水声学第六章 声波在目标上的反射和散射

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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 0 2 L sin θ c 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）。ຫໍສະໝຸດ 222019/1/22
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。

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。
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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：
aL2 T S 10 lg 2λ
式中，a为圆柱半径，L为圆柱长， λ 是声波波长 举例：若 a 0.2 m ， L 1.5 m ，λ 0.03 m，可得目标 强度值 TS 9 dB 。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。
dWi dWr
求得
Ir a2 2 Ii 4 r
刚性大球的目标强度：
Ir T S 10lg Ii a2 10lg 4 r 1
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
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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？
概念 对声传播的影响 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

深海负梯度



深海负跃层


均匀浅海声场

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本章主要内容

目标强度（重点）

目标强度概念 刚性大球的目标强度 潜艇的目标强度 鱼雷和水雷的目标强度 鱼的目标强度

常见声纳目标的目标强度的一般特征（重点）


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本章主要内容

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）
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本章主要内容

目标回波（重点）

回波信号的形成 回波信号的一般特征 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 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
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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
B
t2
t
A
t1
t
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：
BD c 2
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AB sin c 2
2 L sin / c
目标强度的实验测量

比较法 目标强度的计算 A 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： A Ir T S 10lg T S0 I0 式中， I 0 为参考目标回声强度； I r 为待测目标回声强度。
B
I0 B Ir
Ii
参考 目标 待测 目标
Ii
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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：I A / r1 远距离处：I B / r22 过渡距离：A / r0 B / r02 解得： B Ar0
TS1 10lg Ar 1 / Ii TS2 10lg Ar0 / I i
2
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目标强度

刚性大球的目标强度
入射的声波被限制
在 θ 1 到 θ 2 的范 围内。 散射声功率：
2
o
o
1
dWr Ir 2 πr sin 2 θi 2 dθi
2
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> <
从 θ i 到 θ i dθ i

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：
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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。
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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。
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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
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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。
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目标强度的实验测量

测量原理 根据目标强度的定义：
Ir T S 10lg Ii

r 1

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。
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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。
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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。
A
B
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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：
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刚性球体的散射声场（了解）


声波在弹性物体上的散射（了解）

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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 赫姆霍兹积分解 菲涅尔半波带近似法

用赫姆霍茨积分方法求解散射声场（了解）

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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
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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 r0 ），回声强度随距离的衰 减服从柱面波规律，即 1 r 。 2）在远场（距离大于 r0 ），回声强度随距离的衰 减服从球面波规律，即 1 r 2 。 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 r L2 λ 。
艇 首
正横方向
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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