水声学第八章 水下噪声
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。
水声学波动问题
水声学波动问题一、水声学介绍水声学是研究水中声波传播和接收的学科，主要涉及声波在水中的传播特性、声源与接收器的特性、噪声控制等方面。
水声学应用广泛，包括海洋勘探、海底通信、船舶和潜艇探测等领域。
二、水中声波传播特性1. 声速声速是指在介质中传播的声波的速度，它受到介质密度、压力和温度等因素的影响。
在海洋中，由于深度不同导致温度和压力变化较大，因此海洋中的声速也会随深度变化而发生变化。
2. 声阻抗声阻抗是指介质对于通过其表面传播的声波所产生的反射和透射效应。
在海洋中，由于海水密度较大，所以其表面反射能力较强。
3. 衍射和散射衍射是指当声波遇到物体时发生弯曲现象；散射是指当声波遇到物体时发生分散现象。
这些现象都会影响到海洋中声波的传播。
三、水声学波动问题1. 海洋中的声波传播海洋中的声波传播受到多种因素的影响，如水深、海底地形、温度和盐度等。
这些因素会导致声速变化和衍射散射现象，从而影响声波的传播路径和强度。
2. 海洋中的噪声问题海洋中存在着各种各样的噪声源，如船舶、潜艇、鲸鱼等。
这些噪声会对海洋生物产生影响，并且也会干扰海洋勘探和通信等应用。
3. 水下通信问题水下通信是指在水下进行信息交流。
由于水中的电磁波传输距离较短，因此常常采用声波来进行通信。
但是由于水中的衰减和散射等问题，使得水下通信面临很大的挑战。
四、应对措施1. 声速测量与预测为了更好地预测海洋中声波传播路径和强度，需要对海洋中各种因素进行测量，并建立相应的模型来进行预测。
2. 噪声控制为了减少海洋中的噪声干扰，需要采取一系列措施，如减少船舶和潜艇的噪声、调整通信频率等。
3. 水下通信技术研究为了克服水下通信面临的问题，需要研究新型的水下通信技术，如水声纳技术、多路径传输技术等。
五、结论水声学波动问题是一个复杂而又重要的问题，在海洋勘探、海底通信和军事领域等方面都有着广泛的应用。
我们需要认真研究和解决这些问题，以更好地利用海洋资源和保护海洋环境。
水声学第八章 水下噪声[精]
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海洋环境噪声的指向性
舰船和鱼雷的辐射噪声（了解）
舰船辐射噪声的声源级和噪声谱（重点） 舰船辐射噪声源及其一般特性
机械噪声 螺旋桨噪声 水动力噪声
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本章主要内容
舰船和鱼雷的辐射噪声（了解）
辐射噪声源概要 舰船、潜艇、鱼雷的辐射噪声级 辐射噪声的测量
高斯噪声
若噪声的声压概率密度函数表示为：
p
1
p2
e 22
2
上述概率密度函数为高斯分布，相应的噪声称为高斯
噪声。其均值和方差为：
ppdp 2 p2pdp
提示：水下噪声研究中经常将某一类干扰假定为高斯 噪声。
2019/11/7
因此有
INSf
N 1 L l0 g f 1l0 g S /I0
提示：水下噪声是多种噪声源的综合迭加，每种噪 声源的激励不尽相同，因此，它可能是线谱，也可 能是连续谱，甚至是两种的迭加。
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噪声的基本概念
水下噪声的指向性特性 水下噪声具有指向性 原因：噪声源具有指向性、噪声源空间分布、海 洋传播条件等。 提示：工程上将噪声视为各向同性的，便于处理。 常识：海面噪声（风浪噪声）—垂直指向性； 远处航船的辐射噪声—水平指向性。
潮汐和海面波浪是海洋内部海水静压力变化的 原因，它们是低频噪声源。
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海洋环境噪声
深海中的环境噪声源 地震扰动 地震是海洋中的极低频噪声源。 海洋湍流 湍流产生噪声的方式： 湍流使水听器、电缆等颤动或作响——自噪声 （不是自然噪声）； 湍流压力变化辐射噪声——四极子源，随距离 迅速衰减，不是主要源；湍流区内部压力的声 效应。海洋湍流是海洋中的低频噪声源。
水下噪声
远处航船的辐射噪声—水平指向性。
注意：
工程上通常将海洋环境噪声视为各向同性的，便于信号处理。
水声学 第7章 水下噪声 12
7.2 海洋环境噪声
海洋环境噪声也称自然噪声，是水声信道的一种干扰背景。 研究环境噪声的目的： 研究噪声场的时空统计特性与环境因素之间的依赖关系，找出 其规律，预报NL值，为声呐设备设计、研制提供必要的数据；
（3）平稳随机过程： p1，t p1，t 结论：平稳随机过程的概率密度函数与时间无关。
水声学 第7章 水下噪声 3
7.1 噪声的基本概念
1、噪声描述
短时间内水中噪声可视为平稳随机过程，且噪声声压服从高 斯分布，称为高斯噪声，其概率密度函数为：
p
其均值和方差：
环境噪声与环境条件密切相关，如风速等自然条件。
水声学ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第7章 水下噪声
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7.2 海洋环境噪声
1、深海中的环境噪声源
从低频到高频次序讨论噪声源及其特性：
（1）潮汐和波浪的海水静压力效应 潮汐和海面波浪是引起海洋内部海水静压力变化的原因， 是低频噪声源。 （2）地震扰动 地震扰动是海洋中的极低频噪声源。 地震扰动在海水中产生的压力：
7.2 海洋环境噪声
3、自然噪声间歇源及其变化特性
（1）间歇源的噪声源 一种暂时存在的噪声源，如能发声的海洋生物、降雨等。 海洋生物噪声：
甲壳类、鱼类和海生哺乳类—特殊鸣声、嘈杂声等；
降雨噪声： 提高自然噪声级，与降雨率和降雨面积有关。
水声学
第7章 水下噪声
水声学——精选推荐
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。
《水声学》部分习题答案
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，
rR<rn，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
rR rn
距离r
6 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
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解：早晨时声呐作用距离远，因为此时可能存在表面声道，而下午一般不会形成 表面声道。即使不出现表面声道时，早晨的负梯度也小于下午的负梯度，所以早 晨的作用距离远于下午，这就是下午效应。 9 画出深海声道声速分布，应用射线理论说明声波在深海声道中远距离传播的
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第 4 章 典型传播条件下的声场
1 邻近海面的水下点源声场中的声压振幅随距离变化具有哪些规律？ 2 表面声道的混合层中的声线传播具有那些特点？ 3 什么是反转深度？什么是临界声线和跨度？ 4 什么是会聚区和声影区？二者之间声强大小如何？会聚增益是如何定义的？
声线曲率半径 R = c0 ，所以水平传播距离 g
x = R 2 − (R − d )2 = 2Rd − d 2
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6
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哈尔滨工程大学国家级精品课程——《水声学习题集参考答案》
一般情况下，声速垂直梯度 g 为远小于 1 的量 所以曲率半径较水深大得多 x ≈ 2Rd = (2c0d / g)1/ 2
解：1）声速绝对梯度 g = dc = 1500 −1450 = −0.5s −1
水下振动噪声及控制技术绪论PPT课件
• 随着近代工业的迅猛发展，噪声污染越 来越严重，已成为一种公害。控制噪声 污 染 、 保 护 环 境 已 成 为第人6页们/共的56页共 识 。
噪声的评价方法
声压、声强和声功率
声波引起空气质点的振动，使大气压力产生压强的波 动称为声压，亦即声场中单位面积上由声波引起的压力增 量为声压，其单位为N/m2，简称帕（帕斯卡），符号为Pa。 通常都用声压来衡量声音的强弱。
• 暂时听阈偏移，亦称听觉疲劳。 • 听觉疲劳时，听觉器官并未受到器质性损害。 • 如果人们长期在强烈的噪声环境中工作，日积月累，内膜器官不断受噪声
刺激，恢复不到暴露前的听阈，便可发生器质性病变，成为永久性听阈偏 移，这就是噪声性耳聋。
第32页/共56页
听力损失
国际标准化组织(ISO)于1964年规定，在500Hz、1000Hz、 2000Hz三个倍频程内听阈提高的平均值在25dB以上时，即 认为听力受到损伤，又叫轻度噪声性耳聋。按照听力损失 的大小，对耳聋性程度进行分级，见表2-1。
噪声分析的基本知识
音调是人耳对声音的主观感受。（宫 商 角 徵 羽） 试验证明，音调的高低主要由声源振动的频率决定。 由于振动的频率在传播过程中是不变的，所以声音的频 率指的就是声源振动的频率。 声音按频率高低可分为次声、可听声、超声。
第20页/共56页
噪声分析的基本知识
• 次声是指低于人们听觉范围的声波，即频率低于 20Hz；可听声是人耳可以听到的声音，频率为2020000Hz；
• 当声波的频率高到超过人耳听觉范围的极限时，人 们观察不出声波的存在，这种声波称为超声波。
• 噪声控制中研究的是可听声，在噪声控制这门学科 中，通常把500Hz以下的称为低频声，
主动声纳方程期末总结-水声学讲义
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第六章 声波在目标上的反射和散射
本章主要内容
目标强度参数定义 刚性大球目标强度计算理论推导 常见声纳目标的目标强度值和特性 目标强度测量方法 目标回波组成及其特征 壳体目标的回波信号特征
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作业点评
聚集因子F是如何定义的，它有什么物理意义？ 举出二个F>1的场合。
解：聚集因子 F Ix, z/ I0 ，其中I是非均匀介
质中的声强，I0是按球面波衰减的声强，若 F>1，表示该处衰减小于球面波规律，反之， 则表示该处衰减大于球面波规律。会聚区和焦 散线上F>1。
声信号级
回声信号级 混响掩蔽级 噪声掩蔽级
rR rn
距离r
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作业点评
第四章
声线弯曲满足的基本条件是什么？并定性说明它们 之间的规律。
海水中声速值从海面的1500m/s均匀减小到100m深处 的1450m/s。求（1）速度梯度；（2）使还表面的水平 声线达到100m深处时所需要的水平距离；（3）上述 声线到达100m深处时的角度。
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第六章 声波在目标上的反射和散射
本章主要内容
刚性球体散射声场计算及其特性 弹性球体散射声场计算 弹性球体散射声场特性 求解散射声场的理论方法
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噪声的基本概念
噪声是一种随机过程
噪声声压有效值 p e
定义：等于介质阻抗为单位值时平均声强 I 的平
方根。
如果假设噪声的平均值为零，介质阻抗为单位值，则 它的方差便等于平均声强：
I2 p2(p)dp
I2lim 1 T/2p2(t)dt T T T/2
lim pe I
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海洋环境噪声
深海环境噪声谱 深海环境噪声谱的例子
如右图，谱由斜率不同的 五部分组成，解释如下：
1）1Hz以下，这段谱至今 还不为人所知。估计该噪 声来源于海水静压力效应 或是地球内部的地震扰动。
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海洋环境噪声
深海环境噪声谱 2）谱斜率为-8~-10dB/倍频 程，与风速仅有很微弱的关 系，最可能的噪声源是湍流。 3）自然噪声谱变平，远处 行船是主要噪声源。 4）具有-5~-6dB/倍频程，噪 声源是不远处的粗糙海面。 5）海水介质分子热运动噪 声，谱线斜率为6dB/倍频程。
噪声的基本概念
水下噪声的指向性特性 水下噪声具有指向性 原因：噪声源具有指向性、噪声源空间分布、海 洋传播条件等。 提示：工程上将噪声视为各向同性的，便于处理。 常识：海面噪声（风浪噪声）—垂直指向性； 远处航船的辐射噪声—水平指向性。
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海洋环境噪声
海洋环境噪声也称自然噪声，研究环境噪声的 目的：解决NL及其时空统计特性与环境因素之间的 依赖关系，找出其规律，并由此作出必要的预报， 为声纳设备设计、制作提供必要的数据。 深海中的环境噪声源 从低频到高频次序讨论噪声源及其特性： 潮汐和波浪的海水静压力效应
N L10 lgIN/I0
假设水听器工作带宽内噪声谱为 S(f ) 、且其响应 是均匀的，则有：
因此有
IN Sf
N 1 Ll0 g f 1l0 g S/I0
提示：水下噪声是多种噪声源的综合迭加，每种噪 声源的激励不尽相同，因此，它可能是线谱，也可 能是连续谱，甚至是两种的迭加。
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噪声的基本概念
噪声的频谱分析
声强平均频谱密度
Si
Ii fi
声强频谱密度函数
SflimIi dI
f fi0 i df
带宽内的总声强：I f2 Sf df f1
提示：连续谱某确定频率分量上的声强贡献无限小。
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噪声的基本概念
噪声的频谱分析 海洋环境噪声级
潮汐和海面波浪是海洋内部海水静压力变化的 原因，它们是低频噪声源。
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海洋环境噪声
深海中的环境噪声源 地震扰动 地震是海洋中的极低频噪声源。 海洋湍流 湍流产生噪声的方式： 湍流使水听器、电缆等颤动或作响——自噪声 （不是自然噪声）； 湍流压力变化辐射噪声——四极子源，随距离 迅速衰减，不是主要源；湍流区内部压力的声 效应。海洋湍流是海洋中的低频噪声源。
第八章 水下噪声
本章主要内容
舰船和鱼雷的辐射噪声（了解）
辐射噪声源概要 舰船、潜艇、鱼雷的辐射噪声级 辐射噪声的测量
舰船、潜艇和鱼雷的自噪声（了解）
舰船自噪声源及其一般特性 自噪声的传播路径 自噪声级 舰船自噪声的测量
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本章主要内容
舰船噪声控制简介（了解）
舰船噪声控制方法分类 机械噪声的控制 螺旋桨噪声的控制 水动力噪声的控制
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噪声的基本概念
噪声的定义：是指在特定条件下不需要的声音。 水下噪声
海洋环境噪声和舰船自噪声 它们是声纳系统的主要干扰背景之一，限制装备 性能。
目标（舰船、潜艇、鱼雷等）辐射噪声 它是被动声纳系统的声源，通过接收该噪声实现 目标检测。
处理上的方便，往往把水中噪声视为平稳随机过程
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噪声的基本概念
高斯噪声 若噪声的声压概率密度函数表示为：
p 1 ep222
2 上述概率密度函数为高斯分布，相应的噪声称为高斯 噪声。其均值和方差为：
ppdp 2 p2pdp
提示：水下噪声研究中经常将某一类干扰假定为高斯 噪声。
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噪声的基本概念
噪声是一种随机过程
一般，表征噪声统计特性的统计量：概率密度函数、 数学期望、方差、相关函数、功率谱。
白噪声
由随机过程理论可知，噪声自相关函数的傅立叶变 换即为功率谱密度函数：
Rlim1 T ptpt T2T T
dt
S Rejd
功率谱是均匀的噪声，则称之为白噪声。
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海洋环境噪声
深海中的环境噪声源 行船 行船是50Hz~500Hz频率范围内的主要噪声源， 与风和天气无关。 海面波浪 海面波浪噪声是500Hz~
25000Hz频率范围内的噪声 源，与海况直接相关。
Kundson海洋环境噪声谱
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海洋环境噪声
深海中的环境噪声源 热噪声 海洋分子的热噪声限制水听器的高频灵敏度， 等效热噪声谱级：
N L 1 1 2l5 0 f g D E I
式中，DI为指向性指数，单位dB； E为转换效率，单位dB； f 为频率，单位kHz。
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海洋环境噪声
深海环境噪声谱
Wenz谱级图：在一般 情况下，它能够比较细致 地描写出环境噪声的普遍 规律性，被认为最具代表 性的深海噪声谱曲线。
水下噪声研究的意义（对抗与反对抗） 提高设备性能、提高自身隐蔽性
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噪声的基本概念
噪声是一种随机过程 描述噪声的统计量有：概率密度函数、概率分布
函数。 平稳随机过程 描述：如果一个随机过程经过时间平移后，其统计 特性保持不变，即
p 1 ,t p 1 ,t
则称这过程为平稳随机过程。 提示：平稳随机过程的概率密度函数与时间无关，为
1 T/2p2(t)dt T T T/2
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噪声的基本概念
噪声的频谱分析 噪声声压是一个随机量，与时间量之间不存在确 定关系，因此分析噪声声压幅值的频谱没有意义； 随机过程的功率谱函数是一个确定的统计量，反 映了该过程的各频率分量的平均强度。
根据信号频谱曲线形状划分： 线谱：数学上能够用傅氏级数来表示，水声中周 期、准周期信号的频谱就是线谱信号； 连续谱：频谱分析用傅氏变换来表示，水声中瞬 态非周期信号的频谱就是连续谱。