海洋聲學(xué)基礎(chǔ)--講義-吳立新

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1、HYPERLINK"http://`"```海洋聲學(xué)基礎(chǔ)——水聲學(xué)原理緒論各種能量形式中，聲傳播性能最好。在海水中，電磁波衰減極大，傳播距離有限，無法滿足海洋活動中的水下目標(biāo)探測、通訊、導(dǎo)航等需要。聲傳播性能最好，水聲聲道可以傳播上千公里，使其在人類海洋活動中廣泛應(yīng)用，隨海洋需求增大，應(yīng)用會更廣?！?-1節(jié)水聲學(xué)簡史01490年，意大利達芬奇利用插入水中長管而聽到航船聲記載。11827年，瑞士物理學(xué)家D.colladon法國數(shù)學(xué)家c.starm于日內(nèi)瓦湖測聲速為1435米每秒。21840年焦耳發(fā)現(xiàn)磁致伸縮效應(yīng)1880年居里發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)31912年泰坦尼克號事件后，L.F.Richard

2、son提出回聲探測方案。4第一次世界大戰(zhàn)，郎之萬等利用真空管放大，首次實現(xiàn)了回波探測，表示換能器和弱信號放大電子技術(shù)是水聲學(xué)發(fā)展成為可能。（200米外裝甲板，1500米遠潛艇）5第二次世界大戰(zhàn)主被動聲吶，水聲制導(dǎo)魚雷，音響水雷，掃描聲吶等出現(xiàn)，對目標(biāo)強度、輻射噪聲級、混響級有初步認識。（二戰(zhàn)中被擊沉潛艇，60%靠的是聲吶設(shè)備）6二、三十年代——午后效應(yīng)，強迫人們對聲音在海洋中的傳播規(guī)律進行了大量研究，并建立起相關(guān)理論。對海中聲傳播機理的認識是二次大戰(zhàn)間取得的最大成就。7二戰(zhàn)后隨著信息科學(xué)發(fā)展，聲吶設(shè)備向低頻、大功率、大基陣及綜合信號處理方向發(fā)展，同時逐步形成了聲在海洋中傳播規(guī)律研究的理

3、論體系。81、1945年，Ewing發(fā)現(xiàn)聲道現(xiàn)象，使遠程傳播成為可能，建立了一些介質(zhì)影響聲傳播的介質(zhì)模型。2、1946年，Bergman提出聲場求解的射線理論。3、1948年，Perkeris應(yīng)用簡正波理論解聲波導(dǎo)傳播問題。HYPERLINK"http://`"```4、50-60年代，完善了上述模型（利用計算技術(shù)）。5、1966年，Tolstor和Clay提出聲場計算中在確定性背景結(jié)構(gòu)中應(yīng)計入隨機海洋介質(zhì)的必要性。§0-2節(jié)水聲學(xué)的研究對象及任務(wù)1、水聲學(xué)：它是聲學(xué)的一個重要分支，它基于四十年代反潛戰(zhàn)爭的需要，在經(jīng)典聲學(xué)的基礎(chǔ)上吸收雷達技術(shù)及其它科學(xué)成就而發(fā)展起來的綜合性尖端科學(xué)技術(shù)

4、。它包括水聲物理和水聲工程兩方面內(nèi)容。①聲物理：是研究聲波在水介質(zhì)中輻射、傳播和接收時的各種現(xiàn)象和規(guī)律。其任務(wù)是為水下探測技術(shù)服務(wù)的。②水聲工程：根據(jù)已探知的現(xiàn)象和規(guī)律，運用無線電電子學(xué)、電聲學(xué)、統(tǒng)計數(shù)學(xué)、計算數(shù)學(xué)、儀表技術(shù)、自動控制、信息論、海洋學(xué)及物理學(xué)其它分支的新成就，研制國防，航海，漁業(yè)，海洋開發(fā)等應(yīng)用中的水聲儀器設(shè)備，它包括水下聲系統(tǒng)和水聲技術(shù)兩方面。a：水下聲系統(tǒng)：實現(xiàn)電、力、聲轉(zhuǎn)換，換能器，基陣等材料、結(jié)構(gòu)、輻射、接收特征等。b：水聲技術(shù)：指水聲信號處理、顯示技術(shù)。2、二者關(guān)系：水聲物理是基礎(chǔ)，提供依據(jù)；水聲工程豐富了水聲物理內(nèi)容，促進其發(fā)展，二者相互促進，相輔相成，不可

5、分開。3、內(nèi)容安排：①海水介質(zhì)及邊界聲特性②聲在海洋中的傳播規(guī)律理論③典型水文條件下的聲傳播HYPERLINK"http://`"```①水下目標(biāo)的聲反射、散射②海中混響③海洋噪聲④聲傳播起伏§0-3節(jié)聲吶方程一聲吶及其工作方式1、主動聲吶目標(biāo)2、被動聲納目標(biāo)二聲吶參數(shù)1、聲源級：其中為發(fā)射換能器或發(fā)射陣聲軸方向1米處聲強，（參考1微帕均方根聲壓）①指向性指數(shù)：HYPERLINK"http://`"```它表征在相同距離上，指向性發(fā)射器聲軸上聲級高出無指向性發(fā)射器聲場聲級的分貝值。①聲源級與聲功率：目前：1、傳播損失：表征聲傳播一定距離后強度的衰減變化。2、目標(biāo)強度：反映目標(biāo)反射本領(lǐng)為

6、在入射波反向離目標(biāo)聲中心1米處回波強度。為目標(biāo)入射聲波的強度。3、海洋環(huán)境噪聲級：度量環(huán)境噪聲強弱的量4、等效平面波混響級：（主動聲納）若強度為平面波入射到接收陣，其輸出與陣對準(zhǔn)目標(biāo)時混響輸出相等，則混響級為：HYPERLINK"http://`"```其中1、接收指向性指數(shù)：2、陣增益：分子為陣輸出信噪比，分母為單陣元輸出信噪比，當(dāng)噪聲源各項同性時，由描述3、檢測閾：檢測閾小，設(shè)備處理能力強，性能好。四、聲吶方程：1、主動聲吶方程：基本考慮：主動聲納方程：（收發(fā)合置）①噪聲干擾為主：②混響干擾為主：2、被動聲吶方程：HYPERLINK"http://`"```2、組合聲吶參數(shù)：名稱表

7、達式物理意義回聲信號級加到主動聲納接收器（陣）上回聲信號級噪聲掩蔽級在噪聲干擾中聲吶正常工作最低信號級混響掩蔽級在混響中聲吶正常工作最低信號級回聲余量主動聲吶回聲級超過噪聲掩蔽級數(shù)量優(yōu)質(zhì)因數(shù)主動聲吶允許最大單程損失主動聲吶（TS=0時）允許最大雙程損失品質(zhì)因數(shù)接收端聲源級與噪聲級之差3、聲吶方程應(yīng)用及限制應(yīng)用：①對已有正在設(shè)計中，研制聲吶設(shè)備進行性能預(yù)報。②用于聲吶設(shè)計例如：——頻率高好——頻率低好主動聲吶背景干擾確定：如右圖：對噪聲級：當(dāng)時聲