水声学原理(第一章)PPT推荐.ppt

1、c.声呐的作用距离近。,4,1.3、水声技术的研究范围,水声技术呐是研究声波在水中的发射、传输、接收、处理的专门技术。包括：a.水声换能器和基阵水声传感器系统；b.水声物理海洋信道的传播、混响、散射、噪声特性和各种水声目标特性；c.水声设备水声信号处理、水声电子技术。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。,5,1.4、水声技术的发展历史,1490年 达芬奇就提

2、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大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。,6,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

3、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1015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；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。,1.5 声呐简介,7,主要声呐图片,8,德国ATLAS公司研制的拖曳线列阵,英国、法国联合研制的舷侧阵声呐TSM22

4、53,德国ATLAS公司研制的ASA9225主动拖曳线声呐,英国、法国联合研制的投吊声呐,美国Lockheed Martin公司研制的被动测距声呐PUFFS,美国DTI公司研制的合成孔径声呐,9,1.6 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20Pa（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。因此声学中定义一个以对数为基础的分贝

5、单位，水声也一直沿用。,10,1.6.1、定义和参考,声压、声强和声功率用级和分贝（dB）来量度。他们是：,参考值,11,1.6.2声压级等于声强级:,注意参考值不同产生的声级差别:,1971年以前曾用：=20Pa2104达因/厘米2，换算到现在标准要加26分贝。1 达因/厘米21b（微巴）105Pa，换算到现在的标准 要加100分贝。俄罗斯标准20Pa 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L26分贝的水噪声。,12,固体介质中的结构噪声用振动来描述，它的分贝定义实际上就是振动量的分贝定义。,加速度级,速度级,位移级,加速度、速度和位移参考值是：米/

6、秒2，米/秒，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。,13,1.6.3 分贝表示的特点,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/Pa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是:（Pa）声压级:,如果水听器灵敏度、声学测量放大器的放大倍数都用分贝表示，只要简单的加减运算就可以求出声压级。,14,声学中不仅声学量用分贝表示，它们的误差范围也用误差表示，例如。,用分

7、贝表示的误差与百分比误差的换算关系：设声压是分贝表示是，则有，图给出其关系曲线：,15,用分贝表示后函数图形发生变化,声学中最常见的幂次规律:,以 为横坐标声级是一条直线。从直线的斜率可以确定幂次n。最方便的方法是根据频率加倍时声级减小的分贝数 得到,声强随频率衰减规律,声强随距离衰减规律,16,1.6.4 分贝的基本运算,相干叠加,在讨论分贝运算法则前先要搞清楚声场的叠加原则。因为声压场是标量场，具有可加性。但是，它又是一个波动场，既有振幅又有相位。,相干叠加：当两个以上的有规声波叠加时要同时计及振幅和相位，若是同频率的声波叠加会发生干涉现象。若是频率相差不多的两个声波叠加会发生“拍”。这些

8、情况称为相干叠加：,水下声基阵形成指向性就是靠声波到达不同阵元的相位差。,能量叠加：当两个以上的随机噪声叠加时，由于相位是随机的，噪声要按强度或能量叠加。因为相位的随机性导致所有的交叉项，所以。相当于按强度或能量叠加。有时候几个噪声之间有一定的相干性，但是相干性无法估计或测量，也采用能量叠加的原则处理。其结果是对相干叠加的一种平均。所以，能量叠加是噪声场叠加的基本原则。因此也是分贝计算的指导原则。,17,1.6.4.1 噪声叠加,特例:N个声级相同的噪声叠加，总声级是单个噪声声级加 分贝。当N2即两个声级相同的噪声叠加，总声级增加 分贝。,当声级为 的N个噪声叠加时，按强度叠加得到总声强和总声

9、级：,18,1.6.4.2 噪声相减（背景噪声的扣除）,19,1.6.4.3多个噪声级的平均,对噪声级进行多次测量需要计算其平均值。设N 次测量的噪声级分别是，应根据声强的算术平均值计算平均噪声级:,若各次测量的噪声级的差值小于3dB，则可以直接取噪声级的算术平均值代替上式，得到：,其误差不超过0.5dB；若各次测量的噪声级的差值小于5dB，误差不超过0.7dB。,20,1.6.4.5 降噪量的计算,已知总噪声级为140dB，它由三个声级相同的噪声叠加而成。可以求出每个噪声源的声级是135.2dB。三种降噪方案的效果是：方案一、将其中一个噪声源降低10dB，另外两个不变，总噪声级只下降1.6d

10、B；方案二、将其中的两个噪声源降低10dB，总噪声级下降了4dB；方案三、将三个噪声源都下降10dB，总噪声级也下降10dB。,例：已知总噪声级由N个声级分别是 的噪声叠加而成。当这N个噪声分别降低 分贝后，总声级降低为:,总降噪量是:,21,1.7 频谱和频谱级,水声信号、特别是噪声信号常常包含有多种频率成分，能量分布在一个频带宽度内。定义单位频带宽度1Hz内的声强度为声强谱密度，用函数 表示。谱密度的分贝表示称为谱密度级。,将谱密度函数在整个频带内积分就等于总强度：,在频率f附近带宽内的声强是：,用分贝表示：,称为频带级，频带级等于谱密度级加。上面的分贝计算法则同样适用于频带级和谱密度级的

11、计算。,潜艇辐射噪声,22,用声压表示时：,在声学测量中用到两种滤波器：恒定带宽滤波器：低频时分析太粗，高频分析太细，无法兼顾。恒定百分比或Q滤波器：用的多，人耳听觉模型是其的组合。声学中的恒定 百分比滤波器称为倍频程滤波器。,23,n倍频程滤波器的数学定义为：,或,中心频率为：,带宽：,n=1 1/1倍频程（1/1oct）n=1/3 1/3倍频程（1/3oct）,对于1/3oct来讲，是在间隔为1倍频程的两个频率之间再插入两个频率，使这4个频率之间依次相距1/3倍频程，即这4个频率值按比例为：，近似为。ISO规定110Hz之间划分10个频段，中心频率为：1:1.25:1.60:2.0:2.5

12、:3.15:4.0:5.0:6.3:8.0:10.0。这样的取值得好处是，可使每隔10个1/3倍频程频段的两端频率正好相差10倍，还可以使每隔3个1/3倍频程频段为一个1/1倍频程频段。,24,1.8 水声（海军）的一些习惯用量,距离单位：英尺（feet），1英尺12英寸0.3048米 千码（Kiloyard）,1千码3000英尺914.4米 海里（Nautical mile）,1海里1853米 链,1链=1/10海里 深度单位：英尺 浔（fathom）,1浔2码6英尺1.83米速度单位：节（kont），1节1海里/小时0.5米/秒,25,1.9 声呐方程,水声探测技术包括主动方式和被动方式。

13、相应的声呐也分为主动声呐和被动声呐。主动声呐：由探测设备主动的发射声波，通过接收、分析目标回波实现对目标的探测、定位和识别。特点：定位和测距精度高，容易暴露自己，非隐蔽探测，今年来又逐渐重要。被动声呐：由探测设备被动的接收、分析目标发出的噪声对目标进行探测、定位和识别。定位和测距精度不如主动声呐高，是隐蔽探测，是目前主要探测方式，被动声呐包括：水雷引信、鱼雷自导、舰艇被动声呐、拖曳线列阵、海岸预警系统。,被动声呐,主动声呐,26,声呐是为了完成特定使命而构成的水声系统。它的性能取决于目标、传输信道和接收、处理设备的特性。声呐方程是将这三者联系在一起的一个关系式。它是声呐系统工作时必须服从的一个

14、关系式。应用这个关系式可以对声呐系统的工作特性作出估计和预报，是声呐设计的基础。,无论声呐系统如何复杂，要完成一定的使命必须保证在其输入端满足：,或：,这里检测阈是接收、处理设备对信号作出判决的一个阈值，用DT表示。DT取决于：1、使命的性质；2、完成使命的质量，通常用检测概率和虚惊概率来表示。3、接收、处理设备的能力。,27,1.9.1 声呐方程中的各种参数,在声呐方程中出现的声呐参数可分为三类：由声呐系统决定的参数，包括：声源级SL：、自噪声级NL、空间增益GS（或DI）、时间 增益GT、检测阈DT；取决与被探测目标的参数，包括：辐射声源级SL、目标强度TS；取决于环境的参数，包括：传播损失TL、海洋环境噪声级NL、等效平面波混 响级RL其中两对参数用了相同的符号（SL与NL），因为它们本质上是相同的。这些参数都用分贝（dB）表示，通常还与频率有关。下面我们分别介绍这些参数的定义。,28,1.9.2 声源级SL,声源级SL用来描述主动声呐所发射的声信号强弱，定义为：,I是发射换能器声轴上离声源中心1米处的声强，I0是参考声强，约为:。,为了有效地提高主动声纳的作用距离，它的发射器总是做成具有一定的发射指向性，使它所发射的声能主要集中于空间某一方向（通常就是目标所在的方向），其余方向上则仅有很少量的发射声能，下图形象地表示了这种发射指向性特性。描述