(完整版)水声重点(更新版)

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。

⽔声学⽔声学1. 试写出混响⼲扰背景的主动声呐⽅程，说明各符号的物理意义。

2. 试写出噪声⼲扰背景的主动声呐⽅程，说明各符号的物理意义。

3. 试写出被动声呐⽅程，说明各符号的物理意义。

4. 海⽔中，引起声传播损失的原因为何？5. 海⽔中，引起声吸收的原因为何？6. 舰船航⾏噪声有哪些主要噪声源，舰船航⾏噪声的频谱如何？7．海洋混响是如何形成的？按形成原因如何分类?8．为何在⽔下噪声研究中将舰船噪声分为舰船辐射噪声和舰船⾃噪声？9．射线声学的适⽤条件为何？试表述射线声学的两个基本⽅程。

10．简述实验测量⽔下物体⽬标强度（TS值）的“⽐较法”11．海洋中什么样的声速分布能形成表⾯声道。

为什么声波在表⾯声道中能远距离传播？12．⽐较主动声纳和被动声纳的优缺点。

13．海洋中什么样的声速分布能形成深海声道。

为什么声波在深海声道中能远距离传播？14．何谓点声源？15．如果波阵⾯为球⾯扩张，试写出海⽔中声传播损失的⼀般表⽰式。

16．如果波阵⾯为柱⾯扩张，试写出海⽔中声传播损失的⼀般表⽰式。

17．半径为a的刚性球体的⽬标强度为何？简述潜艇的⽬标强度随潜艇⽅位⾓的变化规律。

18．请问⽤⽔声学中的乌德公式能计算什么值？19．简述实验测量⽔下物体⽬标强度（TS值）的“应答器”法。

20．请介绍⼀种实验测量⽔中声速的⽅法。

21．近代声纳设备的⼯作频率向低频发展，试分析这会有什么好处以及会带来什么问题？22．试描述海洋混响的物理现象。

23．螺旋桨噪声产⽣的机理为何？定性给出潜艇的螺旋桨噪声与航速和潜深的关系。

24．机械噪声产⽣的机理为何？机械噪声的特点为何？25．何谓简正波的截⽌频率？某阶简正波出现于波场中的条件为何？26．定性解释‘下午效应’。

27．等声速梯度的海洋环境下，声线轨迹是何种⼏何形状？28．如果在表⾯声道中，发射⼀个脉冲声信号；问：在远处接收，此信号有何变化？为什么？29．试定性描述海⾯附近的⼀个点声源的声场特点。

声现象知识点总结1、声音是由物体的振动而产生的，振动可以发声，振动停止，发声也停止。

振动一定会发声，但人耳不一定能听见（比如：蝴蝶翅膀振动发出的声音，我们就听不到）。

把正在发声的音叉靠近悬吊在空气中的乒乓球，可以看到乒乓球会被弹开；把发声的音叉接触水面，会看到水面溅起水花；把一些纸屑放在正在发声的音箱上面，看到纸屑在跳动；说明了声音是由物体振动产生的。

这种把肉眼看不到的微小变化转化成眼睛看得到的明显的现象叫转换法，转换法是物理探究实验中的重要研究方法，希望大家记住。

敲锣或者鼓时，用手按住锣面或鼓面，声音就立刻消失了，说明振动停止，发声也停止。

敲击一次大钟，大钟可以持续响很长时间，余音未止，是因为大钟还在振动而继续发声；固体、液体、气体都可以振动发声。

振动的物体叫发声体，打击乐器是被打击物体振动发声，弦乐器是弦丝振动发声，管乐器是空气柱振动发声，蚊子叫声是蚊子的翅膀振动发声的，气球爆炸发声是气体振动产生，冬天风吹电线发出呜呜声是电线振动产生的。

2、声音可以以固体，液体，气体为介质传播。

固体传声效果最好。

声音可以在固体中传播，如在走廊上可以听到教室里有人在大声讲话。

声音可以在液体中传播，如水里的鱼会被岸边人的走路声吓跑。

声音可以在气体中传播，如我们日常生活听到的大部分声音就是靠空气传来的；总之，声音的传播必须有介质，真空不能传声。

月球上是一片死寂，如在月球上的宇航员离的很近都无法听到对方的声音，他们要借助无线电来交谈。

用抽气机逐渐抽去真空罩中的空气，会听到真空罩中正在发声的闹铃的声音逐渐减小，此实验说明声音的传播需要介质，真空不能传播声音。

声音以波的形式传播着，我们把它称为声波。

3、声的传播需要一定时间。

声传播的快慢用声速来描述，它的大小等于声音在每秒内传播的距离。

声速的大小与介质的种类有关，还与介质的温度有关。

15℃的空气中的声速是340m/s。

一般情况下，固体中的声速>液体中的声速> 气体中的声速。

第2章水声换能器1.水听器2.水声发射换能器3.实验1 •水听器（1）分类根据其用途和校准的准确度根据其使用材料根据其用途和校准的准确度分为两级：A.—级标准水听器建立水声声压基准，并通过它传递声学量单位。

绝对法校准。

E.二级标准水听器（测量水听器）用作实验室中一般测试。

比较法校准。

根据其使用材料可分为：a、压电式：b、动圈式（或电动式）c、磁致伸缩式d、光纤式⑵参数①水听器接收灵敏度②水听器的指向性③水听器的电阻抗④动态范怜I①水听器接收灵敏度水听器自由场电压灵敏度：水听器在平面自由声场中输出端的开路电压与声场中放入水听器之前存在于水听器声中心位置处自由场声压的比值。

水听器声压灵敏度：水听器输出端的开路电压与作用于水听器接收面上的实际声压的比值。

②水听器的指向性•指向性响应图・指向性指数・指向性因数表示水听器在远场平面波作用卞，所产生的开路输出电压随入射方向变化的曲线图。

指向性指数DI和指向性因数对于水听器，其指向性因数代表定向接收器输出端的信噪比比无指向性接收器输出端的信噪比提高的倍数。

r>/ = ioi g^③水听器的电阻抗在某频率卞加于换能器电端的瞬时电压与所引起的瞬时电流的复数比。

换能器电阻抗的倒数称为换能器的电导纳。

④动态范围水听器主轴方向入射的正弦平面行波使水听器产生的开路电压等于水听器实际输出的带宽1Hz的开路噪声电压时，则该声波的声压级就是水听器的等效噪声声压级。

水听器的过载声压级与等效噪声声压级之差。

水听器的过载声压级引起水听器过载的作用声压级。

水听器的等效噪声压级(3) GB/T4128-1995一、二级标准水听器声学性能指标灵敏度指在水听器输出电缆末端测得的声压灵敏度或自由场低频灵敏度。

按照国家标准规定用于lHz~100kHz频率范怜I的压电型标准水听器(以下同)：一级：不低于-205dB(0dB re lv / u Pa)二级：不低于-210dB (OdB relv/uPa)自由场灵敏度频率响应自由场灵敏度频响相对于声压灵敏度在整个使用频率范怜I内，至少有三个十倍频程范闱：一级：其灵敏度的不均匀性小于±1.5dE,在其他频率范围内灵敏度变化不超过-6dE或-lOdBo二级：其灵敏度的不均匀性小于±2dE,在其他频率范闱内灵敏度变化不超过+6dE或-lOdBo 灵敏度校准及其准确度低频段应用国标GB4130-84中规定的一级校准方法进行校准，其校准准确度优于土0.5dE；高频段应用国标GB3223-82中规定的互易法进行校准，其校准准确度应优于土0.7dE°低频段应用国标GB4130-84中规定的二级校准方法进行校准，其校准准确度优于±1.0dE；高频段应用国标GB3223-82中规定的比较法进行校准，其校准准确度应优于±1.5dE°指向性一级：水平指向性：在最高使用频率下的-3dE波束宽度应人于300,在选定方向(或主轴)土50的范围内灵敏度变化应小于土0.2dBo垂直指向性：在最高使用频率下的-3dE波束宽度应人于150,在选定方向(或主轴) ±20的范围内灵敏度变化应小于土0.2dBo二级：在使用的频率范I制内，其水平指向性图与理想的全指向性图的偏差应小于±2dE。

5．5．1 水声学中的基本概念在人们所熟知的各种辐射形式中，以声波在海水中的传播为最佳．在混浊和含盐的海水中，无论光波或电磁波的衰减都远较声波的衰减为大．我们在5.2中已介绍过，水声中取具有均方根声压1μPa（微帕），即1×10-6N·m-2（牛顿·米-2）的平面波声强为声强的单位．海洋及其边界的详细特征对声传播的影响是非常复杂的．声速是温度、深度和盐度的函数．而温度又是深度、季节、地理位置（纬度）和气候条件的函数．海洋表面有时是非常光滑的反射体，有时又是随机散射声波的非常粗糙且扰动的表面，海底的构造、斜度及粗糙度也是变化多端的．所有这些因素都影响声的传播．声束与海面及海底边界相互作用的效果产生了最终的声传播特性．根据实验结果与理论分析，声速的典型公式如下：c=1449+4.6T-0.055T2+0.0003T3+（1.39-0.012T）（S-35）+0.017Z （5.16）式中c为声速（m·s-1），T为温度（℃），S为盐度，Z为深度（m）．讨论声速随深度变化的特性时，最好是将海洋划分成如图5-5所示的一系列水平分层，称为声速剖面．海水的表面层从海面扩展到约150m深度，这一层受局部气候甚至一天中不同时刻的影响很大．在平静的海况下，水温随着表面层的深度而迅速降低，导致了很强的声速负梯度．表层以下的水温受风暴或瞬变因素的影响很小，但随季节却有很大的变化．此层被称为季节温度跃变层．它延伸到300m左右，并具有负梯度的特征．第三层具有温度负梯度结构，被称为主温跃层．随着深度的增加，温度减小到接近冰点，声速逐渐下降到最小值，在中纬度区，这一深度大约在1000m左右，称为深道轴．最下面一层为等温层．此层中声速随深度而增加，所以是正声速梯度．我国近海基本上是浅海大陆架．声速剖面图随季节变化更大．一般在冬天是等温层，而到夏天会出现明显的负梯度或负跃层．1．海洋表面的声损失在空气和水的分界面，由于阻抗严重不匹配，反射系数近似为-1．当声波波长甚大于波高时，反射声损失基本上为零．2．海底的反射损失即使海底是绝对平面，反射过程也相当复杂．入射到海底的声能一部分被传输到海底沉积物中，一部分被反射．据实际测量，对于沙质海底，反射损失约为7dB．3．海洋中的声吸收声波在海水中传播时，部分能量以热能的形式耗散掉．我们可以用传播损失TL来刻划由于声吸收带来的传播方面的损失．若用分贝来表示可以写成TL=20lgr+10lg[exp（br）] （5.17）其中r为距离，b为指数衰减因子．声吸收的大小与声波的频率有很大关系．4．海洋噪声海洋噪声的来源有自然的也有人为的．不同的噪声源呈现不同的方向特性和频谱特性．自然噪声源有地震的扰动，风、雨使海面的搅动和水分子的热运动．各种发声的鱼类也对海洋噪声做出贡献．人为的噪声指的是远处航船产生的噪声．5．混响海洋本身和其界面包含着许多不同类型的不均匀性，其尺度小至灰尘那么大的粒子（它使深海成为蓝色），大至海水中的鱼群和海底的峰峦与海底山脉．这些不均匀性形成媒质物理性质上的不连续性，因而就阻挡照射到它们上面的一部分声能，并把这部分声能再辐射回去．这种现象称为散射．来自所有散射体的散射成分的总和称作混响．如果往水下扔一颗手榴弹，那么在炸药爆炸之后，我们还会听到一阵长的，慢慢变弱的颤动的声响，这就是混响．5．5．2 射线理论与简正波理论在5.2中我们已给出了描述理想均匀媒质中平面波和球面波传播的方程．实际上，影响声在海洋中传播的因素在三维空间中是变化的．同样也可随时间变化．在水声学中，特别重要的还是随深度的变化．从声速剖面来看，海洋好象是被分层的．从水和空气的分界面开始，到海底的各种沉积层为止．波动方程的一般形式就是式（5.11）给出的偏微分方程．这个方程的解是与初始条件和边界条件有关的．有两种方法可以解这个方程．一种是简正波理论．它用称为简正波的特征函数来描述声传播．每一特征函数都是波动方程的一个解．把简正波叠加起来，以满足边界条件和源条件，其结果就是一个复杂的数学函数．虽然它适于在计算机上进行数值计算，但在直观上不容易理解声源能量在时间与空间上的分布．简正波理论比较适于描述浅海中的声传播．波动方程的另一种解法是射线理论．它的出发点是声波在传播过程中存在波阵面．从声源发出的声能沿着射线传到空间各处．射线声学有很大的直观的优点，它用声线图给出传播的图像．它的缺点是不能给出波动方程的精确的解．由于波动方程求解十分复杂，超出本书的范围，我们在此不详谈．5．5．3 声呐声呐方程声呐（Sonar）一词是第二次世界大战期间由声音（Sound）、导航（Navigation）和测距（Rang-ing）三个英文单词的字头构成的．它是利用声波判断海洋中物体的存在、位置及类型的设备．在军事上，它是海军的重要电子设备．在民用方面，又是海洋开发不可缺少的手段．图5-6给出了一个基本的声呐系统的模型．它有两种工作方式．第一种称为主动声呐．由发射换能器把电信号变为声信号，在水下发射出去．当它照射到一个目标时，反射信号或称“回波”就被接收换能器收到，再变换为电信号送给接收机．第二种称为被动声呐，目标由于它所辐射的噪声而被发现．对于工程应用来说，声呐方程是用于设计声呐与对声呐性能作出预估的最有力的工具．它把与声呐设计有关的各种参数以等号的形式联系在一起．正确地在各种参数之间作出选择就可能设计出适合各种特殊用途的声呐设备来．在声呐方程中，出现的参数可以分为三类．1．由声呐系统决定的参数：SL：发射时的指标声压，即离发射换能器1m处所接收到的声压．GS：声呐系统的空间增益．它是由多个换能器布阵而取得的．用于发射系统时，也用DI来表示．GT：声呐系统的时间增益．它是由信号处理系统在时间上的积累而取得的．DT：检测阈，它表示声呐员判断有目标时所必需的最小输出信噪比．2．由目标决定的参数：SL：辐射噪声源的指标声压级（即离辐射源1m处所接收到的声压），又称为声源强度．TS：目标强度，表示目标截获声能并将它重新辐射出去的能力．3．由环境决定的参数：NL：背景噪声级，它可以仅仅由自然噪声构成，也可能由自然噪声加混响和舰艇的自噪声构成．TL：传播损失，表示在水声信道中从1m处到某一距离的传播损失．我们先介绍主动声呐方程．设指标声压为SL．当它传输到距发射换能器为r的目标时，变为SL-TL．由于目标强度为TS，所以当信号重新被辐射出来时，声压为SL-TL+TS．经过同样的传播损失，在到达接收水听器时，成为SL-2TL+TS-NL，加上增益GS及GT应等于最小可检测信噪比，即SL-2TL+TS-NL+GS+GT=DT （5.18）再来讨论被动声呐方程．假定目标辐射噪声的指标声压为SL．经过距离为r的衰减变为SL-TL．水听器所接收到的应是SL-TL-NL．经接收机处理之后获得增益GS+GT，于是SL-NL-TL+GS+GT=DT （5.19）声呐方程可以方便地用于计算声呐的作用距离．。

水声换能器基础知识地球表面积的71%是海洋，海洋里蕴藏着丰富的生物和矿物质资源，是人类今后生存和发展的第二个空间。

而声纳这一水下探测设备则是人类开发海洋的重要帮手，更是海军和民用航海事业不可缺少的组成部分。

声纳设备的功能，就是收听水下有用信号并把它转变为电信号以供视听；或者自身产生一个电信号再转变为声信号在水介质中传播，遇到目标后反射回来再进行接收，转变为电信号供收听或观察，由此来判断被测物体的方位和距离。

在这个水下电声信号的转换过程中，关键设备就是水声换能器或是换能器阵。

1. 水声换能器的应用目前，水声换能器已经普遍地应用到工业、农业、国防、交通和医疗等许多领域。

这里仅介绍几种在水下探测方面的应用：（1）在测深方面的应用：为保证航行安全，无论是军舰或是民船都要安装测深声纳；专门的航道检测船只都配备精度高、功能齐全的测深仪。

根据测深深度的不同，测深换能器的频率和功率也相差甚远。

以频率范围在10kHz~200kHz的较多，功率从数瓦到数十千瓦不等，其中，高频小功率用于内河或浅海，低频大功率用于远洋、大深度。

对这类换能器的要求是波束稳定、主波束尖锐。

（2）在定位和测距方面的应用：测量航船对地的航行速度，大多采用多普勒声纳，利用四个性能相同的换能器分别排列与龙骨相垂直的左右舷方向上。

一般工作频率在100kHz~500kHz。

（3）在海洋考察和海底地层勘探方面的应用：海底地质调查主要采用低频大孔径声纳。

拖曳式声纳是当今装在活动载体上最大尺寸的声学基阵，作用距离也最远。

水中成像方面，通常采用高频旁视声纳，在船底左右舷对称地沿龙骨平行方向装两个直线基阵，各自向海底发射扇形指向性声束，然后接收来自海底的反射波，由于海底凹凸不平反射波强度有别，在显示图像上就会出现亮度不同的图像，因为工作频率较高，声信号衰减较快，作用距离不远，现在试验的频率范围为数十千赫到500千赫。

2. 水声换能器的分类换能器按照不同的机电能量转换原理可以分为电动式、电磁式、磁致伸缩式、静电式、压电式和电致伸缩式等。

第三章 声现象一、声音的产生：1、产生条件：声音是由物体的振动产生的，振动停止，发声也停止。

但不能说“振动停止，声音也消失”。

2、研究方法： （1）、转换法：将不易观察到的现象，通过其他物体以某种方式形象直观地呈现出来，两种现象存在内在的联系，是因果关系。

（2）、应用举例：在研究声音的产生时，把发声体的振动转换成碎纸屑、泡沫、乒乓球的跳动或溅起的水花。

例题：手掌按住正在发声的鼓面，声音消失了，原因是手（ ）A 、不能传播声音B 、吸收了声波C 、把声音反射回去了D 、使鼓面停止了振动 二、声音的传播：1、形式：以声波的形式传播。

2、条件：声音可以在固体、液体、气体中传播，真空不能传声。

例题：“天宫一号”目标飞行器的发射标志着我国的空间站建设正式开始，航天员在空间站内可以直接对话，但在空间站外工作时，必须借助电子通信设备才能进行通话，其原因是（ ） A 、太空中噪声太大 B 、太空是真空，不能传声 C 、用通信设备对话更方便 D 、声音只能在地面附近传播三、声速：1、大小：与介质的种类和温度有关。

15℃时空气的声速为340m/s 。

2、声速的比较：一般情况下，v 气体 < v 液体 < v 固体四、回声：1、回声：声音在传播过程中，遇到障碍物被反射回来的声音。

2、能够区分开回声与原声的条件：回声到达人耳比原声晚0.1s 以上时，人们才能把回声与原声区分开。

若不到0.1s ，回声和原声混在一起，就使原声加强。

因此，在屋子里讲话听起来比较响亮。

根据s=vt 知，人耳要区分自己的回声和原声，人与障碍物间距离至少是s=340m/s ×21×0.1s=17m 。

3、回声的应用：回声的重要应用是测距，可以测定海水的深度、冰山的距离、敌方潜水艇的距离。

4、测量原理：s=21v 声t ，其中t 为从发声到接收到回声的时间，v 声为声音在介质中的传播速度。

五、甲的频率低，音调低；乙的频率高，音调高。

水声工程知识点总结大全1. 水声传播特性水声传播特性是指声波在水中传播过程中所表现出的一系列物理现象。

了解水声传播特性对于水声工程的设计和应用至关重要。

水声传播特性的主要知识点包括：（1）声速：水中的声速约为1500 m/s，而在空气中为343 m/s。

因此，声波在水中传播的速度通常比在空气中更快。

（2）声波衰减：声波在水中传播会受到衰减的影响，主要有自由衰减和吸收衰减两种。

自由衰减是指声波在传播过程中由于扩散等原因导致声能减小；吸收衰减是指声波在传播过程中由于水中分子的摩擦等原因导致声能减小。

（3）声波散射和反射：水中存在着各种不同的物体和界面，这些物体和界面会对声波产生散射和反射现象，从而影响声波传播的路径和传播的强度。

（4）声波折射：当声波从一个介质进入另一个介质时，由于介质的声速不同而发生折射现象，这会导致声波传播方向的改变。

（5）水声信道：水声信道是指声波在水中传播的通道，在这个通道中，声波会受到各种不同的影响，例如多路径传播、多普勒效应、时变特性等。

2. 水声通信水声通信是指利用水声传播特性进行信息传输的技术。

水声通信主要应用于水下通信、水下定位、水下数据传输等领域。

水声通信的主要知识点包括：（1）水声调制技术：水声通信中通常会采用不同的调制技术来实现信息的传输，例如频移键控（FSK）、相移键控（PSK）、正交频分复用（OFDM）等。

（2）水声信道编解码：水声通信中会使用各种不同的编解码技术来提高数据传输的可靠性和效率，例如纠错编码、卷积编码、交织等。

（3）水声通信系统设计：水声通信系统设计需要考虑水声传播特性、水声信道的特性、通信距离、通信带宽等因素，以实现可靠的通信效果。

（4）水声通信协议：水声通信协议是指规定了水声通信的具体通信规则和流程的一系列标准和规范。

3. 水声定位水声定位是指利用水声信号进行目标定位的技术。

水声定位主要应用于水下目标定位、船舶定位、潜艇定位等领域。

水声定位的主要知识点包括：（1）水声测距技术：水声定位中通常会采用测距技术来确定目标的位置，测距技术包括单向测距、双向测距、多普勒效应等。