工程水声学原理

1、1.1海洋中为什么使用声？答：在人们迄今所熟知的各种能量形式中，在水中以声波的 传播性能最好。无论是光波还是电磁波，他们在水中的传播衰减 都非常大，因而在海水中的传播距离十分有限，远不能满足人类 海洋活动的需要。1.2声波在水中得以应用的根本？答：R=ct，它能将距离与时间进行互换。1.3海洋中声传播的特点、规律、研究方法。答：突出特点：由于海洋环境非常复杂，海洋中的声传播非 常复杂。规律：短距离，三维传播，球面扩展，海洋环境的影响较小， 采用确定性研究方法；长距离上，二维传播，柱面扩展，海洋环 境影响很大应优先考虑，用统计方法研究。1.4水声学主要研究课题？答：主要研究携有某种信息的声波在水

2、中的产生、传播和接 收。水声物理研究声波在海水中的传播规律，水声工程研究声波 的产生和接收，包括水声系统设计和水声技术两部分。2.1 一维线性波动方程及其一般形式与含义其中：m = p/ ， n =匕3.1传播损失TL的主要原因:扩展损失：球面，柱面吸收损失：a = 10既4 10lg12，dB/m,2-13.2 地=10lg7=n-10lgr+ar3.3设计声纳时允许的吸收损失：极限距离r上a - r = 10 dB，可由 r T，或 f r4.1各向同性与非各向同性声源：各向同性声源：p = W j( W-kr ) r非各向同性声源：p = B (K)(-kr) ,B(K)指向性函数。4.

3、2描述指向性的参数:指向性因子：d =右B2dS 1答：一维线性波动方程 - =0，一般形式为如c0 指向性因子：DI = 10 lg ： 2 04.3指向性对SL的意义:V2 p- 丁0，其含义是将声波随空间的变化与声波随时 c2 dt 2间的变化联系起来。无指向性声源：SL = 10 lg W + 171 dB2.2何为简谐波，谐波解?有指向性声源：轴向，SLD(0) = 10 lg W + DI + 171 dB答：随时间t作正弦或余弦规律的运动，一般称为简谐振动，产生的波是简谐波。谐波解为p (t, x) = ej(w-k)。非轴向，SL = SLD(0) - 10lg 苴=SLD(0

4、) - DL指向性损失：DL = 10 lg tB 22.3 Helmhoz 方程：v 2p(x) + k 2p (x) = 0。2.4自由空间中的声：p(t,x) = p ej(g)a质点振速：u (t, x) = u ej (Sk)， Ua声阻抗率：Z = 7，特征阻抗：u声强：I = 丁 j T pudt = 丁 p uPa ；p0 c04.4均匀线阵的指向性B(K )=sinc(K L/2)=K = k sin 0 = Trr sin 0sin(K L/2)KL/2sin( kL sin。)2氏sin 02声功率：w = j IdS = Etp 0 c0d =艾，DI * 10lg(2

5、.5声压与声强的对数表示艾)，4.5均匀线列阵指向性(M个阵元，声压级：SPL = 20lg 丁 dBpref声强级：SIL = 10 lg T dB re Iref=6.76X 10-19W/m2。refre2.6平整界面上的声反射与声透射rePrefMB= sin(M 秘 sin 0 ) sin(M 气 sin 0 )M sin( k sin 0 ) Msin( nd sin 0 )d * M，DI=10lgM4.6束控Snell定律：入射角0.与反射角9 :rsin 0 -i -c1i入射角1与透射角0t：声压反射系数：sin 0 = sin 0，即sin 0tc2R p p c cos

6、 0 - p c cos 0 r /cos 0 r /cos 0 mosr2 2i1 1t 2t1ip p c cos 0 + p c cos 0 r / cos 0 + r / cos 0 1 i2 2i1 1t2t1i声压透射系数：mcos0+i，2命 20in 2 一 sin 20i)p 2 p 2 c 2 cos 0 .2 r / cos 0p p c cos 0 + p c cos 0 r / cos 0 + r / cos 0 1 i r2 2 i r1 1 t2 t 1 i2 tm co.门e间距为d)波束图控制：主要有主瓣宽度ne(0_3dB)旁瓣级、波束指向 角。4.7基阵尺

7、寸设计物体横向尺寸为D，与基阵距离为r，则基阵的波束宽度应为门 =De r对均匀线列阵，最小的实际基阵尺寸是L .minTS = 10 lg(QIi=10 lg。nQemin D fD例15.1目标强度TS的定义:距离声学中心1米处的反射声强Ir与入射声强Ii之比的对 数，即表示目标对辐射声波的反射能力。5.2大刚性球的目标强度：TS = 10 lg 七 I = 10 lg a2，a 为球半径 i5.3有限长圆柱体的目标强度：TS = 10 lg aL2（5）2cos2 9 ，a为柱面半径，L为主体长 -2人尤-度，X = Esin 9。当声波从正横方向入射时： 人TS = 10 lg 鬟5.

8、4椭球形物体正横方向入射时：TS = 20 lg 了，L为球体长轴长度舰艏入射时：TS = 20 lg D2，d为短轴长度46.1海洋为什么可以看成是近似水平分层的介质?因为声速依赖于垂直坐标z，即c=c（z）。6.2海洋中声传播的规律？Snell 定律：sin9i = sin91 cc对平面波严格成立对波长与声线弯曲的曲率半径相比很小的球 声来源。在浅海，潮汐和海面波浪的海水静压力效应可能成为压 敏水听器的主要低频（低于1Hz的频率）噪声源。海洋湍流是1 至20Hz的十倍频程范围的低频噪声源。在50至500Hz的十倍频 程内，远处行船、远处风暴是主要的噪声源，且与行船的密集度 有关。在500

9、25000Hz的频率范围内，海面粗糙度（海况、海面 波浪）是噪声主要来源。超过100kHz频率上，噪声主要是热噪 声。7.2噪声的谱级和带级噪声的噪声级（带级）：NL = 10 lg pN浇10 lg s“b吭p%噪声的谱级:SNL = 10 lg SnNL = SNL + 10 lg B7.3环境噪声、局部噪声距离局部噪声源R的距离上，噪声级为NL = SL - 20 lg R局部噪声源的谱噪声级SNL = SL - 20 lg R + 10 lg B7.4阵增益各向同性环境噪声，空间噪声谱密度S与角度Q无关，AG = 10 lg so = 10 lg l = DIS 0 J B 2 d Q

10、J B 2 d Q非各向同性噪声，基阵与噪声同轴：基阵的等立体角Qe大于噪声的空间立体角Qn时，AG=0；基阵的等立体角Qe小于噪声的空间立体角Q时，AG = 10 lgS0QnnS0B2 (0)Q%面波也成立。6.3声线：等相位面：6.4海洋中声线弯曲的规律、特点向声速小的方向弯曲基阵与噪声不同轴：AG = 10 lg（典n典e）（SaS0） + B2（电, C8.1混响产生的原因、分类混响是指海洋中非均匀体产生的反向散射的总和，主要原因6.5线性声速剖面中的声线轨迹?圆弧6.6与声速有关的因素：温度T、深度（压力p）h、盐度S。温度影响最大，随T、h、S的增大而增大6.7海洋中声速结构?7

11、.1 Wenz 曲线：在低频端，噪声主要受地震活动和湍流的控制；中频范围受 风动表面波产生的噪声控制；在超过100kHz频率上，噪声主要 是热噪声。微震扰动、地壳通常的运动是非常低频率（低于1Hz的频率） 的主要海洋噪声源，单次大地震和远处火山爆发也是深海低频噪 包括：海洋生物、泥沙粒子、气泡、冷热水团、不平整的海面和 海底。海洋中产生混响的散射体有三种根本不同的类别。一种散射 体存在于海水本身或体积之中，它引起体积混响。海面混响是由 位于海面上或海面附近的散射体产生的。海底混响则是在海底上 或海底附近的散射体所引起的。海面混响和海底混响合成界面混 响。8.2混响强度的度量一等效平面波混响级R

12、L等效平面波混响级RL定义：设有接收器接收来自声轴方向 的强度为I入射平面波，接收器输出端电压为V，若将此接收器 放置在混响声场中，声轴对着目标，若在混响场中该接收器输出 端电压也为V，则此混响场的等效平面波混响级RL为RL = 10 1g -10I0为参考声强。等效平面波混响级RL量度了在混响是主要的背景 干扰下，混响干扰的大小。混响是随时间指数衰减的。8.3体积混响RL = SL + S - 40 1g r + 101g (仃甲 r 2 )=SL + S - 20 1g c + 10 1g (仃甲)r = m，散射强度SL01g七=】01g 3，叫r2产生混 响的体积。8.4界面混响海面混响：RL = SL 401g r + S + 101g (cT r)，海面混响：RL = SL 40 1g r + S + 10 1g (ct r)8.5混响统计特性：V (，) = a(t )v(t t )，a是)是相应于第i个散射体的散 ii射波的随机振幅，V (t- )表示单个散射信号的形状。每个