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水声学原理PPT 第一章2

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《水声学绪论》PPT课件

《水声学绪论》PPT课件
息传输的有效载体
1.4 声波在水下传播最有效
ATOC-海洋气候声层析
ATOC实验-低频声源
ATOC实验-声波传播路径
2、水声学开展简史
2.1 水声学开展历史
• 水声学起源 1490年，达.芬奇摘记中提出用长管听远
处航船
• 水声学第一次定量测量 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
2.1 水声学开展历史
• 1925年， 研制出用于船舶导航水声设备——回声测深仪。 • 第二次世界大战促进了水声技术的飞速开展。
2.1 水声学开展历史
• 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
2.1 水声学开展历史
水声物理研究
水声物理研究
水声系统
• 水声换能器 • 水声基阵
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
英国国家物理实验室
耦合腔校准系统
中频校准水池定位系统
高压消声水池
湖上试验场及其安装设备和测量系统
4、水声学的主要应用
军事领域
2.1 水声学开展历史
Powerful high frequency ultrasonic echo-sounding device was developed by emminent French physicist Paul Langévin and Russian scientist Constantin Chilowsky. They called their device the 'hydrophone'. The transducer of the hydrophone consisted of a mosaic of thin quartz crystals glued between two steel plates with a resonant frequency of 150 KHz. Between 1915 and 1918 the hydrophone was further improved in classified research activities and was deployed extensively in the surveillance

水声学原理 (2)

水声学原理 (2)

水声学underwater acoustics简史水声换能器和参量阵水声换能器水声换能器的进展水声参量阵声波在海洋中的传播和声场数值预报传播损失水下声道理论方法深海中的声传播浅海中的声传播声场数值预报水声场的背景干扰噪声海洋中的混响信号场的起伏和散射海面波浪引起的声起伏湍流引起的声起伏内波引起的声起伏目标反射和舰船辐射噪声水下目标反射舰船辐射噪声水声信号处理-声学的一个分支学科。

它主要研究声波在水下的产生、传播和接收，用以解决与水下目标探测和信息传输过程有关的声学问题。

声波是已知的唯一能够在水中远距离传播的波动,在这方面远比电磁波(如无线电波、光波等)好,水声学随着海洋的开发和利用发展起来，并得到了广泛的应用。

简史1827年左右，瑞士和法国的科学家首次相当精确地测量了水中声速。

1912年“巨人”号客轮同冰山相撞而沉没，促使一些科学家研究对冰山回声定位，这标志了水声学的诞生。

美国的R.A.费森登设计制造了电动式水声换能器(500～1000Hz)，1914年就能探测到2海里远的冰山。

1918年，P.朗之万制成压电式换能器，产生了超声波,并应用了当时刚出现的真空管放大技术,进行水中远程目标的探测，第一次收到了潜艇的回波，开创了近代水声学，也由此发明了声呐。

随后，水声换能器的革新，关于温度梯度影响声传播路径的机理、声吸收系数随频率变化等水声学研究的成就，使声呐得以不断改进，并在第二次世界大战期间反德国潜艇的大西洋战役中起了重要作用。

第二次世界大战以后,为提高探测远距离目标(如潜艇)的能力,水声学研究的重点转向低频、大功率、深海和信号处理等方面。

同时，水声学应用的领域也越加广泛，出现了许多新装置，例如:水声制导鱼雷,音响水雷，主、被动扫描声呐,水声通信仪，声浮标，声航速仪,回声探测仪,鱼群探测仪,声导航信标,地貌仪,深、浅海底地层剖面仪，水声释放器以及水声遥测、控制器等。

水声作为遥测海洋的积分探头，在长时间内大面积连续监测海洋的运动过程以及海洋资源概念也已初步形成。

水声学原理第一章2

水声学原理第一章2

College of Underwater Acoustic Engineering
15

海面混响
海面混响的理论处理 类似体积混响的理论处理，对混响有贡献的散射 声强：

I scat I 0SV
1 b( , )b( , )dV 4 r
提示：只有工作在近海面的声纳才可能受到海面混响 的严重干扰，因此可假设 R h ， r h ， cos 0 ， r H 在上述假设条件下，收发换能器垂直指向性不起 作用，只有水平指向性才起作用，这样散射面近似在 平面内，所以有：
College of Underwater Acoustic Engineering
18

海面混响

海面混响的理论处理 海面混响等效平面波混响级 1）若散射层内 SV 是均匀的，则 SV 10 lg H 恰好 就是界面散射强度 S s ；则海面混响的等效平面 波混响级表达式： c RL SL Ss 40 lg r 10 lg r
tan 4 5 A 2 ( ) Ss 10 lg 2 32 g
60
提示：不涉及风速、声波频率，不符合海面散射 的实际物理过程。
College of Underwater Acoustic Engineering
24

海面混响

关于海面散射的理论 用粗糙度、波长和角度描述
10

海水中气泡的声学特性

单个气泡的散射截面、吸收截面和消声截面 以上两式表明：声波频率与散射功率、散射截面 有关； 当 f f 0 时，气泡处于共振状态，散射功率、 散射截面达到最大，分别为：
(Ws ) max

水声学原理PPT--绪论1

水声学原理PPT--绪论1
2017/10/23
俄罗斯D级弹道导弹核潜艇
水声学基础——序论 16
1. 水声学研究的意义 英国
英国最新战略核潜艇-警戒
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
哈尔滨船舶工程学院出版社，1990
2017/10/23 水声学基础——序论 5
课程特点
该课程与以往所学课程在课程内容与教学方 法上均有不同，主要表现在：
1. 注重数学建模； 2. 在数理方程与特殊函数的基础上进行讨论，理论上 有难度；
3. 注重试验，在试验的基础上进行总结，得出普遍性 的理论结果；
2017/10/23 水声学基础—Leabharlann 序论 2课程内容序论
第一章
第二章
声学基础
海洋的声学特性
第三章
第四章
海洋中的声传播
典型传播条件下的声场
第五章
第六章 第七章
2017/10/23
声波在目标上的反射和散射
海洋中的混响 水下噪声
水声学基础——序论 3
课程成绩
平时到课：10 平时作业：20
考试成绩：70
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
2017/10/23 水声学基础——序论 13
1. 水声学研究的意义 美国
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

水声学原理第一章ppt课件

水声学原理第一章ppt课件
平面波对应的声强）。
5
为了提高主动声纳的作用距离，将发射器做 成具有一定的发射指向性，如下图所示。
解释原因：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，从而增加声纳的作用距离。
6
发射指向性指数DIT：
DI T
10 lg
ID I ND
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：
的回波强度。
11
4、海洋环境噪声级NL （Noise Level）
Question：海洋内部是安静的吗？
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，它是声纳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：
NL 10lg I N
I0
式中I0为参考声强度,IN是测量带宽内（或1Hz频带内）的
QUESTION：何为水听器灵敏度?
14
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：
Sh 20 lg( v / p) dB/V
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？
15
无指向性水听器产生的均方电压： 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：
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：

(完整版)水声重点(更新版)

(完整版)水声重点(更新版)

(以下内容来自老师给的 ppt ) 第 1 章 -声纳及声纳方程 声源级 SL 描述主动声纳所发射声信号的强弱：TL 10lg I 1Ir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。

RL 10lg II 07、接收指向性指数 DI R 接收系统抑制背景噪声的能力。

10lg无指向性水听器产生的10lg指向性水听器产生的噪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)。

9、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1、2、 3、SL 10lg I发射指向性指数 理解 : I r 1SL 传播损失 TL DITP a 4I 是发射器声轴方向上离声源中心 1m 处的声强DI TWm210lg P a170.7710 lg I I DINDSL 10lg P a 170.77 DI T定量描述声波传播一定距离后声强度的衰减变化：4、噪声功率 声功率DT10 lg信号功率 噪声功率DI R目标强度定量描述目标反射本领的大小TS5、（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。

(完整版)水声学原理(第一章)

(完整版)水声学原理(第一章)

参考值
10
1.6.2声压级等于声强级:
L I

10 log
I I
0


10
log
p2
c
p2 0
c


20 log
p p
0


L
p
注意参考值不同产生的声级差别:
1971年以前曾用： =20μPa＝2×10－4达因/厘米2，换算到现在标准要加26分贝。 ＝1 达因/厘米2＝1μb（微巴）＝10－5μPa，换算到现在的标准 要加100分贝。
水声技术的成果突出反映在两个方面 1、声呐性能的不断提高：探测距离原来越远、对目标的定位、跟踪能力越来越强 2、应用声自导或声引信的水中兵器（鱼雷、水雷、深水炸弹等）的作战能力不断 提高。
因此，现代舰艇在水下面临的威胁与水声技术的水平有直接的关系。声隐身 性能是潜艇水下隐蔽性的核心。
4
1.4、水声技术的发展历史
声学中采用分贝计量的原因： ❖声学量的变化大到六、七个数量级以上
▪ 从窃窃私语到大型喷气式飞机起飞的声功率差十个数量级； ▪ 人耳的听阈在频率1kHz时是20μPa（微帕），痛阈是20Pa， 相差六个数量级； ▪ 在水中，一艘老式潜艇的辐射总声功率达到数瓦，而新型的 低噪声潜艇不到1微瓦，相差六、七个数量级。 ❖人耳（仪器）的响应近似与声压或声强的对数成比例。
5
1.5 声呐简介
声呐（声纳）-SONAR(Sound Navigation and Ranging)
凡是利用水下声信息进行探测、识别、定位、导航和通讯的系统，都通称为声呐系 统。声呐的主要应用是军用声呐。按工作方式可以分为：主动声呐和被动声呐。 按安装平台分可以分为： ❖潜艇声呐：潜艇上的电子设备是声呐。一般核潜艇装有10～15部声呐。主要有： 艏部主、被动综合声呐；被动测距声呐；舷侧阵声呐；拖曳线列阵声呐。 ❖水面舰声呐：舰艏声呐；变深拖曳声呐；拖曳线列阵声呐。 ❖机载声呐和浮标：吊放声呐；声呐浮标。 ❖海洋水声监视系统：岸站（岸边海底固定式声呐）；预警系统 ❖水声对抗器材：鱼雷报警声呐；声诱饵；干扰器；气幕弹 ❖水中兵器自导：鱼雷声自导；水雷声引信； ❖其它：通讯仪、鱼探仪、多普勒测速仪、浅地层剖面仪等。

海洋声学基础——水声学原理-吴立新

海洋声学基础——水声学原理-吴立新

海洋声学基础——水声学原理-吴立新海洋声学基础——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，T olstor 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。

水声学原理ppt 第一章

水声学原理ppt 第一章

n 1 jk cQ j t k r jk s di in p r , , t 0 0 e e 4 r i 0
e
jkdi sin
当 0 （垂直 OX轴方向）时，各点源同相叠加，合成声压最大：
jk cnQ t k r 0 0 j p r ,0 ,t e 4 r

sin i 当 d 时， 声压振幅出现极大值1， 对应极大值的方向： i arcsin
d
d i i 0 , 1 ,
2019/2/16 第一章 声学基础 9
2、等间距均匀点源离散直线阵的声辐射
其中，i 0 对应的方向为主极大值方向（主瓣）； i 1 对应的方向为第一副极大值方向（栅瓣）， 依此类推。 注意：不出现副极大值的条件 d 当 大值（旁瓣），对应次极大值的方向：
22 k a ka F c 2 2S j c 2 2S u r a 1 k a 1 k a
k r c k r i k r 0 Z c i c e Rj X 0 0 2 2 2 1 k r 1 k r 1 k r
第一章 声学基础
第二讲 主要内容
1. 均匀脉动球源的声辐射(了解) 2. 等间距均匀点源离散直线阵的声辐射 (重点) 3. 均匀连续直线阵的声辐射(了解)
4. 无限大障板上平面辐射器的声辐射 (了解) 5. 声波的接收方向特性(重点)
2019/2/16 第一章 声学基础 1
1、均匀脉动球源的声辐射
1 ka
j( exp a ka )
令
Q4 au a 0
2
1、均匀脉动球源的声辐射

水声学原理(第一章)(课件)

水声学原理(第一章)(课件)
6 0
0
0
应当指出的是，虽然结构噪声级与振动级的定义相同， 但实际测量和评价方法有区别的。因为结构噪声要反映 连续弹性体的振动特性，所以用一个点的振动级是无法 描述的。通常要用结构的整个辐射面上大量测点的统计 平均来描述。
英国、法国联合研制的 舷侧阵声呐TSM2253
美国Lockheed Martin 公司研制的被动测距声 呐PUFFS
英国、法国联合研制的 投吊声呐
德国ATLAS公司研制 的拖曳线列阵 8
1.6 声学量的度量、分贝和级
声学中采用分贝计量的原因：
声学量的变化大到六、七个数量级以上 从窃窃私语到大型喷气式飞机起飞的声功率差十个数量级； 人耳的听阈在频率1kHz时是20μ Pa（微帕），痛阈是20Pa， 相差六个数量级； 在水中，一艘老式潜艇的辐射总声功率达到数瓦，而新型的 低噪声潜艇不到1微瓦，相差六、七个数量级。 人耳（仪器）的响应近似与声压或声强的对数成比例。
其它物理场：磁场、水压场、尾流场、温度场，也是可以检测，但可检测距离大
致与源本身尺度同一量级，不能在水中远距离传递信息。
2
1.2、声呐与雷达的异同
声呐与雷达的工作原理相似。但由于信息载体－声波与电磁波的差异决定了 声呐和雷达有重要差别。
a.电磁波速度30万公里/秒,声波在水中1.5公里/秒。决定： •工作频率差别大。雷达频率约GHz（ 1 0 •分辨率差。声图象模糊。
统。声呐的主要应用是军用声呐。按工作方式可以分为：主动声呐和被动声呐。 按安装平台分可以分为：
潜艇声呐：潜艇上的电子设备是声呐。一般核潜艇装有10～15部声呐。主要有： 艏部主、被动综合声呐；被动测距声呐；舷侧阵声呐；拖曳线列阵声呐。
水面舰声呐：舰艏声呐；变深拖曳声呐；拖曳线列阵声呐。

水声学基础PPT课件

水声学基础PPT课件
第43页/共92页
2.2 海水中的声吸收
3、非均匀液体中的声衰 减一般海水含有各种杂质，如气泡、浮游生物、悬浮
粒子以及湍流形成温度不均匀区域等，它将增加海水
的声传播损失。 含有气泡群的海水具有非常高的声吸收：
第22页/共92页
2.1 海水中的声速
声速描述 在水声学中，经常将声速表示成为确定性的声速垂
直分布与随机不均匀声速起伏的线性组合：
c cz c
第23页/共92页
2.1 海水中的声速
声速垂直分布分类 深海声道声速分布：
特点：在某一深
度处有一声速最
Zm
小值。
c0 c
Zm
Z
Z
第24页/共92页
c0 c
k
实际吸收系数的测量值远大于经典吸收系数理论
值，两者差值称为超吸收。Why?
第37页/共92页
2.2 海水中的声吸收
2、纯水和海水的超吸收
纯水超吸收
1947年，Hall提出 水的结构弛豫理论，成 功解释了水介质的超吸 收原因。 •曲线A—Hall理论计算 •曲线B—经典声吸收
第38页/共92页
在主跃变层（负）和深 海等温层（正）之间， 有一声速极小值。
第15页/共92页
2.1 海水中的声速 请解释一下深海声速梯度分布？
第16页/共92页
2.1 海水中的声速
海洋中声速的基本结构 温度的季节变化、日变化和纬度变化： （1）季节变化：
百慕大海区温度随月份的变化情况，夏季既有表面 等温层，又有表面负梯度层；冬季有很深的表面混合 层。季节变用表面声道和深海声道，柱面波传播 ，相当于全反射海底和全反射海面组成的理想波导中
的传播条件。 TL 10lgr

水声学原理第一章 ppt课件

水声学原理第一章 ppt课件
致与源本身尺度同一量级，不能在水中远距离传递信息。
2
水声学原理第一章
声呐与雷达的工作原理相似。但由于信息载体－声波与电磁波的差异决定了 声呐和雷达有重要差别。
a.电磁波速度30万公里/秒,声波在水中1.5公里/秒。决定：
•工作频率差别大。雷达频率约GHz（ 1 0 9 Hz） 声呐频率约kHz（ 1 0 3 Hz）
1490年 达芬奇就提出声纳的原始概念 泰坦尼克号的沉没，开始最初的声纳设计 第一次世界ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ战的爆发促进了一系列军用声纳的发展（值得一提的 是郎之万在换能器上的贡献，并测得了水中1500米外潜艇回波） 一战和二战之间水声工程一直缓慢而稳步发展,最大的成就是对海 洋声传播机理的认识。（如“下午效应”现象的解释） 二战期间为了探测德国潜艇，水声工程有了很大发展，出现了大量 新的理论和技术 战后水声工程随着计算机和电子计算发展，水声工程的应用在军用 、民用领域更为广泛。
1012米。
应当指出的是，虽然结构噪声级与振动级的定义相同， 但实际测量和评价方法有区别的。因为结构噪声要反映 连续弹性体的振动特性，所以用一个点的振动级是无法 描述的。通常要用结构的整个辐射面上大量测点的统计 平均来描述。
12
水声学原理第一章
物理量的乘除运算变成加减运算。
例如在声学测量中，用灵敏度等于S 伏/μPa的水听器接收，经 过放大倍数等于K的放大器放大后得到电压V伏。水听器输入端的声压
注意参考值不同产生的声级差别:
1971年以前曾用： =20μPa＝2×10－4达因/厘米2，换算到现在标准要加26分贝。 ＝1 达因/厘米2＝1μb（微巴）＝10－5μPa，换算到现在的标准 要加100分贝。
俄罗斯标准＝20μPa 由于空气声和水声参考值的不同，舱室内声级为L分贝的噪声若 无损耗地传到水下将变成L＋26分贝的水噪声。

水声学原理 (2)

水声学原理 (2)

水声学underwater acoustics简史水声换能器和参量阵水声换能器水声换能器的进展水声参量阵声波在海洋中的传播和声场数值预报传播损失水下声道理论方法深海中的声传播浅海中的声传播声场数值预报水声场的背景干扰噪声海洋中的混响信号场的起伏和散射海面波浪引起的声起伏湍流引起的声起伏内波引起的声起伏目标反射和舰船辐射噪声水下目标反射舰船辐射噪声水声信号处理-声学的一个分支学科。

它主要研究声波在水下的产生、传播和接收，用以解决与水下目标探测和信息传输过程有关的声学问题。

声波是已知的唯一能够在水中远距离传播的波动,在这方面远比电磁波(如无线电波、光波等)好,水声学随着海洋的开发和利用发展起来，并得到了广泛的应用。

简史1827年左右，瑞士和法国的科学家首次相当精确地测量了水中声速。

1912年“巨人”号客轮同冰山相撞而沉没，促使一些科学家研究对冰山回声定位，这标志了水声学的诞生。

美国的R.A.费森登设计制造了电动式水声换能器(500～1000Hz)，1914年就能探测到2海里远的冰山。

1918年，P.朗之万制成压电式换能器，产生了超声波,并应用了当时刚出现的真空管放大技术,进行水中远程目标的探测，第一次收到了潜艇的回波，开创了近代水声学，也由此发明了声呐。

随后，水声换能器的革新，关于温度梯度影响声传播路径的机理、声吸收系数随频率变化等水声学研究的成就，使声呐得以不断改进，并在第二次世界大战期间反德国潜艇的大西洋战役中起了重要作用。

第二次世界大战以后,为提高探测远距离目标(如潜艇)的能力,水声学研究的重点转向低频、大功率、深海和信号处理等方面。

同时，水声学应用的领域也越加广泛，出现了许多新装置，例如:水声制导鱼雷,音响水雷，主、被动扫描声呐,水声通信仪，声浮标，声航速仪,回声探测仪,鱼群探测仪,声导航信标,地貌仪,深、浅海底地层剖面仪，水声释放器以及水声遥测、控制器等。

水声作为遥测海洋的积分探头，在长时间内大面积连续监测海洋的运动过程以及海洋资源概念也已初步形成。

水声学原理第一章2

水声学原理第一章2

水声学原理第一章2
水声学概述 水声传播原理 水下声场 声呐原理及应用 总结与展望
contents
目 录
01
水声学概述
水声学是一门研究水下声波的产生、传播、接收和利用的学科，其研究对象包括声波在水下的传播规律、声呐技术以及水下声学现象等。
总结词
水声学是声学的一个分支，专门研究声波在水下介质中的传播规律。它涉及到声波在水下环境中的产生、传播、散射、吸收和反射等物理过程，以及水下声学现象的机制和特性。水声学的研究对象包括声波在水下的传播规律、声呐技术以及各种水下声学现象等。
声呐的基本原理和组成
声呐信号的发射和接收
声呐信号的发射
声呐发射机产生一定频率和强度的声波，通过换能器将电信号转换为声波向水中发射。
声呐信号的接收
声呐接收机接收到反射回来的声波后，通过换能器将声波转换为电信号，然后进行处理和分析。
VS
声呐的探测性能受到多种因素的影响，如水深、水温、盐度、水中的悬浮物等。不同的声呐型号和应用场景需要选择合适的参数和配置。
详细描述
水声学的定义和研究对象
总结词
水声学的发展历程可以追溯到20世纪初期，随着科技的不断进步，水声学在探测、通信、海洋生物学和地球物理学等领域得到了广泛的应用和发展。
详细描述
水声学的发展历程可以追溯到20世纪初期，当时人们开始系统地研究声波在水下的传播规律。随着科技的不断进步，水声学在探测、通信、海洋生物学和地球物理学等领域得到了广泛的应用和发展。如今，水声学已经成为一门高度发达的学科，为人类在海洋领域的探索和发展提供了重要的技术支持。
应用领域
声呐广泛应用于水下探测、海洋科学研究、水下考古、海底地形测量等领域。在军事上，声呐也被用于潜艇探测、水下目标识别和反潜作战等方面。
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注意：连续直线阵永远不会出现栅瓣。 注意 主瓣束宽和-3dB束宽 束宽： 主瓣束宽和 束宽
λ Θ = 2 arcsin L
2011-9-2
Θ −3dB
λ = 2 arcsin 0.42 L
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第一章 声学基础
3、均匀连续直线阵的声辐射 、
方向性因子： 方向性因子：
R= kL ≈ 2 2 2 sin kL 4 cos kL D(θ ) cosθdθ π − − + 3 kL kL (kL) 2
2
eiϕ = R + jX
第一章 声学基础
5
1、均匀脉动球源的声辐射 、
② 辐射阻抗
Z s = Rs + jX s
k a Rs = ρc S 2 2 1+ k a
2 2
辐射阻抗 辐射阻抗由辐射阻和辐射抗两部分组成 辐射阻 辐射抗
损耗在R 上的能量，转化为声能， 损耗在 s上的能量，转化为声能，以声 波的形式向介质中传播； 波的形式向介质中传播； 辐射抗恒取正值，表现为惯性抗。 辐射抗恒取正值，表现为惯性抗。
jkdi sin θ
当 θ =0 （垂直 OX 轴方向）时，各点源同相叠加，合成声压最大：
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2、等间距均匀点源离散直线阵的声辐射 、
声场的方向性函数： ② 声场的方向性函数：
p(r , θ , t ) 1 D(θ ) = = p(r , 0 , t ) n
∑
i =0
n −1
e jkdi sin θ
远场声压
z >> a
z a >> λ a
ka 2 P ( z ) = 2 ρ0 cua sin 4z
1 ka 2 P ( z ) = ρ 0 cua 2 z
z >> a
ka 2 P ( z ) = 2 ρ 0 cua sin 4z
注意： 注意 活塞远场声压与球面
第一章 声学基础
第二讲 主要内容
1. 均匀脉动球源的声辐射 了解 均匀脉动球源的声辐射(了解 了解) 2. 等间距均匀点源离散直线阵的声辐射 (重点 重点) 重点 3. 均匀连续直线阵的声辐射(了解 了解) 了解
4. 无限大障板上平面辐射器的声辐射 (了解 了解) 了解 5. 声波的接收方向特性(重点 重点) 重点
在远场，r>>λ 在远场， λ 分母上r 的不同可忽略不计， 分母上ri的不同可忽略不计，即
1 1 1 1 = =L= = r0 r1 rn −i r 相位上的不同不能忽略： 相位上的不同不能忽略： r = r + id sin θ i
第一章 声学基础 7
2011-9-2
2、等间距均匀点源离散直线阵的声辐射 、
2011-9-2 第一章 声学基础 1
1、均匀脉动球源的声辐射 、
① 声辐射和振源强度
A j ( wt − kr ) p= e r 2
待定常数。由球面振源的表面振速来确定。 待定常数。由球面振源的表面振速来确定。
( kr ) + i ρ c kr Z = ρ0 c 0 2 2 1 + ( kr ) 1 + ( kr )
① 辐射声压
r r (x , y , 0 )
jkρ 0 cQ0 j (ωt − kr ) n −1 jkdi sin θ p (r , θ , t ) = e ∑e 4πr i =0 =0
e
jkρ 0 cnQ0 j (ωt −kr ) p(r , 0 , t ) = e 4πr
2011-9-2 第一章 声学基础
① 辐射声压
r 定义： 定义： = 4π a ua 0 为振源强度 Q 声场中某点声压， 声场中某点声压，等于这 些声源在该点的叠加。 些声源在该点的叠加。
2
r r (x , y , 0 )
p (r , θ , t ) = ∑
i =0
n −1
jkρ 0 cQ0 j (ωt − kri ) e 4πri
注意：圆形活塞不会出现栅瓣。 注意 波束宽度
设表面振速
ϕ = arctg(1 kr )
=
ρ0ckr
1 + ( kr )
2
eiϕ = R + jX
u (a, t ) = ua 0 e
2
jωt
A=
ρcka 2ua 0
1 + (ka )
exp[ j (ϕ (a ) + ka)]
令
Q = 4πa ua 0
2
Q kρc p(r , t ) = exp{ j[wt − k (r − a ) + ϕ (a )]} 4πr 1 + (ka )2
2011-9-2 第一章 声学基础 4
1、均匀脉动球源的声辐射 、
② 辐射阻抗
在介质中，球源的脉动形成了声波的辐射；同时， 在介质中，球源的脉动形成了声波的辐射；同时，球源本身又 处于自己辐射的声场中， 处于自己辐射的声场中，受到声场的作用
2 2 k a ka Fr = − ρc S − jρc S ua 2 2 2 2 1+ k a 1+ k a
∫ ∫
0
2π
π
0
D (θ , ϕ ) cos θ dθ dϕ
z
2
I max R= = I ref
4π
∫ ∫
0
2π
π
0
D (θ , ϕ ) cos θ dθ dϕ
2
发射指向性指数：发射阵的 发射指向性指数 方向性因子的分贝数。
r
θ
0
DIT = 10 lg R
2011-9-2 第一章 声学基础
ϕ
x
y
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ka X s = ρc S 2 2 1+ k a
辐射声功率： 辐射声功率： W =
1 2 Rs ua 0 2
共振质量： 共振质量： M = X s s
ω
Xs的作用相当于在声源本身的质量 m上附加了 的作用相当于在声源本身的质量M 一个辐射质量M 一个辐射质量 s
第一章 声学基础 6
2011-9-2
2、等间距均匀点源离散直线阵的声辐射 、
方向性图 当 d sin θ = iλ 时，
πd sin n sin θ λ = πd n sin sin θ λ
声压振幅出现极大值 极大值1， 极大值 对应极大值的方向：
iλ θ = arcsin d
d ≥ iλ
2011-9-2
i = 0,1,L
(a ) ≈
π
2
Q j (ωk − kr ) p(r , t ) = jkρc e 4πr
2011-9-2
第一章 声学基础
3
1、均匀脉动球源的声辐射 、
① 声辐射和振源强度
1 I= T
∫
T
0
Re( p ) ⋅ Re(u )dt
对于点声源，ka<<1 对于点声源，
(ka ) 1 2 a I = ρcua 0 2 r 2 1 + (ka )2 1 2 2 a I = ρcua 0 (ka ) 2 r
3、均匀连续直线阵的声辐射 、
① 辐射声压方向性图 n nd 令 d → 0 ， → ∞ ， → L ，则阵长为 L 的均匀连续直线阵的方向性函数为：
πd πL sin n sin θ sin sin θ λ = λ D(θ ) = lim d →0 πL πd n →∞ n sin sin θ sin θ nd → L λ λ
2011-9-2 第一章 声学基础 2
1、均匀脉动球源的声辐射 、
① 声辐射和振源强度
Q kρc p(r , t ) = exp{ j[wt − k (r − a ) + ϕ (a )]} 2 4πr 1 + (ka )
声压与振源强度成正比； 等于振源振幅值与表面积 等于振源振幅值与表面积4πa2的乘 声压与振源强度成正比；Q等于振源振幅值与表面积 若振速一定，振源表面积大，向空间辐射的声压也大。 积。若振速一定，振源表面积大，向空间辐射的声压也大。 如果振源半径a<<λ,即ka<<1，小球源作为点声源， ϕ 即 如果振源半径 ，小球源作为点声源，
∫
π
0
R≈
2L
λ
2L 方向性函数： 方向性函数： DIT ≈ 10 lg λ
2011-9-2 第一章 声学基础 15
4、无限大障板上平面辐射器的声辐射 、
①平面圆形活塞的辐射
设半径为a的圆形平面活塞镶嵌在无限大障板上，如 图所示。活塞位于XOY 平面内，向上半空间辐 射声波，声场对称于z轴。 活塞表面各点的振幅和 相位相同，则
2011-9-2
第一章 声学基础
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2、等间距均匀点源离散直线阵的声辐射 、
③ 方向性因子和方向性指数
发射方向性因子： 发射方向性因子：远场中最大响应方向上声强与同 一距离处各方向辐射声强平均值之比
I max k ρ cn Q = 32π 2 r 2
2 2 2 0
I ref
1 k 2 ρ cn 2Q02 = . 4π 32π 2 r 2
波一样与距离成反比，声场 具有方向性。
2011-9-2 第一章 声学基础
z a >> a λ P ( z) = 1 ka 2 ρ0 cua 2 z
轴线声压
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4、无限大障板上平面辐射器的声辐射 、
方向性函数
– 活塞辐射声场的方向性函数为：
2 J 1 (ka sin θ ) D(θ ) = ka sin θ