的声传播 第四章 典型传播条件下的声场 第五章 声波在目标上的反射和散射 第六章 海洋中的混响 第七章 水下噪声,20

2、20/12/27,水声学基础序论,4,课程成绩,平时到课：10 平时作业：20 考试成绩：70 总 成 绩：100,2020/12/27,水声学基础序论,5,教材及参考资料,参考书目：1 马大猷 编 现代声学理论基础 科学出版社，2004 2 顾金海, 叶学千编. 水声学基础. 国防工业出版社, 1980 3 .J.尤立克著，洪申译. 水声学原理. 哈尔滨船舶工程学院出版社，1990,教材名称：刘伯胜，雷家煜编. 水声学原理. 哈尔滨工程大学出版社,1993,2020/12/27,水声学基础序论,6,课程特点,该课程与以往所学课程在课程内容与教学方法上均有不同，主要表现在： 注重数学建模； 在

3、数理方程与特殊函数的基础上进行讨论，理论上有难度； 注重试验，在试验的基础上进行总结，得出普遍性的理论结果； 在教学过程中渗透科学研究的方法。,2020/12/27,水声学基础序论,7,序论,第一讲主要研究内容 水声学研究的意义 水声学研究的对象 水声学发展简史 水声的主要应用,2020/12/27,水声学基础序论,8,1. 水声学研究的意义,世界地图,2020/12/27,水声学基础序论,9,1. 水声学研究的意义,中国版图,2020/12/27,水声学基础序论,10,1. 水声学研究的意义,海洋是人类生命的摇篮 生命的源泉，生命的起源，科学探索，深海生命现象 海洋是人类赖以生存的宝库 海洋

4、资源之多少？几乎人类生存所需要的一切资源，食品、能源、矿物、金属、石油、天然气. 探测？勘探方法？开采？ 海洋是人类生存和发展的主要空间 海洋环境的恶化加剧，海洋灾害频繁 如何认识海洋？海洋的勘探、调查、监测手段是什么？,2020/12/27,水声学基础序论,11,1. 水声学研究的意义,海洋是世界军事争斗的主要战场 战争的演变，由陆到海，由海到陆，现在是以海为主。航母，巡航弹，精确制导武器等应用改变了战争的模式。海上军事力量成为军力的主要标志。 海上力量的战斗力的基础是生存能力，海上作战的最有效的武器，经过两次世界大战证明，一是潜艇，二是鱼雷。尤其是现在的配备了核打击力量的安静型核动力潜艇、

5、安静型潜艇配备智能鱼雷，成为水面舰艇和地面目标的最主要的威胁。,2020/12/27,水声学基础序论,12,1. 水声学研究的意义,潜艇依然是海战的重要作战平台 世界上的潜艇按动力可区分为：常规潜艇和核潜艇；按作战任务可区分为：战略导弹潜艇和攻击型潜艇 世界上拥有核潜艇的国家有5个，拥有各型核潜艇150余艘，其中，战略导弹核潜艇近50艘，攻击型核潜艇100余艘 还有近40个国家拥有不同类型的常规潜艇300余艘。 拥有常规潜艇数量最多的国家在我们亚洲（朝鲜拥有60艘）,2020/12/27,水声学基础序论,13,1. 水声学研究的意义,二战期间，潜艇共击沉作战舰艇381艘，其中战列舰3艘，航空母

6、舰17艘，巡洋舰32艘，驱逐舰122艘，还有其它作战舰艇207艘，击沉各种运输船5000余艘 二战中各种舰艇共击沉航空母舰38艘，仅潜艇就击沉17艘 被潜艇击沉的潜艇80艘 在第二次世界大战中，德国“U-47”号潜艇于1939年10月潜入英国位于苏格兰北部的海军基地，在港内击沉了英国的排水量达33000多吨的大型战列舰“皇家橡树”号，创造了军事史上的奇迹,2020/12/27,水声学基础序论,14,美国 美国是世界上潜艇技术领先、数量最多的国家，共拥有潜艇70余艘，全部为核动力潜艇，其中，战略导弹核潜艇近20艘、攻击型核潜艇50余艘,1. 水声学研究的意义,美国最新核动力攻击潜艇-海狼号,20

7、20/12/27,水声学基础序论,15,美国 “俄亥俄”级战略导弹核潜艇是美国“三维一体”战略核力量的中坚，该级艇是美国至今建造的吨位最大、性能最先进、携带导弹最多的战略导弹核潜艇，水下排水量18750吨，下潜深度400米，水下航速25节，每艘有24 个导弹发射筒,1. 水声学研究的意义,美国俄亥俄级核动力导弹潜艇,2020/12/27,水声学基础序论,16,俄罗斯 俄罗斯的弹道导弹核潜艇共发展了四代，分别为“台风”级、DI、DII、DIV级，目前在役的有17艘，“台风”级弹道导弹核潜艇是世界上排水量最大的核潜艇，其水下排水量26500吨，水下航速26节，可携带1620枚SS-N-23或SS-

8、N-20型弹道核导弹，每枚可携载10个分弹头，射程可达900010000公里,1. 水声学研究的意义,俄罗斯D级弹道导弹核潜艇,2020/12/27,水声学基础序论,17,英国 英国是世界上第三个拥有核武器的国家，英国的核力量全部为海基，目前拥有战略导弹核潜艇4艘，每艘可携带16枚“三叉戟”弹道核导弹，每枚可携载14枚分弹头，射程达12000公里,1. 水声学研究的意义,英国最新战略核潜艇-警戒,2020/12/27,水声学基础序论,18,法国 法国海军的战略导弹核潜艇有三代，第一代“无畏”级、第二代“不屈”级、第三代“胜利”级。目前在役的有5艘，其中“胜利”级水下排水量14335吨、水下航速

9、25节、下潜深度300米，可携带16枚M45型战略核导弹，射程5300公里,1. 水声学研究的意义,法国海基核力量中坚-凯旋号核潜艇,2020/12/27,水声学基础序论,19,中国 中国潜艇: 091型“汉”级攻击核潜艇、 092型“夏”级弹道导弹核潜艇、 039型“宋”级潜艇,1. 水声学研究的意义,中国 092型“夏” 级弹道导弹核潜艇,2020/12/27,水声学基础序论,20,1. 水声学研究的意义,鱼雷和水雷是目前水下作战的主要兵器 鱼雷多种多样 制导方式：主动/被动声自导、尾流自导、线导 投放方式：潜艇布放、舰艇布放、飞机布放、渔船布放 爆炸方式： 超高速：超空泡 水雷多种多样

10、引爆引信：触发引信、非触发引信 布放方式： 主动攻击水雷 水鱼雷 鱼水雷,2020/12/27,水声学基础序论,21,2020/12/27,水声学基础序论,22,2020/12/27,水声学基础序论,23,2020/12/27,水声学基础序论,24,2020/12/27,水声学基础序论,25,2020/12/27,水声学基础序论,26,1. 水声学研究的意义,水雷网络,2020/12/27,水声学基础序论,27,1. 水声学研究的意义,海军的新型装备 无人水下航行器（UUV）,美国海军于2000年制定UUV发展规划，并于2004年9月和2005年1月两次修订了UUV发展规划。 2007年底发布

11、了“无人系统路线图2007-2032”,UUV在其中占重要地位。 美计划于2020年前，水下作战武器无人化达到1/3。 有研究报告称美海军大力发展专门针对我常规柴油潜艇的UUV，以确保海洋霸权地位。,2020/12/27,水声学基础序论,28,1. 水声学研究的意义,美国最新公布的UUV发展规划中，确定了未来发展的四种UUV形式： 便携式：直径大约在7.6厘米23厘米之间，重量小于45kg，便携式UUV可执行的任务包括：特殊目的的情报监视侦察(ISR)、可消耗的通信/导航网络节点(CN3)、极浅水域反水雷、勘察与识别、灭雷以及爆炸物处置。 轻型：直径324mm，执行的任务包括：港口ISR、特殊

12、目的海洋调查、移动式CN3、网络攻击和反水雷区域侦察。,重型：直径533mm，执行的任务包括：战术ISR、海洋调查、反水雷、秘密侦察以及作为诱饵。 大型 ：直径超过910mm，排水量月10t，巨型UUV能够执行持续的ISR任务，适用于反潜战、大范围的海洋调查、水雷战、特种作战、爆炸物处置以及“时敏”打击。,海军的新型装备 无人水下航行器（UUV）,2020/12/27,水声学基础序论,29,1. 水声学研究的意义,UUV网络,2020/12/27,水声学基础序论,30,1. 水声学研究的意义,海军的新型装备 蛙人,2020/12/27,水声学基础序论,31,1. 水声学研究的意义,水下作战的主

13、要手段 潜艇、鱼雷、水雷、UUV、蛙人等 水下战的主要内容 潜艇战与反潜战 鱼雷攻击与防护 水雷战与反水雷 水下作战保障 先敌发现 精确定位 隐蔽导航与通信,2020/12/27,水声学基础序论,32,1. 水声学研究的意义,先敌发现 隐身能力，有效地隐蔽自己而不被敌人发现 探测能力 精确定位 定自己的位置 定敌人的位置 隐蔽导航与通信 隐蔽性是主要的 已经有很多进展,2020/12/27,水声学基础序论,33,1. 水声学研究的意义,水下的探测、定位、导航和通信如何实现？如何在水下获取信息？,2020/12/27,水声学基础序论,34,1. 水声学研究的意义,陆地上的信息获取： 光 声 无线

14、电 电磁波是最有效的信息载体 探测雷达 导航与定位GPS 通信有线、无线、卫星通信,2020/12/27,水声学基础序论,35,1. 水声学研究的意义,声波是唯一能在海洋中远距离传输信息的信息载体 声波的衰减 1分贝/公里，10kHz 频率，（声波的衰减与频率的平方成正比），利用海洋中的波导效应，声波可以传播的更远。 电磁波的衰减 4500分贝/公里（每米能量衰减百分之九十），所以海洋中是漆黑的，即使蓝绿激光，能穿透的距离也只有百米量级，并且是水质清澈条件下。,2020/12/27,水声学基础序论,36,2. 水声学的研究对象,它是水声工程应用的理论依据，为工程设计提供合适参数。,它对水声物理

15、提出新的内容和要求，为其研究提供新的手段，并促进其发展。,水声工程：,水声物理：,水声学,2020/12/27,水声学基础序论,37,2. 水声学研究的对象,水声物理：从水声场的物理特性分析出发，主要研究海水介质及其边界（海底、海面）的声学特性和声波在海水介质中的传播时所遵循的规律，及其对水声设备工作的影响。,海洋环境声特性 海水水体 海底与海面 水声传播 混响 噪声 散射 起伏,2020/12/27,水声学基础序论,38,2. 水声学研究的对象,水声工程：包括水下声系统和水声技术两方面 水下声系统 ：是水声换能器及基阵，实现水下声能与电能之间的转换，研究内容主要为换能器材料、结构、制作及其辐

16、射、接收特性等。 水声换能器及基阵，周福洪编著 水声技术：广义声波在水中完成某种职能的有关技术。 狭义水声信号处理、显示技术，主要研究声 信号在水中传播时的特性和背景干扰 （噪声和混响）的统计特性，在此基础 上设计最佳时、频、空处理方案，实现信 号检测，完成目标参数估计和识别。 水声信号处理基础，钱秋珊、陆根源编,2020/12/27,水声学基础序论,39,2. 水声学研究的对象,水声换能器及基阵,水声换能材料 水声换能器设计原理与方法 水声换能器工艺 声基阵成阵技术 水声换能器校准计量,2020/12/27,水声学基础序论,40,2. 水声学研究的对象,时频分析 自适应技术 检测与估计 特征

17、提取与识别 基阵信号处理波束形成技术 信号处理的软硬件实现AD &DA技术，DSP技术,水声信号处理,2020/12/27,水声学基础序论,41,2. 水声学研究的对象,例：当发现某海区内潜艇目标时，用飞机向该海区投放某鱼雷。飞机可按设定的时间间隔每组投放若干枚，弹间水平距离400m，各枚鱼雷可分别进行自导，对航速20节内的潜艇目标形成集群攻击。鱼雷的工作过程如图所示，大约以20m/s的速度垂直下行。,设计鱼雷探测装置的声基阵结构、发射信号的类型、频率，并估计目标的方位、距离，以及探测的范围。,2020/12/27,水声学基础序论,42,3.水声学发展简史,水声学的早期研究可以追溯很遥远，因为

18、水声学毕竟是声学的一个重要分支 水声学的诞生需要许多条件，一是需求，二是基础。 水声学发展史上的著名事件 海洋探测和海军的需求是水声学发展的两大基本推动力,2020/12/27,水声学基础序论,43,3.水声学发展简史,1490年，达.芬奇摘记中提出用长管听远处航船 1827年，瑞士物理学家D.Colladon和法国数学家C.Sturm合作，在日内瓦湖测量了水中的声速。,2020/12/27,水声学基础序论,44,3.水声学发展简史,第一和第二次世界大战期间 反潜，法国、英国和美国，主动声纳 郎之万振子，夹心石英预应力换能器 磁致伸缩换能器 电子管振荡器和放大器 压电陶瓷 透声橡胶 水声物理研究，传播，噪声，混响的基本理论 潜艇攻击，德国的被动声纳听音系统 潜艇隐身技术，消声瓦,2020/12/27,水声学基础序论,45,3.水声学发展简史,二战以后的水声技术与水声学 传感器技术 拖曳线列阵技术 水声信号处理