水声学原理第四章4

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。

%信道多途结构分析与信道冲击响应计算%对应水声学原理第四章4.5.3节的部分内容clear allclose allclc;c=1500; %声速ff=0.1;%频率分辨力f=1:ff:1000;%声源频率N=length(f);w=2*pi*f;%角频率k=w/c; %波数z0=100; %声源深度z=100;%接收深度H=200; %波导深度L=2000; %水平最远距离x=1000; %接收点水平位置m=25; %反射次数Hf=zeros(1,length(f));%初始化for n=0:1:mzn1=(2*H*n+z0-z); %四条本征声线zn2=(2*H*(n+1)-z0-z);zn3=(2*H*n+z0+z);zn4=(2*H*(n+1)-z0+z);r1=sqrt(x.^2+zn1.^2);r2=sqrt(x.^2+zn2.^2);r3=sqrt(x.^2+zn3.^2);r4=sqrt(x.^2+zn4.^2);t1=r1/c;t2=r2/c;t3=r3/c;t4=r4/c;Hf=Hf+1/r1*exp(-j*w*t1)+1/r1*exp(-j*w*t1)+1/r1*exp(-j*w*t1)+1/r1*exp(-j*w*t1); endHF=real(Hf);plot(f,HF);title('相干多途信道幅度频率特性曲线')xlabel('频率/Hz')ylabel('幅度')Pf=angle(Hf);%相频特性figureplot(f,Pf);title('相干多途信道相位频率特性曲线')xlabel('频率/Hz')ylabel('相角/弧度')ht=abs(ifft(Hf));dt=1/N/ff;t=(0:dt:(N-1)*dt);figureplot(t,ht);title('相干多途信道冲击响应函数') xlabel('时间/s')ylabel('幅度')。

《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。

《水声学》部分习题参考答案绪论1什么是声纳？声纳可以完成哪些任务？2请写出主动声纳方程和被动声纳方程？在声纳方程中各项参数的物理意义是什么？3在组合声纳参数中优质因数和品质因数是什么？它们的物理意义是什么？4声纳方程的两个基本用途是什么？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=。

8 在被动声纳方程中使用了接收方向行指数DI ，由此讨论被动声纳方程对噪声的适用条件。

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 给定水下声压p 为Pa μ100，那么声强I 是多大，与参考声强r I 比较，以分贝表示的声强级是多少？3 发射换能器发射40kW 的声功率，且方向性指数t DI 为15dB ，其声源级SL 为多少？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。

1、①求出z 0、z 1、z 2深度的声速c 0、c 1、c 2z 0深度的声速c 0：c 0=c S (1+az 0)z 1深度的声速c 1：c 1=c S (1+az 1)z 2深度的声速c 2：c 2=c S (1+az 2)②求出z 1和z 2深度掠射角α1和α2根据Snell 定律有cosα1c 1=cos0°c 0=cosα2c 2联立上式可得cosα1=c 1c 0=1+az 11+az 0 cosα2=c 2c 0=1+az 21+az 0③分别求出两段水平距离x 1和x 2由几何知识可得 cosα1=R −(z 1−z 0)R且x 12=√R 2−[R −(z 1−z 0)]2 其中R 为弓形半径。

联立上式并整理，可得x 1=2(z 1−z 0)√1+cosα11−cosα1=2(z 1−z 0)tan α12由于声速梯度恒定，第二段弓形半径仍为R ，所以由几何知识得x 2=R −Rcos2α1=2(z 1−z 0)sin 2α11−cosα1=2(z 1−z 0)(1+cosα1) ④综上，水平距离x =2(z 1−z 0)(1+cot α12+cosα1) 其中α1=arccos 1+az01+az 1。

2、①求H 深度声速c H 和z 0深度声速c 0c H =c S (1+a 1H)c 0=c H [1+a 1(z 0−H )]=c S (1+a 1H)[1+a 2(z 0−H )]②求H 深度掠射角αH 和海面掠射角αS根据Snell 定律有cosα0c 0=cosαH c H =cosαS c S将①中两式代入整理可得cosαH =c H c 0cosα0=cosα01+a 1(z 0−H ) cosαS =c S c 0cosα0=cosα0(1+a 1H)[1+a 2(z 0−H )]③分别求两段水平距离x 1和x 2 由几何知识可得第一段弓形圆心角θH =αH −α0第二段弓形圆心角θS =αS −αH且有cosθH =R H −(z 0−H)R HcosθS =R S −H R S其中R 1、R 2分别为两段弓形的半径。

【关键字】精品海洋声学基础——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。

（外装甲板，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。