水声学-声波在目标上的反射和散射

第六章声波在目标上的反射和散射1CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第1页!邻近海面的水下点源声场声压振幅随距离的变化特征（近场/远场）传播损失表面声道表面声道特征反转深度、临界声线、跨度的概念传播损失（近距离/远距离）深海声道深海声道特征第五章知识要点2CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第2页!声影区的概念传播损失（近距离/远距离）深海负梯度声线的特点与极限声线几何作用距离的概念深海负跃层概念对声传播的影响均匀浅海声场传播损失与距离的关系（近/中等/远距离）虚源表示的基本思想3CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第3页!目标强度（重点）目标强度概念刚性大球的目标强度常见声纳目标的目标强度的一般特征（重点）潜艇的目标强度鱼雷和水雷的目标强度鱼的目标强度本章主要内容4CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第4页!目标回波（重点）回波信号的形成回波信号的一般特征刚性球体的散射声场（了解）刚性不动球体的声散射刚性不动微小球粒子对平面波的散射声波在弹性物体上的散射（了解）平面声波在弹性球体上的散射弹性物体散射声场的一般特征本章主要内容5CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第5页!目标强度目标强度概念水下目标1）军事目标：潜艇、鱼雷、水雷2）民用目标：鱼群3）无限伸展非均匀体：深水散射层、海面、海底等研究声纳目标回波特性的意义A）主动声纳目标检测和识别的依据B）对声纳设备的设计和应用有重要意义6CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第6页!目标强度目标强度概念目标的声中心：假想的点，可位于目标的内部或外部，回声由该点发出。收发分置（bistatic）：回声强度是入射方向和回声方向的函数。收发合置（monostatic）：回声强度仅是入射方向的函数，即为反向反射或反向散射。提示：多数声纳为收发合置型的，本章主要讨论反向反射情况下的目标回声问题。问题：水下目标的目标强度是大于零还是小于零？为什么？

7CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第7页!目标强度刚性大球的目标强度

从到入射的声波被限制在到的范围内。散射声功率：8CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第8页!常见声纳目标的目标强度的一般特征潜艇的目标强度

问题：潜艇不同方位的目标强度是否一样？正横方向艇首9CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第9页!常见声纳目标的目标强度的一般特征潜艇的目标强度随方位的变化潜艇目标强度与方位角关系曲线呈“蝴蝶形”图形。潜艇目标强度随方位的变化10CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第10页!常见声纳目标的目标强度的一般特征潜艇的目标强度随测量距离的变化近距离处潜艇目标强度测量值有可能小于远距离处的目标强度测量值，其原因是：1）当使用指向性声纳在近处进行目标强度测量时，由于指向性的关系，声束不能照射到目标的全部；2）某些几何形状比较复杂物体的回声随距离的衰减规律不同于点源声场。问题：如何解释？11CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第11页!常见声纳目标的目标强度的一般特征潜艇的目标强度随测量距离的变化1）在近场（距离小于），回声强度随距离的衰减服从柱面波规律，即。2）在远场（距离大于），回声强度随距离的衰减服从球面波规律，即。3）若分别在近场和远场进行测量，然后按照球面波规律归算到距目标声中心1m处，则结果必然是远距离测量值大于近距离测量值。提示：为了要得到稳定的测量结果，测量应在远场进行，即测量距离。12CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第12页!常见声纳目标的目标强度的一般特征潜艇的目标强度随脉冲宽度的变化1）随着脉冲长度的增加，对回声有贡献的物体表面积相应增大；2）脉冲长度由短逐渐变长时，目标强度值也由小逐渐变大，直到脉冲长度变为后，目标强度值就不再随脉冲长度的变化而变化。提示：TS随脉冲宽度的变化关系决定了TS测量时的最小脉冲宽度；但在正横方向上目标强度随脉冲长度变化的现象不明显。因为这时目标在入射波方向上的长度很小，并且几何镜反射是形成回声的主要过程；当测量目标上的单个亮点处的目标强度时，该效应也不显著（脉宽减小效应）。13CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第13页!常见声纳目标的目标强度的一般特征鱼雷和水雷目标强度14CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第14页!常见声纳目标的目标强度的一般特征鱼雷和水雷目标强度正横方位上圆柱形物体的目标强度：式中，a为圆柱半径，L为圆柱长，是声波波长

举例：若，，，可得目标强度值。该值与水雷正横方向上的测量值基本相符。

提示：鱼雷和水雷的目标强度也随方位、频率、脉冲宽度和测量距离变化，大体与潜艇的相类似。15CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第15页!常见声纳目标的目标强度的一般特征鱼目标强度单个鱼体的研究

3）测量结果：鱼体长与目标强度的关系如右图。图中直线为TS值与10lgV之间的关系，V是鱼的体积。鱼群的研究视鱼群为一个整体，如果鱼群由N条相距较大的鱼所组成，则鱼群总目标强度为TS+10lgN，其中TS是单个鱼体目标强度值。16CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第16页!目标强度的实验测量测量原理根据目标强度的定义：计算入射声强度和回声强度比较法测量原理利用已知目标强度的参考目标，在相同的测量条件下测量参考目标和待测目标的回声强度，比较它们的回声强度即可。17CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第17页!目标强度的实验测量比较法适用范围适用于短距离下小物体的测量。优缺点

优点：操作和计算简单，是比较实用的方法。

缺点：需要一个目标强度已知的参考目标，它的大小和结构要保证其目标强度近似理想几何物体目标强度；对于大目标（例如潜艇）很难保证前后两次测量条件相同。18CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第18页!目标强度的实验测量直接法目标强度的计算水听器处的回声级：EL=SL-2TL+TS回声级的定义：

待测目标强度值：说明该方法需测量三个物理量。19CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第19页!目标强度的实验测量应答器法测量原理图

20CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第20页!目标强度的实验测量应答器法目标强度的计算待测目标强度值：TS=B-A优点：不需要确定传播损失；不需要对声源、应答器和两个水听器作绝对校正。实验室测量测量方法：比较法和直接法。注意事项

1）声源与目标之间的距离和目标与水听器之间的距离应满足远场条件-两个远场21CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第21页!常见声纳目标的目标强度提示：一般，声纳目标的目标强度值是根据实验测量得到的，结果具有较大的离散性，上表是从统计的意义上给出的规律性结果。22CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第22页!简单几何形状物体的目标强度提示：声纳目标不满足刚性、不动的理想条件，表中所列公式得到的仅是一种近似值。作为一种估计，这些公式在实际工作中是十分有用的。23CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第23页!目标回波目标回波概述在声学中，近场的次级声波——衍射波；远场的次级声波——散射波。本书中统称为散射波。测量目标回波的应用测量回波信号分析处理回波提取目标特征目标检测识别24CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第24页!目标回波回波信号的形成目标再辐射一般声纳目标为弹性物体，在入射声波的激励下，目标的某些固有振动模式被激发，向周围介质辐射声波，它是目标回声的组成部分，称之为非镜反射回波，与目标力学参数、状态以及与入射声波相对位置等因素有关。如下图所示，窄平面波脉冲入射到铝球上的回波脉冲串。25CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第25页!目标回波回波信号的一般特征多卜勒频移运动目标回波频率和入射波产生差异，这种差异的大小与入射波频率f及目标与声源之间距离变化率V有关，满足如下关系：

提示：目标接近声源时，取正号；目标远离声源时，取负号。

举例：声纳工作频率10kHz，声源以10节(5.15m/s)的相对速度趋近目标，回波频移69Hz。26CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第26页!目标回波回波信号的一般特征脉冲展宽

提示：回声脉冲的这种展宽现象，在窄脉冲入射下，目标为许多散射体组成的复杂目标，回声脉冲展宽明显；若回声主要过程是镜反射，回声脉冲展宽可以忽略。

举例：潜艇目标，在正横方向，回波展宽仅为10ms，在首尾方位，回波展宽为100ms。包络不规则性回声包络是不规则的，特别当镜反射不起主要作用时更是如此。27CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第27页!课堂小测验三在高频远场条件下，简单地用能量守恒关系推出半径为a的刚性大球目标强度TS值的表达式。测量柱形目标的TS值时，发现TS值随测量距离而变，说明这种变化关系，解释其原因。实验室水池中测量水下目标的目标强度应注意哪些事项？28CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第28页!刚性球体的散射声场刚性不动球体的声散射散射场计算取坐标系的原点和刚性球的球心重合，并取轴与入射平面波的传播方向一致，设刚性球的半径为，如图所示。29CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第29页!刚性球体的散射声场

刚性不动球体的声散射散射场计算由于入射声波关于

轴对称，散射波也关于

轴对称，则它与变量无关，则有：利用分离变量法，设：30CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第30页!刚性球体的散射声场刚性不动球体的声散射散射场计算根据勒让德方程的解有（为分离变量时引入的常数，根据勒让德方程的性质，必须是非负整数）：根据球贝塞尔方程的解有：31CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第31页!刚性球体的散射声场

刚性不动球体的声散射散射场计算

问题：常数的确定（根据边界条件）对于刚性球体有：

由于散射场声压为贝塞尔函数和勒让德函数的级数和的形式，固将入射波声压展开为：32CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第32页!刚性球体的散射声场

刚性不动球体的声散射散射场计算对于散射波的远场，利用球汉克尔函数在大宗量条件下近似展开，远场散射波声压为：，其中：33CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第33页!刚性球体的散射声场

刚性不动球体的声散射散射场特点4）随频率的变化刚球远场散射波强度：刚球目标强度：34CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第34页!刚性球体的散射声场

刚性不动微小球粒子对平面波的散射整理得到散射波声压：散射波声强：目标强度：

结论：具有明显的指向性和强烈的频率特性。35CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第35页!声波在弹性物体上的散射平面声波在弹性球体上的散射散射场计算

分析：与刚性球体的散射场计算过程作对比，相同点：散射波声压满足相同的波动方程，解法相同，形式解相同；不同点：确定形式解中的待定系数的边界条件不同。

边界条件：1）法向应力连续2）法向位移连续或法向质点振速连续3）切向应力为零36CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第36页!声波在弹性物体上的散射

球面声波在弹性球体上的散射散射场计算考虑点声源置于S处，它距球心的距离为，空间任意点P处入射声场为：37CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第37页!声波在弹性物体上的散射

球面声波在弹性球体上的散射散射场计算考虑收发合置情况下的回波，则远场条件下的回波表达式：引入形态函数：38CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第38页!声波在弹性物体上的散射

球面声波在弹性球体上的散射形态函数比较刚性球、声学软球、钢球和铝球：39CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第39页!声波在弹性物体上的散射弹性物体散射声场的一般特征频率特性1）宽脉冲入射信号散射强度随频率作极大、极小急剧变化，回波波形产生严重畸变。2）窄脉冲入射信号回波为一脉冲串，每个脉冲之间的间隔基本相等，脉冲幅度逐渐衰减，波形基本不变。波形畸变的解释：A）回波来自物体表面的散射波、透入物体内部经内表面反射、透射到达的波，入射波激励下的再辐射波；40CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第40页!声波在弹性物体上的散射

弹性物体散射声场的一般特征频率特性回波强度随频率急剧起伏的解释：设入射波的频谱为，则有：根据远场回波表达式有：41CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第41页!声波在弹性物体上的散射

弹性物体散射声场的一般特征非镜反射效应

1）Finney在实验室中发现，对于浸在水中弹性薄板，在声波入射角满足如下关系：在入射方向上有强烈反射，它不满足镜反射规律，称为“非镜反射”。为板中弯曲波（反对称兰姆波）速度。2）进一步研究表明，当声波入射角满足如下关系：也发生非镜反射，为板中纵波速度。42CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第42页!壳体目标上的回波信号前言声纳目标的结构更类似于壳体以弹性球壳为例讨论壳体目标回声信号稳态回波信号形态函数随ka的变化充水钢球壳

回声信号的形态函数43CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第43页!壳体目标上的回波信号稳态回波信号形态函数随壳厚的变化内侧为真空时钢球壳回声信号的形态函数44CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第44页!壳体目标上的回波信号稳态回波信号壳体目标散射声场的空间指向性特性内侧为真空时钢球壳散射声场的空间指向性45CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第45页!用赫姆霍茨积分方法求解散射声场

前言分离变量法只能应用表面规则形状物体形状不甚规则的物体，经常应用赫姆霍茨积分方法来求解散射声场对于形状规则物体，边界是硬或软边界的简单情况，能给出严格解析解；对于非规则形状物体，边界条件复杂情况，则应用数值积分法得到数值解，赫姆霍茨积分方法在实际工程中应用较多。46CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第46页!用赫姆霍茨积分方法求解散射声场赫姆霍茨积分解上式中，为入射波势函数。作为近似，在刚性物体表面上散射声场等于入射声场，即考虑远场条件有：

47CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第47页!用赫姆霍茨积分方法求解散射声场费涅尔半波带近似法赫姆霍茨积分解需要知道物体表面的曲面方程，运算繁琐。费涅尔半波带方法是一种近似方法，简化运算量。赫姆霍茨积分解的物理意义物体表面上各点在入射声波的激励下，作为次级声源辐射次级声波，它们在接收点迭加成为散射声波，次级声波的相位为，即由声波的往返路程决定。48CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第48页!用赫姆霍茨积分方法求解散射声场费涅尔半波带近似法第个半波带的散射声场为：

如果物体表面共分为N个波带，则总散射声场为：当物体比波长大很多，且物体的曲率半径较大，则N很大，相邻波带的变化不大，面积也很接近。49CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第49页!目标强度的实验测量（重点）比较法测量目标强度直接法测量目标强度应答器法实验室测量常见声纳目标的目标强度（了解）简单几何形状物体的目标强度（了解）本章主要内容50CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第50页!本章主要内容壳体目标上的回波信号（了解）稳态回波信号短脉冲入射时的回声信号用赫姆霍茨积分方法求解散射声场（了解）赫姆霍兹积分解菲涅尔半波带近似法51CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第51页!目标强度目标强度概念定义：目标强度TS定量描述目标声反射本领的大小，其定义为式中，为入射声波强度；为离目标声中心1米处的回声强度。52CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第52页!目标强度刚性大球的目标强度大球：ka>>1，k为波数刚性：声能不会透入球体内部反射声线：局部平面镜反射定律理想反射体：声能无损失地被球面所反射

到范围内的入射声功率：

53CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第53页!目标强度刚性大球的目标强度根据入射声功率等于散射声功率有：求得

刚性大球的目标强度：结论：TS值与声波频率无关，只与球半径有关。

提示：尤立克《水声原理》应用能量守恒进行推导54CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第54页!常见声纳目标的目标强度的一般特征潜艇的目标强度潜艇的目标强度与方位、频率、脉冲宽度、深度和测量距离等因素有关。测试艇：柴油动力潜艇时间：二战前后。正横方向：12～40dB，平均值25dB

18艘潜艇正横方向目标强度直方图55CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第55页!常见声纳目标的目标强度的一般特征潜艇的目标强度随方位的变化1）在艇的舷侧正横方向上，目标强度值最大，达25dB，系由艇壳的镜反射引起；2）在艇首和艇尾方向，目标强度最小，约10～15dB，系由艇壳和尾流的遮蔽效应引起；3）在艇首和艇尾20度附近，比相邻区域高出1～3dB，可能是由潜艇的舱室结构的内反射产生；4）在其它方向上呈圆形，系由潜艇的复杂结构以及附属物产生散射的多种叠加。56CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第56页!常见声纳目标的目标强度的一般特征潜艇的目标强度随测量距离的变化以长为L的柱体目标强度测量为例：近距离处：远距离处：过渡距离：解得：57CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第57页!常见声纳目标的目标强度的一般特征潜艇的目标强度随脉冲宽度的变化设入射波脉冲长度为，若物体表面上A点和B点所产生的回声在脉冲宽度内被同时接收到，则有：58CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第58页!常见声纳目标的目标强度的一般特征潜艇的目标强度随频率的变化二战期间，人们曾用12、24和60千赫的频率进行潜艇目标强度的测量，试图确定潜艇目标强度的频率响应，但测量结果表明：潜艇目标强度不存在明显的频率效应，如果有的话，也被实测值的不确定性（离散性）所掩盖。

提示：潜艇目标的结构和几何形状十分复杂，产生回声的机理是多种多样的。随深度的变化深度对目标强度值的影响不是影响了潜艇本身，而是深度变化引起声传播规律的变化。

提示：深度对潜艇尾流回声有影响。

59CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第59页!常见声纳目标的目标强度的一般特征鱼雷和水雷目标强度形状：带平头或圆头的圆柱体尺度：长度1米至数米，直径0.3米至1米两者不同：鱼雷尾部安装有推进器；水雷雷体上安装有翼及凹凸不平处。目标强度的特点1）正横方位或头部目标强度值较大——强镜反射2）尾部和雷体上小的不规则部分目标强度值较小。60CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第60页!常见声纳目标的目标强度的一般特征鱼目标强度鱼是探鱼声纳的目标单个鱼体的研究英国Cushing（1963年）等人的研究结果:1）测量对象：鲟鱼、比目鱼、鲈鱼、青鱼等死鱼，安装薄膜塑料人工鱼鳔。2）实验条件：声波频率30kHz，声束由上向下垂直照射到鱼脊背上，鱼处于正常游动状态。61CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第61页!目标强度的实验测量测量原理目标强度测量示意图如下图所示：A是指向性声源，向待测目标辐射声波，发射声信号的脉冲宽度根据测量条件合理选择。B是水听器，接收来自目标的回波。测量应满足远场条件：待测目标应位于声源辐射声场的远场区；水听器应位于目标散射声场的远场区。目标ABIiIr62CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第62页!目标强度的实验测量比较法目标强度的计算设参考目标的目标强度值为TS0，待测目标的目标强度值为TS：式中，为参考目标回声强度；为待测目标回声强度。参考目标ABIiI0待测目标ABIiIr63CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第63页!目标强度的实验测量直接法测量原理图

A为收发合置换能器（为讨论方便而假定），它是指向性声源，声轴指向待测目标；

B为被测目标；距离r应满足远场条件。AB64CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第64页!目标强度的实验测量直接法优缺点

优点：操作比较简单，不需特殊的仪器设备，是一种基本测量方法。

缺点：需要精确地已知或测量传播损失值。应答器法1952年，Urick和Pieper提出的不需确定传播损失的测量方法。

65CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第65页!目标强度的实验测量应答器法测量原理图描述

1）待测目标上安装水听器和应答器各一个，应答器接收声源辐射声脉冲后也辐射声脉冲，水听器先后接收声源和应答器发射的脉冲信号，设它们的声级差为B分贝。

2）在水面船上安装声源和水听器，水听器接收目标回声和应答器所辐射的脉冲声信号，设它们的声级差为A分贝。66CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第66页!目标强度的实验测量实验室测量注意事项

2）测试条件应满足自由场条件-一个自由场

消声水池满足自由场条件；非消声水池的池壁、池底和水面水底反射声会直接影响测量结果的可信度，应消除反射声的影响。根据水池的长、宽、深，合理选择脉冲宽度，适当调整声源、目标和水听器三者之间的位置，使界面反射信号和回波信号在接收时间上分开。

3）合理选择发射信号脉冲宽度-一个脉宽选取依据：测试环境满足自由场条件（不能过宽）；测量结果要达到稳态（不能过窄）。67CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第67页!简单几何形状物体的目标强度68CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第68页!目标回波目标回波概述声波在传播途中遇到障碍物时产生的散射声波中，返回声源方向的那部分声波。它是散射波的一部分，是入射波与目标相互作用产生的，它携带目标的某些特征信息。大目标：目标前方次级声波——反射波；目标后方的次级声波——绕射波。小目标：向空间各方向辐射的次级声波——散射波。与声波波长相当目标：反射、绕射、散射过程均起作用。69CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第69页!目标回波回波信号的形成目标镜反射镜反射是几何反射过程，服从反射定律。曲率半径大于波长的目标，回波基本由镜反射过程产生，与垂直入射点相邻的目标表面产生相干反射回声。目标散射目标表面不规则性，如棱角、边缘和小凸起物，其曲率半径一般小于波长，由散射过程产生回波。70CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第70页!目标回波回波信号的形成回音廊式回声（环绕波）声波入射到A点除产生镜反射波外，还有折射波透射到目标内部。折射波在目标内部传播，在B、C、…上同样产生反射和折射，到达G点时，折射波恰好在返回声源的方向上，它是回波的一部分。71CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第71页!目标回波回波信号的一般特征脉冲展宽目标回声是由整个目标表面上的反射体和散射体产生，整个物体表面都对回波有贡献。由于传播路径不同，目标表面不同部分产生的回波到达接收点时，时间上有先有后，加宽了回声信号的脉冲宽度。如图，平面波以掠射角入射到长为L的目标上，在收发合置条件下，回波脉冲将比入射脉冲展宽：72CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第72页!目标回波回波信号的一般特征包络不规则性

产生原因：目标上各散射体的散射波互相迭加干涉引起的。另外，在目标回声中，还可能有个别亮点，这是由目标上某些部位产生镜反射引起。例如，潜艇的指挥台。调制效应

产生原因：（1）螺旋桨旋转引起目标的散射截面产生周期性变化，引起回声幅度周期性变化。（2）运动船体与其尾流产生的两种回波干涉引起的调制效应。73CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第73页!刚性球体的散射声场刚性不动球体的声散射目标强度值1）通过实验测量获得2）通过理论计算获得提示：常见声纳目标的几何形状基本接近于球形或柱形。刚性：在入射声波作用下球体不发生变形，声波透不到球体内部，激不起球内部运动。不动：球体不参与周围流体介质质点的运动。74CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第74页!刚性球体的散射声场刚性不动球体的声散射散射场计算取入射平面波声压为：设散射波声压为，它满足波动方程：75CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第75页!刚性球体的散射声场刚性不动球体的声散射散射场计算波动方程可分离成两个方程：提示：上式为球贝塞尔方程，下式为勒让德方程，其解的形式都已知。76CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第76页!刚性球体的散射声场

刚性不动球体的声散射散射场计算考虑无穷远处辐射条件，系数

提示：波动方程的解即散射波声压为：式中，为待定常数，由边界条件确定。77CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第77页!刚性球体的散射声场

刚性不动球体的声散射散射场计算根据边界条件，待定系数为：散射波声压的表达式为：78CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第78页!刚性球体的散射声场

刚性不动球体的声散射散射场特点1）散射波振幅正比于入射波振幅；2）散射波是各阶球面波的迭加，具有球面波的某些特征，如振幅随距离一次方衰减；3）散射波具有明显的指向性；4）随频率的变化：

A）低频，球前向散射较均匀，随频率增大，指向性变得复杂；B）低频时，刚球背面散射波很弱，随着频率的增加，背部散射波逐渐增强。79CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第79页!刚性球体的散射声场

刚性不动微小球粒子对平面波的散射微小粒子：是指，即或频率甚低或者粒子半径极小。提示：微小粒子的散射波声压依然可以应用上述刚性不动球体的散射场声压表示。在条件下，求和项中只有前两项起主要作用，微小粒子的散射波声压：80CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第80页!声波在弹性物体上的散射

平面声波在弹性球体上的散射对于常见的声纳目标，都是由金属材料制成的弹性体弹性体：入射声波能透入物体内部，并激发内部声场与刚性体比较：

1）弹性球体散射波强度随频率变化出现极大、极小变化；而刚性球体散射波强度不存在明显的频率效应；

2）还存在其他方面的差异，研究这些差别，有助于声纳目标的检测和识别。81CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第81页!声波在弹性物体上的散射平面声波在弹性球体上的散射散射场计算

弹性球体散射波声压：82CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第82页!声波在弹性物体上的散射球面声波在弹性球体上的散射散射场计算若点源离弹性球较远，则根据汉克尔函数的渐近展开，有：

入射波声压：，散射波声压：83CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第83页!声波在弹性物体上的散射

球面声波在弹性球体上的散射散射场计算形态函数中，为水中波数，、为纵波和横波波数。结论：弹性球体散射声场比刚性球体复杂，与球体组成材料的弹性参数有关。

形态函数是Hickling在上世纪60年代引入来讨论散射声场与频率的关系的，散射声场表示为：84CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第84页!声波在弹性物体上的散射弹性物体散射声场的一般特征刚性球、声学软球、钢球和铝球形态函数比较1）弹性球（刚球和铝球）形态函数随频率有极大、极小变化；2）刚性球形态函数在低频段起伏振荡，随着频率的增高，逐渐趋于1；3）声学软球形态函数在很低频段大于1，随着频率的增加很快降至1。85CollegeofUnderwaterAcousticEngineering水声学-声波在目标上的反射和散射共95页，您现在浏览的是第85页!声波在弹性物体上的散射弹性物体散射声场的一般特征频率特性

波形畸变的解释：

B）长脉冲时，水听器可在同一时刻接收上述各种波迭加而成，它们经由不同途径到达接收点（相位不同），迭加结果使得回波波形产生严重畸变；

C）短脉冲时，上述各种波不会在同一时刻到达接收点，所以接收到的是一个脉冲串。由于各个脉冲到达接收点的时间不同，它们之间不会发生