水声学原理第三章1

水声学原理知识点总结【1】水声学原理的基本概念1.1. 声波的产生与传播声波是一种机械波，是在介质中震动传递的波动。

声波通常是由物体振动引起的，当物体振动时，周围的空气分子或水分子也随之振动，形成声波。

在水中，声波的传播速度一般比在空气中要快。

1.2. 水声频率与声波速度水声波的频率通常在20 Hz-200 kHz之间，与空气中的声波频率范围相似。

不同频率的声波在水中的传播速度也有所不同，通常音速约为1500 m/s。

1.3. 水声学的应用领域水声学在海洋工程、海洋资源开发、水下通信、声纳探测、水下定位等领域有广泛的应用，其中声纳技术是水声学应用的重要方面。

【2】声波在水中的传播2.1. 声波的传播方式声波在水中的传播方式与在空气中的传播方式类似，可以分为纵波和横波。

其中纵波是介质中质点沿波的传播方向振动的波动，而横波则是介质中质点振动方向与波的传播方向垂直的波动。

2.2. 水声波的衰减水中声波在传播过程中会受到水的吸收和散射等因素的影响，导致声波的衰减。

较高频率的声波在水中的衰减更为显著，这也是水声通信和声纳探测中需要考虑的重要因素。

2.3. 水声波的折射和反射声波在水中传播时，会发生折射和反射现象。

当声波通过不同密度的介质界面时，会因为介质密度的不同而发生折射现象；在与固体或液体的界面发生交界时，声波会发生反射。

【3】水声信号的特点3.1. 水声信号的特点水声信号与空中声信号相比有一些特殊的特点，如传播距离远、传播速度快、传播路径复杂、受环境干扰大等。

3.2. 水声通信的特点水声通信由于其传播路径的复杂性和环境干扰的影响，通常需要考虑信号传播延迟、传播路径损耗、噪声干扰等问题。

3.3. 声纳探测的特点声纳探测是利用声波在水中传播的特性来进行目标探测和定位，需考虑水中声波传播的复杂性、目标散射特性等因素。

【4】水声传感器技术4.1. 水声传感器的种类水声传感器包括水中听音器、水中发射器、水下通信装置等。

（以下内容来自老师给的ppt ）第 1 章 -声纳及声纳方程1、声源级SL描述主动声纳所发射声信号的强弱：SL 10lg II 是发射器声轴方向上离声源中心1m 处的声强I0 r 12、发射指向性指数DITDI T I D10 lg IND理解 : I P a 4 W m2r 1SL 10lg P a 170.77 SL 10lg P a 170.77 DI T 3、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：TL10 lgII 1 r4、目标强度TS定量描述目标反射本领的大小：TS10 lg IrIi r 15、海洋环境噪声级NL是度量环境噪声强弱的量：注意： I N是测量带宽内或1Hz 频带内的噪声强度。

6、等效平面波混响级RL定量描述混响干扰的强弱。

IRL10 lgI 07、接收指向性指数DI R接收系统抑制背景噪声的能力。

无指向性水听器产生的噪声功率DI R 10 lg 指向性水听器产生的噪声功率8、检测阈DT设备刚好能正常工作所需的处理器输入端的信噪比值(SNR)。

信号功率DT10 lg9、主动声纳方程（噪声背景）：（SL-2TL+TS）-（NL-DI）＝ DT主动声纳方程（混响背景）：（SL-2TL+TS）-RL＝DT被动声纳方程（SL-TL） -（NL-DI）＝ DT10、回声信号级： SL-2TL+TS加到主动声纳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纳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纳设备正常工作所需的最低信号级回声余量： SL-2TL+TS（-NL-DI+DT）主动声纳回声级超过噪声掩蔽级的数量优质因数： SL（-NL-DI+DT）对于被动声纳，该量规定最大允许单程传播损失；对于主动声纳，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）声纳接收换能器测得的声源级与噪声级之差思考题：1．什么是声纳？声纳可以完成哪些任务？;答: 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：主动声纳和被动声纳2．主被、动声纳的信息流程有何不同？3．发射指向性指数物理含义是什么？答:1. 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； 2. DIT 越大，声能在声轴方向集中的程度越高；就有利于增加声纳的作用距离。

水声学原理
水声学原理是研究声波在水中传播和声学现象的学科。

在水中，声波的传播速度较大气中要快约1500米/秒。

这是因为水的密
度和弹性模量高于空气，因此声波在水中的传播速度更快。

另外，水声学研究还探究音频信号在水中反射、折射、散射和吸收等现象。

声波在水中的传播遵循一些基本的原理。

当声源产生声波时，波源会向外释放能量，并使水质点发生膨胀和压缩，形成一个声压波。

这个声压波以固定的速度传播，并遵循波动方程。

根据波长和频率的关系，可以得出声波在水中的传播速度。

声波在水中传播时，会遇到不同的介质界面，如水面、海底和不同密度的水层。

当声波遇到界面时，会发生反射、折射和散射等现象。

反射是指波向原来的方向反弹回去，折射是指波在入射介质和出射介质之间发生偏折，散射是指波在遇到界面或障碍物时发生的辐射改变方向的现象。

这些现象对声波的传播方向和强度会产生影响。

在水声学中，还研究声波在水中的吸收现象。

水分子对声波会吸收部分能量，并将其转化为热能。

声波的频率越高，吸收现象越明显。

这种吸收现象是水中声能衰减的主要原因之一。

水声学原理的研究对于海洋声学、声纳技术、水下通信等领域都具有重要的应用价值。

通过深入理解和探索水声学原理，可以改进和优化水下声波传播系统，提高其性能和效率。

海洋声学基础——水声学原理绪论各种能量形式中，声传播性能最好。

在海水中，电磁波衰减极大，传播距离有限，无法满足海洋活动中的水下目标探测、通讯、导航等需要。

声传播性能最好，水声声道可以传播上千公里，使其在人类海洋活动中广泛应用，随海洋需求增大，应用会更广。

§0-1节水声学简史01490年，意大利达芬奇利用插入水中长管而听到航船声记载。

11827年，瑞士物理学家D.colladon法国数学家c.starm于日内瓦湖测声速为1435米每秒。

21840年焦耳发现磁致伸缩效应1880年居里发现压电效应31912年泰坦尼克号事件后，L.F.Richardson提出回声探测方案。

4第一次世界大战，郎之万等利用真空管放大，首次实现了回波探测，表示换能器和弱信号放大电子技术是水声学发展成为可能。

（200米外装甲板，1500米远潜艇）5第二次世界大战主被动声呐，水声制导鱼雷，音响水雷，扫描声呐等出现，对目标强度、辐射噪声级、混响级有初步认识。

（二战中被击沉潜艇，60%靠的是声呐设备）6二、三十年代——午后效应，强迫人们对声音在海洋中的传播规律进行了大量研究，并建立起相关理论。

对海中声传播机理的认识是二次大战间取得的最大成就。

7二战后随着信息科学发展，声呐设备向低频、大功率、大基阵及综合信号处理方向发展，同时逐步形成了声在海洋中传播规律研究的理论体系。

81、1945年，Ewing发现声道现象，使远程传播成为可能，建立了一些介质影响声传播的介质模型。

2、1946年，Bergman提出声场求解的射线理论。

3、1948年，Perkeris应用简正波理论解声波导传播问题。

4、50-60年代，完善了上述模型（利用计算技术）。

5、1966年，Tolstor 和Clay 提出声场计算中在确定性背景结构中应计入随机海洋介质的必要性。

§0-2 节 水声学的研究对象及任务1、 水声学：它是声学的一个重要分支，它基于四十年代反潜战争的需要，在经典声学的基础上吸收雷达技术及其它科学成就而发展起来的综合性尖端科学技术。

《水声学》部分习题参考答案绪论1略2略3略4略5环境噪声和海洋混响都是主动声呐的干扰，在实际工作中如何确定哪种干扰是主要的？解：根据水文条件及声呐使用场合，画出回声信号级、混响掩蔽级和噪声掩蔽级随距离变化的曲线，如下图，然后由回声信号曲线与混响掩蔽级、噪声掩蔽级曲线的交点所对应的距离来确定混响是主要干扰，还是噪声为主要干扰，如下图，r R<r n，所以混响是主要干扰。

声信号级噪声掩蔽级R6工作中的主动声呐会受到哪些干扰？若工作频率为1000Hz，且探测沉底目标，则该声呐将会受到哪些干扰源的干扰。

解：工作中的主动声呐受到的干扰是：海洋环境噪声、海洋混响和自噪声，若工作频率为1000Hz，干扰来自：风成噪声、海底混响、螺旋桨引起的自噪声及水动力噪声。

7已知混响是某主动声呐的主要干扰，现将该声呐的声源级增加10dB，问声呐作用距离能提高多少？又，在其余条件不变的情况下，将该声呐发射功率增加一倍，问作用距离如何变化。

（海水吸收不计，声呐工作于开阔水域）解：对于受混响干扰的主动声呐，提高声源级并不能增加作用距离，因为此时信混比并不改变。

在声呐发射声功率增加一倍，其余条件不变的情况下，作用距离变为原距离的42倍，即R R 412 。

第一章 声学基础1 什么条件下发生海底全反射，此时反射系数有什么特点，说明其物理意义。

解：发生全反射的条件是：掠时角小于等于全反射临界角，界面下方介质的声速大于界面上方介质的声速。

发生全反射时，反射系数是复数，其模等于1，虚部和实部的比值给出相位跳变角的正切，即全反射时，会产生相位跳变。

2 略3 略第二章 海洋声学特性1 海水中的声速与哪些因素有关？画出三种常见的海水声速分布。

解：海水中的声速与海水温度、密度和静压力（深度）有关，它们之间的关系难以用解析式表达。

CCC2 略3 略4 略5 略6 声波在海水中传播时其声强会逐渐减少。

（1）说明原因；（2）解释什么叫物理衰减？什么叫几何衰减？（3）写出海洋中声传播损失的常用TL 表达式，并指明哪项反映的主要是几何衰减，哪项反映的主要是物理衰减；（4）试给出三种不同海洋环境下的几何衰减的TL 表达式。

1、波动方程的建立：小振幅下的运动方程：ðuðt +1ρ∇p=0…………①；小振幅波的连续性方程：ðρðt+ρ∇∙u=0…………②；状态方程：ðpðt =c2ðρðt…………③；当声速c和密度ρ不随时间改变时，将③代入②得1 c2ðρðt+ρ∇∙u=0上式对时间t求偏导并整理得到∇∙u ðt =−1ρc2ð2ρðt2…………④对①式取▽得∇∙u ðt +(−1ρ2∇ρ∙∇p+1ρ∇2p)=0将④式代入上式并整理得∇2p−1c2ð2ρðt2−1ρ∇ρ∙∇p=0则上式即为密度ρ是空间位置函数情况下的波动方程。

为简化上式，引入函数ψ=ρ，则上式变为∇2ψ−1c2ð2ψðt2−[∇2ρ2ρ−3(∇ρ)24ρ2]ψ=0对于简谐波，ð2ðt2⁄=−ω2，则上式可写为∇2ψ−(K2+∇2ρ2ρ−3(∇ρ)24ρ2)ψ=0即∇2ψ−K2(x,y,z)ψ=0式中K2(x,y,z)=k2+∇2ρ2ρ−3(∇ρ)24ρ2。

上式即为不均匀介质中的波动方程。

常用定解条件：1）、边界条件①绝对软边界：也称自由边界，界面上的任何点，不管时间t取何值，声压p总是0，表示为p(x,y,η,t)=0或p(x,y,η,t)=p s，其中边界面方程z=η(x,y,t)。

②绝对硬边界：声波不能进入该介质中，此时边界上介质质点的法向振速应为零。

表示为(n∙u)η=0或(n∙u)η=u s，其中u为质点振速，n为界面的法向单位矢量。

③混合边界：此时已知的是声压和振速在界面上的线性组合，表示为(aðpðn+bp)|s=f(s)，式中系数a和b均为常数，s表示边界。

④边界上发生密度ρ或声速c的有限间断：边界上压力连续和质点法向振速连续，即p z=0−=p z=0+和(1ρðpðn)z=0−=(1ρðpðn)z=0+。

第三章 海洋的声学特性本章从声学角度讨论海洋、海洋的不均匀性和多变性，弄清声信号传播的环境，有助于海中目标探测、声信号识别、通讯和环境监测等问题的解决。

3.1 海水中的声速声速：海洋中重要的声学参数，也是海洋中声传播的最基本物理参数。

海洋中声波为弹性纵波，声速为：s c ρβ1=式中，密度ρ和绝热压缩系数s β都是温度T 、盐度S 和静压力P 的函数，因此，声速也是T 、S 、P 的函数。

1、声速经验公式海洋中的声速c （m/s ）随温度T （℃）、盐度S （‰）、压力P （kg/cm 2）的增加而增加。

经验公式是许多海上测量实验的总结得到的，常用的经验公式为：较为准确的经验公式：STP P S T c c c c c ∆∆∆∆++++=22.1449式中，4734221007.510822.2104585.56233.4T T T T c T ---⨯-⨯+⨯-=∆()()2235108.735391.1-⨯--=-S S c S ∆4123925110503.310451.3100279.11060518.1P P P P c P ----⨯-⨯+⨯+⨯=∆()[][][]TP T T P T T T P PTP P T S c STP 31021012382546214310745.110286.910391.210644.6103302.110796.21009.21096.11061.210197.135----------⨯-⨯+⨯-+⨯-⨯+⨯-+⨯-⨯-⨯+⨯--=∆上式适用范围：-3℃<T<30℃、33‰<S<37‰、()2525/109801/10013.1m N P m N ⨯<<⨯个大气压。

35‰；经常用深度替代静压力，每下降10m 水深近似增加1个大气压的压力。

声速c 的数值变化虽然微小，但它对长距离传播声线的分布、射程、传播时间等量的影响很大，因此需要有准确的声速数值。