下载文档原格式
学习指南（1）重点、难点分析水声学课程具有很强的理论性，同时也具备较强的工程性。
理论内容是为解决工程实际问题服务的，而工程实际问题反过来又可以指导理论模型的建立，两部分相辅相成。
水声学课程的难点主要在于其理论的复杂性和工程的抽象性。
研究课程内容可知，声纳方程是该课程的主线，课程各章节与声纳参数是一一对应的，为了能真正理解声纳方程，并使用声纳方程进行声纳设备的设计或性能预报，解决工程实际问题，必须对每一个声纳参数所隐含的基本物理概念、物理机理有所理解和认识，课程的重点内容包括以下几个模块：●声纳系统和声纳参数的概念及物理含义。
该模块从概念的角度描述声纳方程，是理解声纳方程、应用声纳方程的前提；●海洋环境的声学特性。
它影响声波的传播规律，从而影响声纳设备的工作性能。
了解海洋环境的声学特性是后面声传播规律研究的基础；●声场建模理论和典型信道中的声传播规律。
该模块主要介绍声场建模的两种基本理论以及对典型信道中声传播规律的物理解释，具有非常强的理论性，同时又具备一定的工程性，因此成为课程的难点。
该部分也是声纳工作环境中声传播规律研究的基础，是声纳设备的设计和性能预报不可跨越的鸿沟，对后续研究生课程《水声传播原理》的学习将有直接的影响，成为课程的核心内容之一；●声波在目标上的反射和散射。
该模块阐述了水下目标对声波的散射能力（即目标强度），以及目标散射信号的组成及形成机理（即目标回波特性）。
目标强度的大小决定了该目标能否用声纳进行探测。
目标回波特性决定了声纳信号处理中回波特征提取和识别的问题。
复杂目标的声散射极其复杂，因此其计算和特性分析也具有一定难度；●海洋混响。
该模块介绍了混响强度预报的一种基本理论，是理解混响的形成机理、混响的特征、混响抑制的基本方法的基础，具有较强的理论性；●水下噪声。
该模块主要介绍海洋环境噪声、舰船自噪声和辐射噪声的噪声源和噪声谱，以及描述噪声强弱的谱级和噪声级；●课程的理论体系如下图所示。
基础理论知识：声呐、声呐参数及声呐方程来源：整理自哈尔滨工程大学《声呐及声呐方程》讲义一、声纳及其工作方式声呐（Sonar—Sound Navigation and Ranging）：利用水下声信息进行探测、识别、定位、导航和通讯系统。
声呐分类：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：被动声呐（噪音声呐站）信息流程：主被动声呐有何区别？主动声呐：•声源：通过接收目标回波实现目标探测（SL、TS）；•传播路径：双程（2TL）；•背景干扰：环境噪声和混响（NL、RL）。
被动声呐：•声源：通过接收目标辐射噪声实现目标探测（SL）；•传播路径：单程（TL）；•背景干扰：环境噪声（NL）。
主、被动声呐工作信息流程基本组成？•海水介质•被探测目标•声呐设备二、声纳参数声呐参数：将影响声呐设备工作的因素称为声呐参数。
主动声呐的相关参数包括：•声源级SL•指向性指数DIT•传播损失TL•目标强度TS•传播损失TL•指向性指数DIR•噪声级NL•等效平面波混响级RL •检测阈DT被动声呐的相关参数包括：•声源级SL•传播损失TL•指向性指数DIR•噪声级NL•检测阈DT1. 主动声呐声源级SL（Source Level）描述主动声呐所发射声信号的强弱：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微帕平面波对应声强)；声源级反映了发射器辐射声功率的大小。
如何提高主动声呐作用距离？•将发射器做成具有一定的发射指向性；•解释原因：它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。
发射指向性指数DIT（Directivity Index）物理含义：•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；就有利于增加声呐的作用距离。
声源级与声功率的关系假设：•介质无声吸收；•声源为点源；•辐射声功率为Pa(W)距离声源声中心1米处声强：无指向性声源辐射声功率与声源级的关系：有指向性声源辐射声功率与声源级的关系：常识：船用声呐Pa为几百瓦～几千瓦，DIT为10～30dB，SL约为210～240dB。
(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。
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。
第一章绪论声波在水中的传播性能最好：在海水中，光波和无线电波的传播衰减都非常大，传播距离有限；声波在水中的传播性能好得多：利用深海声道效应，人们可以在5000公里以外，清晰地接收到几磅TNT炸药爆炸时所辐射的声信号（1公斤＝2.2磅）。
1.1 水声学发展简史✧水声学的迅速发展：始于第二次世界大战初期✧声纳起源：1490年，意大利列昂纳多•芬奇在摘记中写道：“如果使船停航，将长管的一端插入水中，而将管的开口放在耳旁，则能听到远处的航船。
”——它是人类利用水声探测水下目标的最早记载，这种原始“声纳”一直到第一次世界大战还广为采用。
✧水声的第一次定量测量：1827年，瑞士物理学家D.Colladon和法国数学家C.Sturm合作，在日内瓦测量了声速，测得的声速值为1435米/秒，与现代测量值十分接近。
✧水声换能进展：1840年，焦耳发现了磁致伸缩效应，1880年皮埃尔•居里发现了压电效应；在此基础上，后人支撑和发展了水声压电换能器和磁滞伸缩换能器，实现水中电能和声能之间的转换。
✧水声第一个回声定位方案：1912年，英国“泰坦尼克号”和冰山相撞海难事件发生后不久，英国人L.F.Richardson提出水下回声定位方案，他本人未能实现这一方案。
✧军用声纳发展（第一次世界大战）：第一次世界大战后期，反潜成为一个主要研究方向；法国物理学家ngeven和俄国电气工程师C.Chilowsky采用电容发射器和碳粒接收器作了水下目标的探测实验，1916年接收到海底回波和200米以外的一块装甲板的回波；1917年Langeven研究成功了石英－钢夹心换能器，并利用了真空管放大器，首次将电子学应用于水声技术；1918年，成功地探测到1500米以外的水下潜艇的反射声。
他首次实现了利用回声探测水下目标。
✧第一次世界大战后：水声技持续发展，1925年研制用于传播导航的水声设备——回声测深仪。
✧第二次世界大战：进一步推动水声技术的发展，取得很多成果：主、被动声纳，水声制导鱼雷，音响水雷和扫描声纳等。
（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： I 是发射器声轴方向上离声源中心1m 处的声强2、发射指向性指数DITNDD T I I DI lg10=理解: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：rI I TL 1lg10=4、目标强度TS 定量描述目标反射本领的大小 ：5、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。
7、接收指向性指数DI R 接收系统抑制背景噪声的能力。
声功率指向性水听器产生的噪噪声功率无指向性水听器产生的lg10=R DI8、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)。
噪声功率信号功率lg10=DT1lg10==r I ISL ()214m W P Ia r π==77.170lg 10+=a P SL Ta DI P SL ++=77.170lg 101lg10==r irI I TS 0lg10I I RL =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（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。
