水声学原理2
水声学原理
水声学原理
水声学原理是一种重要的研究领域，它是研究声波在水中的传播和衰减的一种科学方法。
水声学原理被广泛应用于海洋学、测深、海洋科学仪器仪表的设计、潜水器的设计、海洋探测和海洋环境研究等。
水声学原理研究需要考虑的因素有水体属性（温度、盐度、频率、测深范围）、水中声波的传播特性和衰减、海洋环境因素（温度、盐度、流量、深度等）以及潜水器的设计、性能和安全性等。
水中的声波的传播速度和衰减系数取决于水体的属性，比如温度、盐度、频率、测深范围等。
这些因素都会影响水声学的研究。
此外，温度、盐度的变化也会影响水声学的研究，因为它们会影响水中声波的传播特性和衰减。
潜水器的设计也是水声学研究的重要内容。
潜水器的设计需要考虑到水声学原理，比如声音探头的设计和安装，声音传播和衰减的研究，以及潜水器的性能和安全等。
水声学原理的研究对海洋科学仪器仪表的设计和海洋探测也有重要意义。
水声学原理可以帮助研究人员更深入地研究海洋环境，从而更好地了解海洋探测和海洋环境研究所需的信息。
总之，水声学原理是一个广泛的研究领域，它可以为海洋学、测深、
海洋科学仪器仪表的设计、潜水器的设计、海洋探测和海洋环境研究提供重要的理论依据。
水声学原理 (2)
水声学underwater acoustics简史水声换能器和参量阵水声换能器水声换能器的进展水声参量阵声波在海洋中的传播和声场数值预报传播损失水下声道理论方法深海中的声传播浅海中的声传播声场数值预报水声场的背景干扰噪声海洋中的混响信号场的起伏和散射海面波浪引起的声起伏湍流引起的声起伏内波引起的声起伏目标反射和舰船辐射噪声水下目标反射舰船辐射噪声水声信号处理-声学的一个分支学科。
它主要研究声波在水下的产生、传播和接收，用以解决与水下目标探测和信息传输过程有关的声学问题。
声波是已知的唯一能够在水中远距离传播的波动,在这方面远比电磁波(如无线电波、光波等)好,水声学随着海洋的开发和利用发展起来，并得到了广泛的应用。
简史1827年左右，瑞士和法国的科学家首次相当精确地测量了水中声速。
1912年“巨人”号客轮同冰山相撞而沉没，促使一些科学家研究对冰山回声定位，这标志了水声学的诞生。
美国的R.A.费森登设计制造了电动式水声换能器(500～1000Hz)，1914年就能探测到2海里远的冰山。
1918年，P.朗之万制成压电式换能器，产生了超声波,并应用了当时刚出现的真空管放大技术,进行水中远程目标的探测，第一次收到了潜艇的回波，开创了近代水声学，也由此发明了声呐。
随后，水声换能器的革新，关于温度梯度影响声传播路径的机理、声吸收系数随频率变化等水声学研究的成就，使声呐得以不断改进，并在第二次世界大战期间反德国潜艇的大西洋战役中起了重要作用。
第二次世界大战以后,为提高探测远距离目标(如潜艇)的能力,水声学研究的重点转向低频、大功率、深海和信号处理等方面。
同时，水声学应用的领域也越加广泛，出现了许多新装置，例如:水声制导鱼雷,音响水雷，主、被动扫描声呐,水声通信仪，声浮标，声航速仪,回声探测仪,鱼群探测仪,声导航信标,地貌仪,深、浅海底地层剖面仪，水声释放器以及水声遥测、控制器等。
水声作为遥测海洋的积分探头，在长时间内大面积连续监测海洋的运动过程以及海洋资源概念也已初步形成。
《水声学》课程配套习题参考答案
《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。
声信号级回声信号级混响掩蔽级噪声掩蔽级距离rr R r n6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。
z浅海负梯度C表面声道Cz 深海声道Cz2 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。
水声学原理知识点总结
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。
水声学原理
水声学原理
水声学是研究水中声波传播和水中声学现象的学科，它涉及到声波在水中的传播特性、声波的产生和接收、水中声场的特征等内容。
水声学原理是水声学研究的基础，对于理解水声学的相关知识具有重要意义。
首先，我们来看一下水声学原理中的声波传播特性。
声波是一种机械波，它是由介质的微小振动引起的，能够传播能量和信息。
在水中，声波的传播速度约为1500米/秒，远远快于空气中的声波传播速度。
这是因为水的密度比空气大，声波在水中传播时受到的阻力较小，传播速度较快。
此外，水中的声波传播距离也比空气中的远，这是由于水的吸收和散射特性导致的。
其次，声波的产生和接收也是水声学原理中的重要内容。
声波的产生可以通过声源来实现，比如声纳、声呐等设备可以产生声波并将其传播到水中。
而声波的接收则需要利用水下声学传感器来实现，这些传感器可以将声波转化为电信号，并进行相应的处理和分析。
通过声波的产生和接收，我们可以获取水下的信息，比如水下地形、水下目标等。
最后，水中声场的特征也是水声学原理中的重要内容。
水中声场是指水中的声波分布情况，它受到水下地形、水下目标等因素的影响。
水中声场的特征可以通过声纳、声呐等设备进行测量和分析，从而获取水下环境的信息。
水中声场的特征对于水下通信、水下导航等应用具有重要意义。
总结一下，水声学原理涉及到声波传播特性、声波的产生和接收、水中声场的特征等内容。
通过对水声学原理的研究，我们可以更好地理解水下环境，并应用于水下通信、水下探测等领域。
希望本文能够对水声学原理有所了解，并对相关领域的研究和应用有所帮助。
水声学原理
7
德国ATLAS公司研制的ASA92 －25主动拖曳线声呐
美国DTI公司研制的合 成孔径声呐
英国、法国联合研制的 舷侧阵声呐TSM2253
美国Lockheed Martin 公司研制的被动测距声 呐PUFFS
英国、法国联合研制的 投吊声呐
德国ATLAS公司研制的 拖曳线列阵8
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
9
声压、声强和声功率用级和分贝（dB）来量度。他们是：
声压级： 声强级： 声功率级：
L p 20 log( p p0 ) dB LI 10 log(I I0 ) dB LW 10 log(W W0 ) dB
参考值
10
1.6.2声压级等于声强级:
L I
10
log
I I
0
10
log
p2
c
p2 0
c
20 log
p p
0
L
p
注意参考值不同产生的声级差别:
1971年以前曾用： =20μPa＝2×10－4达因/厘米2，换算到现在标准要加26分贝。 ＝1 达因/厘米2＝1μb（微巴）＝10－5μPa，换算到现在的标准 要加100分贝。
•工作速率差别大。雷达搜速快，声呐搜索慢 •分辨率差。声图象模糊。
b.声呐受海洋信道影响大。声呐环境比雷达环境复杂得多。
c.声呐的作用距离近。
3
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。
水声学原理
e
jk
r r
dS
2
r r
S
College of Underwater Acoustic Engineering
10
轴线上声压变化
注意：轴线声压随距离起伏变化，呈现很强的相干效应。
远场声压
pr
,
, t
j
k0cu a a 2
2r
2
J1 ka sin
kasin
e
j
t
kr
注意：活塞远场声压与球面 波一样与距离成反比，声场 具有方向性。
12
方向性因子和方向性指数
R
k
2a2
1
2 J1 2k
2k a
a
1
DI T
20 lgka
20
lg
2a
College of Underwater Acoustic Engineering
13
4、声波的接收方向特性
接收方向性函数
定义：设离接收系统参考中心的远场处球面上有一点源， 接收系统的输出电压V与接收中心的方位有关，则接收 系统方向性函数为：
L
3dB
2 arcsin 0.42
L
College of Underwater Acoustic Engineering
8
注意：连续直线阵永远不会出现栅瓣。
方向性因子：
R
2
D 2 cosd
2
kL 2sin kL 4 cos kL
0
kL kL
kL3
R 2L
和方向性函数： DI T
10 lg 2L
-3dB束宽：由主极大的幅值下降0.707倍处两边的夹角 或半功率辐射点之间的夹角。
水声学原理
水声学原理
水声学原理是研究声波在水中传播和声学现象的学科。
在水中，声波的传播速度较大气中要快约1500米/秒。
这是因为水的密
度和弹性模量高于空气，因此声波在水中的传播速度更快。
另外，水声学研究还探究音频信号在水中反射、折射、散射和吸收等现象。
声波在水中的传播遵循一些基本的原理。
当声源产生声波时，波源会向外释放能量，并使水质点发生膨胀和压缩，形成一个声压波。
这个声压波以固定的速度传播，并遵循波动方程。
根据波长和频率的关系，可以得出声波在水中的传播速度。
声波在水中传播时，会遇到不同的介质界面，如水面、海底和不同密度的水层。
当声波遇到界面时，会发生反射、折射和散射等现象。
反射是指波向原来的方向反弹回去，折射是指波在入射介质和出射介质之间发生偏折，散射是指波在遇到界面或障碍物时发生的辐射改变方向的现象。
这些现象对声波的传播方向和强度会产生影响。
在水声学中，还研究声波在水中的吸收现象。
水分子对声波会吸收部分能量，并将其转化为热能。
声波的频率越高，吸收现象越明显。
这种吸收现象是水中声能衰减的主要原因之一。
水声学原理的研究对于海洋声学、声纳技术、水下通信等领域都具有重要的应用价值。
通过深入理解和探索水声学原理，可以改进和优化水下声波传播系统，提高其性能和效率。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
13
拉普拉斯算符
直角坐标系: 直角坐标系: 球坐标系: 球坐标系:
1 2 1 1 2 2 = 2 r + 2 sin θ + 2 2 θ r sin θ 2 r r r r sin θ θ
p = P P0
质点振速: 质点振速:由于声波扰动引起的介质质点运动 速度的变化量: 速度的变化量: = U U 0 变化量 u
10
College of Underwater Acoustic Engineering
2,波动方程导出
假设条件: 假设条件:
介质静止,均匀,连续的; 介质静止,均匀,连续的; 介质是理想流体介质; 介质是理想流体介质; 小振幅波. 小振幅波.
根据前面的假设有:
ρ1 = (ρ0u) t
绝热压缩定律: ②状态方程——绝热压缩定律:介质的压缩和膨胀 状态方程 绝热压缩定律 过程是绝热过程
dP = c dρ
2
声波的传播速度: 声波的传播速度:
c=
1
βs ρ0
β 式中, 为绝热压缩系数——单位压强变化引起的体积 式中, s为绝热压缩系数——单位压强变化引起的体积 相对变化. 相对变化.
College of Underwater Acoustic Engineering 2
第一章思考题: 第一章思考题: 已知噪声是某主动声纳的主要干扰, 1,已知噪声是某主动声纳的主要干扰,如果声纳的声
源级增加一倍,问声纳作用距离能增大吗?如果能增大, 源级增加一倍,问声纳作用距离能增大吗?如果能增大, 请计算增大了多少,如果不能,请说明原因.( .(声波按 请计算增大了多少,如果不能,请说明原因.(声波按 球面波扩展衰减,不计介质吸收) 球面波扩展衰减,不计介质吸收)
流体介质中,声波表现为压缩波 流体介质中,声波表现为压缩波 ),即纵波 (Compressional Wave),即纵波 ), 在固体中既有纵波也有横波( 在固体中既有纵波也有横波(切变 纵波也有横波 波-Shear Wave) )
College of Underwater Acoustic Engineering 9
解:
对于受噪声干扰的主动声纳, 对于受噪声干扰的主动声纳,提高声源级能增加 声纳的作用距离. 声纳的作用距离.
SL-2TL+TS-(NL-DI)=DT SL'-2TL'+TS-(NL-DI)=DT
两式相减得到 r '= 4 2r
College of Underwater Acoustic Engineering 3
College of Underwater Acoustic Engineering 5
发射换能器发射40kW的声功率,且方向性 的声功率, 发射换能器发射 的声功率 指数为15dB,其声源级 为多少? 为多少? 指数为 ,其声源级SL为多少 声源级定义: 解:声源级定义: SL = 10 log I I0 无指向性声源的声强: 无指向性声源的声强: I = Pa ND 4π 设指向性声源的轴向声强为: 设指向性声源的轴向声强为: I D ID 由题意知: 由题意知: DI T = 10 log DI T ′ ′ DI T = I ND 指向性声源的轴向声强为: 指向性声源的轴向声强为: ′ ′ I D = DI T I ND = DI T Pa / 4π 声源级: 声源级:SL = 10 log I D = 10 log P + 10 log 1 + DI a T I0 4πI 0
1 + (kr )
2
e i
1 tg = kr
说明:近距离,声压和振速的相位差很大; 说明 远距离,声压和振速的相位接近相等. 注意:声阻率和声抗率 注意 ( H 02 ) (kr ) 柱面波: 柱面波: Z = iρ c 0 H 1(2 ) (kr )
,
说明:具有与球面波声阻抗率相似的性质. 说明 注意:柱面波和球面波在远场近似为平面波,即 注意
2 2 2 2 = 2 + 2 + 2 x y z
1 1 柱坐标系: 柱坐标系: = + 2 r + 2 2 r r r r z
2 2 2
College of Underwater Acoustic Engineering
14
——介质单位质量具有的声扰动冲量 速度势——介质单位质量具有的声扰动冲量 p ψ = ∫ dt
o
ρ 2 c2
x
21
College of Underwater Acoustic Engineering
2,取下列声压作为参考级, 1微帕声压的 取下列声压作为参考级, 取下列声压作为参考级 大小为: 达因/厘米 微帕) 大小为: (10-5达因 厘米2 =1微帕) 微帕 取参考声压为1微帕时,其大小为0dB; 取参考声压为1微帕时,其大小为0dB; 0dB 取参考声压为0.0002达因 厘米2 时,其大小 达因/厘米 取参考声压为 达因 为-26dB; ; 取参考声压为1达因 达因/厘米 取参考声压为 达因 厘米2 时,其大小为 -100dB; ;
平面声波声能量具有无损耗,无扩展的传递特性.
能流密度:单位时间内通过垂直声传播方向的单位 能流密度: 能流密度
面积的声能
Caution:正负表示能流流出或流入体元. : 平均声能流密度或声波强度:通过垂直声传播方 平均声能流密度或声波强度: 平均声能流密度或声波强度
向的单位面积的平均声能流
1 T I= pudt T 0
第二章 声学基础
第三讲 理想流体介质中的小振幅波
第一章知识要点
声纳参数的定义,物理意义
SL,TL,TS,NL,DI,DT,RL,DIT
组合声纳参数的物理意义
SL-2TL+TS NL-DI+DT RL+DT (SL-2TL+TS)-(NL-DI+DT)
主动声纳方程的选择问题(如何判断干扰) 声纳方程的两个重要的基本用途
College of Underwater Acoustic Engineering
4
3.
给定水下声压 p 为100 Pa ,那么声强 I 是 I 多大, 比较, 多大,与参考声强r 比较,以分贝表示的声 强级是多少?(取声速C=1500m/s,密度为 ?(取声速 强级是多少?(取声速 , 1000kg/m3) 声强: 解:声强: 2 6 2 p (100 ×10 ) 15 W/m2 I= = = 6.67 ×10 ρc 1000 ×1500 1000× 声强级: 声强级 15 I 6.67 ×10 SIL = 10 log = 10 log = 40 dB 19 I0 6.67 ×10
8
1,声学基础知识 ,
声波:机械振动状态在介质中传播 声波:机械振动状态在介质中传播 状态在介质 形成的一种波动形式 分类: 分类:
20Hz以下的振动称为次声 以下的振动称为次声 以下的振动称为 高于20kHz的振动称为超声 的振动称为超声 高于 的振动称为 20Hz至20kHz的声振称为音频声 至 的声振称为音频声 的声振称为
说明:平面波声压和振速处处同相(正向波) 说明 或反向(反向波),声强处处相等,其声阻抗 率与频率无关.
College of Underwater Acoustic Engineering
18
球面波
(kr )2 Z = ρ0c 2 1 + (kr )
+ iρ 0 c 1 + (kr ) kr
2
=
ρ 0 ckr
ρ0
声压,质点振速与速度势的关系: 声压,质点振速与速度势的关系:
振速: 振速: 声压: 声压: Caution: :
u = Ψ
Ψ p = ρ0 t
1 2Ψ 2Ψ = 2 2 c t
College of Underwater Acoustic Engineering 15
3,声场中的能量 ,
声能:由于声波传播而引起的介质能量的增量称 声能 为声能;显然声能是介质运动的机械能. 声场总能量:动能+位能 声场总能量 声能密度: 声能密度: 1 2 p2 E 体积 V0 内的总声能为: = Ek + Ep = 2 ρ0 u + 2 2 V0 ρc
4.
College of Underwater Acoustic Engineering 6
第一章作业
什么是声纳?声纳可以完成哪些任务? 什么是声纳?声纳可以完成哪些任务? 请写出主动声纳方程和被动声纳方程? 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? 项参数的物理意义是什么? 声纳方程的两个重要的基本用途是什么? 声纳方程的两个重要的基本用途是什么? 环境噪声和海洋混响都是主动声纳的干扰, 环境噪声和海洋混响都是主动声纳的干扰,在实际工作 中如何确定哪种干扰是主要的? 中如何确定哪种干扰是主要的?
∫
College of Underwater Acoustic Engineering
17
4,介质特性阻抗和声阻抗率 ,
介质的特性阻抗: 介质的特性阻抗 ρ0c 声阻抗率: 声压与振速 声阻抗率:声场中某点声压 振速 声压 振速之比 Z = p u
复数(声压与振速存在相位差). ,它为一个复数 复数 平面波 Z = ± ρ 0 c 平面波:
College of Underwater Acoustic Engineering 12
③运动方程——牛顿第二定律 牛顿第二定律
u ρ0 = p t ρ1 = (ρ0u) 连立方程: 连立方程: t
可得: 可得: 波动方程
dP = c2dρ 1 P = (ρ0u) 2 c t 2
1 p p= 2 2 c t