华北理工水声学课件00绪论

第1章声学基础第一讲绪论第1章绪论

水声学概述课程简介水声学的基本内涵水声学的发展简史水声学的主要研究内容水声的主要应用本课程的主要内容3本讲主要内容水声学概述（了解）主动声呐方程及其各参数的概念、物理意义（重、难点）；被动声呐方程及其各参数的概念、物理意义（重、难点）；组合声呐参数的物理意义（了解）；声呐方程的工程应用及限制（重点）。课程简介水声学原理是本专业主要特色课程之一教学科研紧密结合是本课程重要的特色之一本课程学习中应当注意的有关问题历史故事泰坦尼克号大西洋潜艇战役片断历史故事大西洋潜艇战役片断大西洋潜艇战役片断大西洋潜艇战役片断一、水声学的基本内涵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，海洋灾害频繁海洋环境监测？如何认识海洋？海洋的勘探、调查、监测手段是什么？海洋也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、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。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）

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余艘美国最新核动力攻击潜艇-海狼号俄罗斯D级弹道导弹核潜艇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16－20枚SS-N-23或SS-N-20型弹道核导弹，每枚可携载10个分弹头，射程可达9000－10000公里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公里英国最新战略核潜艇-警戒号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

法国海基核力量中坚-凯旋号核潜艇中国092型“夏”级弹道导弹核潜艇中国的潜艇：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“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个导弹发射筒美国俄亥俄级核动力导弹潜艇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投放方式爆炸方式超高速水雷多种多样引爆引信布放方式主动攻击水雷水鱼雷水下作战的主要手段潜艇、鱼雷、水雷、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？陆地上的信息获取：光声无线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、卫星通信水下的探测、定位与导航、通信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。水声学是围绕水声技术、水声对抗技术和水声工程的基本需求来开展科学研究的水声技术利用声波作为信息载体来实现水下探测、定位、导航和通信的原理与方法水声对抗技术在军事上，对抗水下声探测、定位、导航和通信的技术措施与手段水声工程水声技术和对抗技术的工程目标实现二、水声学发展简史

水声学的早期研究可以追溯很遥远，因为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。第一和第二次世界大战期间反潜，法国、英国和美国，主动声呐郎之万振子，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，德国的被动声呐——听音系统潜艇隐身技术，消声瓦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技术水声物理学研究减振降噪与隐身技术我国的水声事业水声教育哈军工——哈船院——哈工程北京大学山东海洋学院——青岛海洋大学——中国海洋大学西北工业大学南京工学院——东南大学水声科学研究中科院声学研究所七一五研究所726研究所760研究所水声设备生产721厂，613厂，612厂，6971厂水声测量与试验场760试验场——760研究所千岛湖试验场三、水声学的主要研究内容水声系统简介声呐——sonar,（SOund

NAvigationandRanging)，现在已经泛指以声波作为信息载体而完成某种功能使命的工程系统，如：主动声呐，被动声呐，通讯声呐，侧扫声呐等声呐系统一般包括：水下部分（换能器，也叫湿端）水上（舱内处理器及显示，干端）主动声呐，以回声方式实现系统功能的水声系统被动声呐，以纯被动接收方式实现系统功能的水声系统水声系统所涉及的内容水声换能器水声物理（传播路径上的信号变异特性）水声信号处理（传感器输出端以后的信息检测、估计、识别和显示等）水声换能器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水声物理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水声信号处理时频分析自适应技术检测与估计特征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技术四、水声的主要应用军事应用水雷引信声制导鱼雷探雷声呐小目标定位声呐通信声呐航空吊放声呐（浮标声呐）拖曳声呐拖曳线列阵声呐水声导航声呐民用测深单波束测深仪多波束测深仪旁视声呐侧扫声呐综合孔径测深仪测速多普勒测速仪（海流计）相关测速仪（海流计）鱼探仪助渔设备（诱鱼、计数、跟踪）助潜设备水下定位信标应答器通讯与遥测声控海洋监测ATOC-海洋气候声层析五、本课程的主要内容建立声呐系统的基本概念由声呐方程入手，将所有与声呐系统有关的物理参数联系到一起，了解声呐系统设计、性能预测所需要的基本参数，建立基本的物理概念，明确水声学的主要研究内容与声呐系统的关系。与换能器和信号处理有关的内容由于有单独设立的课程，这里不再详细讨论。因此，由声呐方程引出有关的水声物理问题，这些都是声呐系统设计必须认真考虑的因素，也是水声学主要的研究内容。海洋的声学特性是水声学研究的基础，也是水声学研究的基础内容之一。海洋环境的声学特性是海洋监测技术的基础。海洋环境包括水体、海面和海底，有平均特性，也有不均匀性，他们的声学特性对水声设备的研制与使用都是至关重要的。海洋中的声传播理论海洋中的声传播理论典型传播条件下的声场声波在目标上的反射和散射海洋中的混响水下噪声声传播起伏具体研究内容：44声呐及其工作方式声呐（Sonar—SoundNavigationandRanging）：利用水下声信息进行探测、识别、定位、导航和通讯的系统。按照工作方式分类：主动声呐和被动声呐主动声呐信息流程接收阵处理器判决显示目标发射机发射阵信号源45被动声呐通过接收被探测目标（声源部分）如鱼雷、潜艇等的辐射噪声，来实现水下目标探测。被动声呐信息流程接收阵处理器判决显示目标46声呐参数主、被动声呐工作信息流程的基本组成：声信号传播介质（海水）被探测目标声呐设备声呐参数

定义：将影响声呐设备工作的因素称为声呐参数。

471、声源级SL（SourceLevel）声源级SL：用来描述主动声呐所发射的声信号的强弱（反应发射器辐射声功率的大小）定义：式中：I为发射器声轴方向上离声源声中心

1米处的声强I0为参考声强（均方根声压为1微帕

的平面波对应的声强）。

48原因：可以提高辐射信号的强度，相应也提高回声信号强度，增加接收信号的信噪比，从而增加声呐的作用距离。为了提高主动声呐的作用距离，将发射器做成具有一定的发射指向性，如下图所示。49发射指向性指数DIT：

式中：ID为指向性发射器在声轴上测得的声强度；IND为无指向性发射器辐射的声强度。含义：在相同距离上，指向性发射器声轴上声级高出无指向性发射器辐射声场声级的分贝数；DIT越大，声能在声轴方向集中的程度越高；DIT越大，就有利于增加声呐的作用距离。

50声源级与声功率的关系：

假设介质无声吸收，声源为点声源，辐射声功率为Pa（W），距声源声中心1米处声强度为：1）无指向性声源辐射声功率与声源级的关系：

512）指向性声源辐射声功率与声源级的关系：

522、传播损失

（TransmissionLoss）

传播损失TL定量描述声波传播一定距离后声强度的衰减变化定义：式中，I1是离声源声中心1米处的声强度；Ir

离声源声中心r

米处的声强度。

引起声强衰减的原因：1）由于海水介质本身的声吸收2）声传播过程波阵面的扩展3）海水中各种不均匀体的散射533、目标强度TS

（TargetStrength）目标反射本领有差异：在同样入射声波的照射下，不同目标的回波是不一样的。它除了与入射声波特性（频率、波阵面形状）有关，还与目标的特性（几何形状、材料等）有关。目标强度TS定量描述目标反射本领的大小定义：式中，Ii是目标处入射声波的强度；Ir离目标声中心1米处的回波强度。544、海洋环境噪声级NL

（NoiseLevel）海洋环境噪声是由海洋中大量的各种各样的噪声源发出的声波构成的，它是声呐设备的一种背景干扰。环境噪声级NL是度量环境噪声强弱的量定义：式中I0为参考声强度,IN是测量带宽内（或1Hz频带内）的噪声强度。

555、等效平面波混响级RL

（ReverberationLevel）主动声呐的背景干扰：

1)环境噪声—一般是平稳的和各向同性的

2)混响—是非平稳的和非各向同性的等效平面波混响级RL：

a)定量描述混响干扰的强弱

b)是利用平面波的声级来度量混响场的强弱

c)定义：强度已知的平面波轴向入射到水听器上，水听器输出电压值为V；将水听器移置于混响场中，声轴指向目标，水听器输出电压值也为V，则该平面波声级就是混响级。

566、接收指向性指数DI

（DirectivityIndex）接收换能器的接收指向性指数DI定义为：其中，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。57水听器灵敏度Sh定义：水听器处的声压为p，装置的开路终端电压是V，则水听器的灵敏度为：例子：已知水听器的灵敏度为-200dB/V，假设入射平面波的声压级为80dB，问其输出端的开路电压为几伏？dB/V58式中，m为比例常数；是元立体角。设水听器的灵敏度为单位值，噪声场为各向同性的，单位立体角内的噪声功率为Ii，无指向性水听器产生的均方电压为：无指向性水听器产生的均方电压：59在同一噪声场中，指向性水听器产生的均方电压：其中，b是归一化的声束图函数，是空间方位角。则接收指向性指数DI为：60参数DI只对各向同性噪声场中的平面波信号（是完全相关信号）有意义；具有其它方向特性的信号和噪声场，需用参数阵增益来代替DI。注意：61对于几何形状简单的换能器阵，可用阵尺寸来表示它的DI值。627、检测阈DT（DetectionThreshold）声呐设备接收器接收声呐信号和背景噪声，两部分的比值即接收带宽内的信号功率或均方电压与1Hz带宽内（或接收带宽）的噪声功率或均方电压的比，它影响设备的工作质量，比值越高，设备就能正常工作，“判决”就越可信。检测阈DT是设备刚好能正常工作所需的处理器输入端的信噪比值定义：

常识：对于同种职能的声呐设备，检测阈值较低的设备，其处理能力强，性能也好。

63声呐方程

声呐方程：综合考虑水声所特有的各种现象和效应对声呐设备的设计和应用所产生影响的关系式。它将海水介质、声呐目标和声呐设备的作用联系在一起。1、基本考虑声呐方程的基本原则：信号级—背景干扰级=检测阈（刚好完成预定职能）背景干扰级的含义：设备工作带宽内部分背景噪声才起干扰作用。642、主动声呐方程收发合置的主动声呐信号强度变化如下图：65回声信号级（信号级）：回声到达接收阵的声级

SL-2TL+TS背景干扰级：

NL-DI（接收阵接收指向性指数压低背景噪声）Caution：换能器声轴指向目标，回声信号不会被接收指向性指数压低。处理器处的电信号的信噪比：

（SL-2TL+TS）-（NL-DI）66

主动声呐方程（噪声背景）：

（SL-2TL+TS）-（NL-DI）=DT注意：适用于收发合置型声呐，对于收发分置声呐，往返传播损失不能简单用2TL表示；适用于背景干扰为各向同性的环境噪声情况。主动声呐方程（混响背景）：SL-2TL+TS-RL=DT

注意：适用于收发合置型声呐，对于收发分置声呐，往返传播损失不能简单用2TL表示；适用于背景干扰为混响的情况。673、被动声呐方程

与主动声呐相比，被动声呐特点：噪声源发出的噪声直接由噪声源传播至接收换能器；噪声源发出的噪声不经目标反射，即无TS；背景干扰为环境噪声。被动声呐方程：SL-TL-（NL-DI）=DT

式中，SL为噪声源辐射噪声的声源级。

68组合声呐参数组合声呐参数：几个声呐参数的组合量，它具有明确的物理含义。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；69组合声呐参数回声余量：SL-2TL+TS-（NL-DI+DT）——主动声呐回声级超过噪声掩蔽级的数量；优质因数：SL-（NL-DI+DT）——对于被动声呐，该量规定最大允许单程传播损失；对于主动声呐，当TS=0时，该量规定了最大允许双程传播损失；品质因数：SL-（NL-DI）——声呐接收换能器测得的声源级与噪声级之差

70声呐方程的应用及其限制1、声呐方程的应用（两个基本用途）

声呐设备性能预报：

已知设备特点和若干参数，对其它声呐参数进行估计（例如估计最大传播损失—