水声学原理(第一章)

1、2020/7/1，水声原理，上海交通大学振动，冲击，噪音国家重点实验室，范军，2，第一章导论，1.1海洋和水声技术1，为什么水声技术海洋占地球表面约70%的面积海洋是人类开展交通运输、军事斗争、资源获取的地方。 需要观测、通信、导航和定位工具。 水音技术在其中发挥着重要的作用。 声波是迄今为止唯一能够在水中有效远距离传递信息的物理场。 电磁波在水中的衰减：无法在水中远距离传播的声波因介质吸收而衰减：能够远距离传播的声波与电磁波衰减之比： 10kHz声波水中的衰减约为1分贝/公里的电磁波在4500分贝/公里的其他物理场：磁场、水压场、后流场、温度场也能检测到，但通过检测3、1.2、声音和雷达的异

2、同、声音和雷达的结构相似。 但是，根据作为信息载体的声波和电磁波的不同，声纳和雷达有重要的差异。 a .电磁波速度30万公里/秒，声波在水中1.5公里/秒。 决定：工作频率很大。 雷达的频率约为GHz(Hz )的声音的频率约为kHz(Hz )的动作速度的差异大。 雷达搜索快，声音搜索慢，分辨率差。 声音图像模糊。 b .声音受海洋通道的影响很大。 噪音环境比雷达环境复杂得多。 c .声音的作用距离近。 4、1.3、水声技术的研究范围，水声技术是研究声波在水中发射、收发、处理的专业技术。 a .水声换能器和基础阵列水声传感器系统和b .水声物理海洋通道的传播、混响、散射、噪音特性和各种水声目标特

3、性c .水声设备-水声信号处理，水声电子技术。 水声技术成果在两个方面有很大反映： 1、声音性能提高：探测距离远、目标定位、跟踪能力越来越强；2、应用声音制导和声音制导的水下武器(鱼雷、水雷、深水炸弹等)作战能力不断提高。 因此，现代舰艇在水中面临的威胁与水声技术水平直接相关。 隐声性能是潜艇水下隐蔽性的核心。 5、1.4、水音技术的发展历史，1490年达芬奇对声纳原始概念泰坦尼克号的沉没，第一次声纳设计第一次世界大战的爆炸促进了一系列军用声纳的发展(朗万为换能器做出了贡献，测定了水1500米外的潜艇回声)。 (如“下午效应”现象的解释)为了在二战中探测德国潜艇，水声工程有了很大的发展，出现了

4、大量新的理论和技术的战后水声工程随着计算机和电子计算而发展，水声工程的应用在军事、民间领域更为广泛。 利用声纳(sonar )水中的声学信息进行探测、识别、定位、导航和通信的系统，全称为声纳系统。 声音的主要应用是军事声音。 根据工作方式的不同，可以分为能动的声音和被动的声音。 根据安装平台，潜水艇的声音：潜水艇的电子设备是声音。 一般核潜艇搭载了1015台声音。 主要是艏部主，有被动综合声音的被动测距声拉舷侧阵声线发出声音。 水面舰声：舰船声音深深地拉着提高声音的线发出声音。 桌上的声音和浮标：吊唁声音的浮标。 海洋水音监视系统：岸站(岸边海底固定式音)警报系统水音对抗装置：鸣响鱼雷警报音团

5、的干扰气帘弹水中武器自导：鱼雷声自导水雷声引用信的其他：通信机、鱼探测仪、多普勒速度计、浅地层剖面计等。1.5声简介，7，主要声音照片，8，德国ATLAS公司开发的拉航线列，英国、法国共同开发的舷侧列声，TSM2253，德国ATLAS公司开发的ASA92-25积极拉航线声，英国、法国共同开发的投吊声， 美国洛克希德马丁公司开发的被动测距声音PUFFS美国DTI公司开发的合成开口音，9，1.6音响量的测定，分贝和水平，音响中分贝的测定被采用的原因：音响量的变化是6， 从7个以上水平的窃听器到大型喷气式飞机起飞的音响力在10个以下水平的人的耳朵听阈在频率1kHz下为20Pa (微帕)，疼痛阈值为2

6、0Pa，在有6位数差的水中，旧潜水艇的辐射总噪音电力达到数瓦，新型低噪音潜水艇为1麦克风人类耳朵的反应与声压和声音强度的对数成正比。 因此，音响中定义了基于对数的分贝单位，水声也一直持续着。 10、1.6.1、定义和参考、声压、声音强度和声音功率用级和分贝(dB )测量。 他们注意到：参考值，11，1.6.2声压级等于声音高级：根据参考值差异引起的声音高级差异：到1971年为止：=20Pa=210-4达因/cm2，换算为现在的标准加了26分贝。=1达因/cm2=1b (微总线)=10-5Pa，换算成现在的基准的话就是100分贝。 俄罗斯的基准=20Pa，是空气音和水音的基准值的不同，客舱内的声

7、音等级为l分贝的噪音没有损失地传递到水中，就成为L 26分贝的水音。 12、固体介质中的结构噪声用振动描述，其分贝定义实际上是振动量的分贝定义。 加速度等级、速度等级、位移等级、加速度、速度和位移的基准值为米/秒2、米/秒和米。 应该指出，虽然结构噪音水平和振动水平的定义相同，但实际测量和评价方法存在差异。 因为结构噪音反映了连续弹性体的振动特性，所以不能用一点的振动水平来说明。 通常用结构的放射面整体的大测量点的统计平均来记述。 13、1.6.3分贝表示的特征、物理量的乘法运算为加减运算。 例如，在声音测量中，利用灵敏度与s伏/Pa相等的水听器进行接收，利用放大率与k相等的放大器进行放大而得

8、到电压v伏。 水听器输入端的声压为： (Pa )声压水平：用分贝表示水听器的灵敏度、声测放大器的放大率，就能用简单的加减法求出声压水平。 声音中的声学量不仅用分贝表示，而且它们的误差范围也用误差表示。 用分贝表示的误差和百分比误差的换算关系：声压用分贝表示，那么图中的关系曲线为：15，用分贝表示函数图形就发生了变化，而在声中最常见的下一定律：中，横轴的声级是直线。 从直线的斜率可以决定幂n。 最方便的方法基于频率加倍时声级减少的分贝数，声音的强度随频率衰减的规律，声音的强度随距离衰减的规律，16，1.6.4分贝的基本运算，相干叠加，在研究分贝运算的规律之前声压场是标量场，所以具有加法性。 但是

9、，那是波动场，有振幅和相位。 相干叠加：两个以上的正规声波重叠时，需要同时测量振幅和相位，相同频率的声波重叠时会发生干扰现象。 相同频率的两个声波重叠就“拍”。 这些情况被称为相干叠加，水下声基底阵列形成方向性的是声波到达不同阵列的相位差。 能量叠加：当两个以上的随机噪声叠加时，噪声必须以强度或能量叠加，因为相位是随机的。 因为相位的随机性引起了所有的交叉项。 相当于通过强度或能量重叠。 相干性可能在某些噪声之间存在一定相干性，但是相干性无法估计或测量，并且是通过能量叠加的原则处理的。 结果是，可以得到相干叠加的平均值。因此，能量叠加是噪声场叠加的基本原则。 分贝计算的方针。 17、1.6.4

10、.1噪音重叠，特例：N噪音水平相同，总噪音水平为单一噪音水平的分贝。 N=2即两个音级相同的噪声重叠时，总音级增加分贝。 在音级为的n个噪音重叠的情况下，以强度重叠总音级和总音级：18、1.6.4.2噪音的减法(背景噪音的减法)、19、1.6.4.3多次测定多个噪音级的平均、噪音级需要计算其平均值。 如果n次测定的噪声水平应该分别根据声音的强度的算术平均值来计算平均噪声水平：则只要各次测定的噪声水平之差小于3dB，就可以取代上式，而直接取代噪声水平的算术平均值，使误差不超过0.5dB 在20，1.6.4.5噪音量的计算中，总噪音水平为140dB，已知这三个噪音水平是由相同的噪音重叠而成的。 每

11、个噪音源所要求的音级为135.2dB。 3种噪音降低方案的效果有：方案1、将一个噪音源降低10dB，另一个不变，总噪音水平降低1.6dB的方案2、将其中两个噪音源降低10dB、将总噪音水平降低4dB的方案3、将三个噪音源降低10dB /众所周知，总噪音水平是n个噪音水平分别重叠而成的。 在这n个噪声分别降低分贝后，总噪声水平下降到：总噪声量为：21、1.7频谱和频谱水平，水声信号，特别是噪声信号中含有很多频率成分，能量分布在一个频带宽度上。 将单位带宽1Hz内的音响强度定义为音响频谱密度，用函数来表示。 光谱密度的分贝表示被称为光谱密度等级。 在全波段积分光谱密度函数的话总强度：频率f附近的波

12、段幅度中的声音强度用：分贝表示：波段水平，波段水平被加在光谱密度水平上。 上述分贝计算规律也适用于带宽水平和光谱密度水平的计算。 潜水艇辐射噪声，22，用声压表示时：音响测定使用两种滤波器：一定带宽滤波器：低频时的分析太粗，高频分析太细，不能兼顾。 一定百分比或q滤波器：被广泛使用，人耳的听觉模型是其组合。 音响上一定比例的滤波器称为八度滤波器。 对于23、n个八度滤波器的数学定义为：或、中心频率为：带宽：n=1 1/1个八度(1/1oct) n=1/3 1/3个八度(1/3oct )、和1/3oct，在间隔为一个八度的两个频率之间进一步ISO规定在110Hz之间分割10个频带，中心频率是1:

13、1.253336301.6053336302.03336303.1533604.03336305.03336306.3:8.033363 这种优点是每隔十个八分之一倍频程频带的两端频率可以正好是十倍，并且每隔三个八分之一倍频程频带可以是一个八分之一倍频程频带。24，1.8水声(海军)的习惯量，距离单位：英尺，1英尺=12英寸=0.3048米千米码，1千米码=3000英尺=914.4米海，1节=1853米链，1节=1/10节深度单位：英尺洽1洽=2码=6英尺=1.83米速度单位：节(kont )，1节=1节/时间=0.5米/秒，25，1.9声纳方程式，水声探测技术包括有源方式和无源方式。 相应的

14、声音也分为能动声音和被动声音。 主动的声音：探测设备主动发射声波，通过接收、分析目标回声实现目标的探测、定位和识别。 特征：定位和测距精度高，容易暴露自己，不是隐蔽探测，到今年才变得重要起来。 被动声音：探测设备被动接收，分析来自目标的噪声，探测、定位和识别目标。特征：定位和测距精度不是积极的声音，而是隐藏探测，是目前主要的探测方式，被动的声音包括水雷引导、鱼雷引导、舰艇被动的声音、牵引线串、海岸警报系统。 被动声音、主动声音、26、以及声音是被配置用于完成特定使命的水声系统。 性能取决于目标、传输通道、接收和处理设备的特性。 声音方程式是把这三者联系起来的关系式。 这是声纳系统工作时必须遵循

15、的关系式。 利用此关系式是声音设计的基础，所述声音设计可估计和预报声音系统的工作特性。 不管语音系统多么复杂，但为了完成一定的使命，输入侧必须确保满足：或者：这里的检测阈值是接收处理设备确定信号的阈值，用DT来表示。 PS:1、依赖于使命的性质2、完成使命的质量通常用检验概率和虚惊概率来表示。 3 .接收和处理设备的能力。27、1.9.1声纳方程式的各种参数、在声纳方程式中出现的声纳参数，为确定与被检测目标的参数，该目标分为声源电平SL :自噪声电平NL、空间增益GS (或DI )、时间增益GT、检测阈值DT三种依赖于目标强度TS环境的参数使用了传播损失TL、海洋环境噪声电平NL、等效平面波混

16、响电平RL中的两个参数本质上相同的符号(SL和NL )。 这些参数用分贝(dB )表示，通常也与频率有关。 以下分别说明了这些参数的定义.28、1.9.2音源级SL、音源级SL描述有源音响波产生的音响信号的强弱，I被定义为距发送传感器的音响轴上的音源中心1米处的音响强度，I0为参考音响的强度，约： 为了有效地提高有源声纳的作用距离，该发射机总是具有一定的发射方向性，其发射的声能主要集中在有空间的方向(通常是有目标的方向)，在其另一方向上只有很少的发射声能，下图描绘了这种发射方向性特性。 描述发送换能器的该特性的参数是DIT。 29，1.9.3放射方向性指数DIT设置了发射相同声音功率的两个发射器，一方具有放射方向性，另一方不具有放射方向性，在各个放射声场设置的远场测量声音强度、测量距离相同，将无方向性发射器放射声音强度定义为IND。 在方向性发射机的音响轴上测量的音响强度是ID。 观察上图，可知方向性发射机的发送方向性指数DTI发送方向性指数DIT实际上在相同距离，方向性发射机的音轴上的声音电平比无方向性发射机的放射声场电平的分贝数高。 DIT值越大，声能向声轴方向集中的程度越高，即能够得到一定的空间增益，越能表现为GS，表示越有利于增加设备的作用距离。 因此，现代主动语音发射机在成本、工程实施等许可条件下，尽量提高发射方向性指数。30、发射机的声源水平反映发射机的辐