第三章 水声测量
第3章超短基线水声定位系统
有
R T c R T c
以水平位置精度与斜距之比来衡量定位精度时有
斜距相对 定位精度
X a 12 R 2d
响应器方式
带有深度的应答器/响应器方式
2 2019/4/9
一类是根据声线入射角和已知 超短基线系统的几种定位解算方式 深度进行位置解算
（ （ 测 ） 量 信 声 标 线 方 入 式 射 角 ） （ 单 程 距 离 和 角 度 ） (c)
另一类则是根据测量的距离和 声线入射角进行定位解算。
r
X Y
2 a
2 a
8
2019/4/9
3.3 入射角与距离算法 （应答器或响应器方式）
目标斜距 若使用应答器代替信标
1 R cTT , R 2
通过相位测量得到角度， 直接求出位置坐标
hR cos mx X cos a mx Xa
1 cos2 mx cos2 my
1 mx
，
Xa
3.2 入射角和深度方式（非同步信标 h cos mx 2 信标方式）位置解算 1 cos cos2
con my Ya 1 tan X tan con mx a
1
1 13 tan 21
c 2 T 2 d 2 2 2 2 12 c T d 2 d
2 2 总的均方误差 类似地，可得到 x y
13 2 Y 2d
工作报告之水中声速测量实验报告
水中声速测量实验报告【篇一：实验报告声速的测定】实验报告声速的测定-驻波法测声速2013301020142吴雨桥13级弘毅班物理科学与技术学院本实验利用超声波采用驻波法来测定空气中的声速。
【实验目的】(1)学会用驻波法测定空气中的声速。
(2)了解压电换能器的功能，熟悉低频信号发生器和示波器的使用。
(3)掌握用逐差法处理实验数据。
【实验器材】声波驻波仪、低频信号发生器、数字频率计、毫伏表、示波器、屏蔽导线。
【仪器介绍】声波驻波仪如图所示，在量程为50cm的游标尺的量爪上，相向安置两个固有频率相同的压电换能器。
移动游标及借助其微动装置就可精密地调节两换能器之间的距离l。
压电换能器是实现声波（机械振动）和电信号相互转换的装置，它的主要部件是压电陶瓷换能片。
当输给一个电信号时，换能器便按电信号的频率做机械振动，从而推动空气分子振动产生平面声波。
当它受到机械振动后，又会将机械振动转换为电信号。
压电换能器s1作为平面声波发射器，电信号由低频信号发生器供给，电信号的频率读数由数字频率计读出；压电换能器s2作为声波信号的接收器被固定于游标尺的附尺上，转换的电信号由毫伏表指示。
为了在两换能器的端面间形成驻波，两端面必须严格平行。
【实验原理】两列振幅相同传播方向相反的相干波叠加形成驻波，它不受两个波源之间距离等条件的限制。
驻波的强度和稳定性因具体条件的不同有很大差异。
只有当波源的频率和驻波系统的固有频率相等时，驻波振幅才达到最大值，该现象称为驻波共振。
t 等于任一温度时，声波在理想气体中的传播速度为v=v0 1+??273.15式中v0=331.45m???1，它为0℃时的声速，t为摄氏温度。
由上式可以计算出t等于任意温度时，声波在理想气体中的传播速度。
【实验内容】(1)仪器接线柱连接。
用屏蔽导线将压电换能器s1的输入接线柱与低频信号发生器的输出接线柱连接，用屏蔽导线将压电换能器s2的输出接线柱与毫伏表的输入接线柱连接，再将低频信号发生器的输出端与数字频率计的输入端相连。
声学和水声学测量技术应用
发送部分电路图
声学和水声学测量技术应用
接收部分
★前置放大电路
考虑到水声信道对声信号的衰减较大，必须在接收前端加以前置 放大器。考虑到方案的易实现，前置放大电路采用TL084中的运 算放大器模块构成放大电路。
声学和水声学测量技术应用
接收部分电路图
声学和水声学测量技术应用
带通滤波电路
★考虑到实用性及可靠性的折中，带通滤波器的设计采用双二阶滤波
器电路 ，电路图为
声学和水声学测量技术应用
检波电路
★信号滤波后必须经过检波和低通的处理才可作为初步控制输入
比较器，考虑到半波整流电路性能不高，这里采用线性检波电路 完成检波功能，电路图如下：
声学和水声学测量技术应用
比较电路
★检波后信号接入比较器中进行比较，比较器采用芯片LM311，
声学和水声学测量技术应用
水声换能器发射响应的测量
实验目的
★ 掌握水声换能器发射电压响应的测量方法
声学和水声学测量技术应用
实验原理
★发射响应：在单位输入电压或电流下换能器的声源级
★发射电压响应：Sv是发射换能器在指定方向上，离其有效中心参
考距离上产生的自由场表现声压Pf与加在换能器输入端的电压V 的比值
折射等不同的路径到达接收器的。在水声信道中，多途主要是由于 所辐射的信号经海面、海底单次或多次反射在接收点随机叠加而形 成的，在此过程中，声波的折射决定着声线的走向。
★多途结构：多途和直达脉冲有的是彼此分离的，有的和直达的迭
合在一起，多途的幅度总体上有随时间减少的趋势，但有的却大于 直达的。
★多途特征
t=50μs。故一周期内采样T/t=880个数据，其中应有m=τ/t=79 个“1”。
声学测量之水声工程46页PPT
1、合法而稳定的权力在使用得当时很 少遇到 抵抗。 ——塞 ·约翰 逊 2、权力会使人渐渐失去温厚善良的美 德。— —伯克
3、最大限度地行使权力总是令人反感 ；权力 不易确 定之处 始终存 在着危 险。— —塞·约翰逊 4、权力会奴化一切。——塔西佗
5、虽然权力是一头固执的最灵繁的人也看不见自己的背脊。——非洲 2、最困难的事情就是认识自己。——希腊 3、有勇气承担命运这才是英雄好汉。——黑塞 4、与肝胆人共事，无字句处读书。——周恩来 5、阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根
水声测量原理五种典型噪声
水声测量原理五种典型噪声
水声测量是利用声波在水中传播的特性来获取相关信息的一种技术方法。
以下是水声测量中常见的五种典型噪声：
1. 海底地震噪声：由于地球内部的地震活动产生的地震波向水体传播引起的噪声，频率范围广泛，能够遍及整个水柱。
2. 海洋动力噪声：由于海洋水体的风浪、潮汐等运动引起的噪声，频率范围通常在几十赫兹到几千赫兹之间。
3. 海洋生物噪声：由于海洋中生物活动产生的声音引起的噪声，如鱼类的鳞片摩擦、鲸鱼的歌声等。
频率范围较低，通常在几十赫兹到几千赫兹之间。
4. 人为噪声：由于船只、渔船、潜水器等人为活动引起的噪声，频率范围较宽，通常在几十赫兹到几千赫兹之间。
5. 水声仪器本身的噪声：由于水声仪器及其传感器本身的电子噪声引起的噪声，可以通过合理的设计和隔离来降低。
以上是水声测量中的五种典型噪声，根据噪声的特点和频率范围的不同，科研人员在测量过程中会采取相应的去噪处理措施，以减小噪声对测量结果的干扰。
水声实验
-20
-30
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
-40
-45
-15
2.4
1.6
0.9
0.7
2.8
TL
距离 20
30
34.2 40
45
50
55
60
65
Vp（V） 5
4
4
3
2.6
2.4
2.2
2
1.8
距离 70
Vp（V） 1.6
L=151.4cm B=121.7cm H=88.7cm D=34.2cm Q=15 τ≤min()
声源级和传播损失
p(r) SL 20 log
P0
A
r
20 log 20 log
P0r0
r0
式中 P0 1Pa , r0 1m 。由上式可见，右边第一项为常数，它表示声源 强度等于离源中心 1m 处得声压级。可见，在声压和距离的双对数坐
标系统中，上式为一直线，并且距离每增加一倍，声压级减少 6dB。
一、实验内容：
心,否则发射器和接收器间距必须比有效声中心和转轴间距大 100 倍。发射器和
接收器的间距要满足远场条件。
将频率为待测水听器相应工作频率 f 的电信号加到辅助发射器上,且保持发
射声场恒定不变。转动待测水听器,记下各个方向上水听器的输出电压。
信号源
示波器
功率放大器
测量放大器
发射换能器
实验水槽 水听器
图 1 测量系统连接示意图
根据声压随球面波衰减及 SL 的定义式可得到 SL 的测量式如下 SL(R) PL(R) 20lg(R)
20 lg(电压有效值 ) 203 - 20lg(测放) 20lg(R)
水声换能器测量规程
水声换能器测量规程全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：水声换能器是一种用于测量水下声音并将其转换为电信号的设备，常用于海洋科学研究、水声通信、海洋资源勘探等领域。
水声换能器的测量精度直接影响到数据的准确性和可靠性，在进行水声换能器的测量过程中需要严格遵守一定的规程，以确保测量结果的准确性。
本文将介绍一份关于水声换能器测量规程的具体内容，希望能够帮助读者了解水声换能器测量的主要步骤和注意事项。
一、测量前的准备1. 确定测量的目的和测量范围，明确需要测量的参数和技术要求。
2. 准备好水声换能器以及相关的测量设备和配件，确保设备能够正常工作。
3. 对测量地点进行认真的现场勘测，了解水声环境、水声传播特性等相关信息。
4. 对测量人员进行培训，确保他们熟悉水声换能器的使用方法和操作规程。
二、测量过程的实施2. 将水声换能器置于需要测量的位置，调节传感器的方向和角度，确保能够准确接收水下声音信号。
3. 开始进行测量，记录下测量开始时间和测量参数等相关信息。
4. 在测量过程中要及时调整水声换能器的位置和参数，确保测量数据的准确性。
5. 测量结束后，停止测量并记录下测量结束时间，保存测量数据并进行分析。
三、测量结果的处理和分析1. 对测量数据进行处理和分析，计算出所需的参数和结果。
2. 对测量结果进行比对和验证，确保结果与实际情况一致。
3. 将测量结果进行归档和备份，以备日后查看和参考。
四、注意事项和安全措施1. 在进行测量时要注意保护水声换能器和相关设备，避免碰撞和损坏。
2. 在测量地点要注意安全，避免发生意外和事故。
3. 在测量过程中要保持仪器的稳定性，避免数据误差。
4. 在遇到问题和困难时要及时与专业人员沟通，寻求帮助和解决方案。
水声换能器测量规程是保证测量准确性和可靠性的重要措施，只有严格遵守规程，才能够得到准确的测量结果。
希望本文能够对读者在进行水声换能器测量时有所帮助，提高测量工作的效率和质量。
【2007字】第二篇示例：水声换能器是一种将水中的声波信号转换为电信号的装置，广泛应用于海洋科学研究、海洋勘测、水声通信等领域。
第三章 海洋的声学特性
第三章 海洋的声学特性本章从声学角度讨论海洋、海洋的不均匀性和多变性，弄清声信号传播的环境，有助于海中目标探测、声信号识别、通讯和环境监测等问题的解决。
3.1 海水中的声速声速：海洋中重要的声学参数，也是海洋中声传播的最基本物理参数。
海洋中声波为弹性纵波，声速为：s c ρβ1=式中，密度ρ和绝热压缩系数s β都是温度T 、盐度S 和静压力P 的函数，因此，声速也是T 、S 、P 的函数。
1、声速经验公式海洋中的声速c （m/s ）随温度T （℃）、盐度S （‰）、压力P （kg/cm 2）的增加而增加。
经验公式是许多海上测量实验的总结得到的，常用的经验公式为：较为准确的经验公式：STP P S T c c c c c ∆∆∆∆++++=22.1449式中，4734221007.510822.2104585.56233.4T T T T c T ---⨯-⨯+⨯-=∆()()2235108.735391.1-⨯--=-S S c S ∆4123925110503.310451.3100279.11060518.1P P P P c P ----⨯-⨯+⨯+⨯=∆()[][][]TP T T P T T T P PTP P T S c STP 31021012382546214310745.110286.910391.210644.6103302.110796.21009.21096.11061.210197.135----------⨯-⨯+⨯-+⨯-⨯+⨯-+⨯-⨯-⨯+⨯--=∆上式适用范围：-3℃<T<30℃、33‰<S<37‰、()2525/109801/10013.1m N P m N ⨯<<⨯个大气压。
35‰；经常用深度替代静压力，每下降10m 水深近似增加1个大气压的压力。
声速c 的数值变化虽然微小，但它对长距离传播声线的分布、射程、传播时间等量的影响很大，因此需要有准确的声速数值。
- 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)。
对于其他情况
r r
最大线度尺寸L L2/λ
声场误差小于0.5dB
（2）等效声中心的确定
①问题的提出
Δd
0 0`
d0 d
pd Δd
0 0`
d0 d
pd
Δd
0 0`
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
d0 d
pd
②确定方法
pd——远场中某处声压；
d——以参考点为起点的测量距离；
Δd——参考点与实际声中心的偏差。
A/Pd
A/P2
A/P1
2 2
c
接近远场区（分析近场公式）
r》a 时，
k p 2 cu0 sin r 2 a 2 r 2
a2 a4 r 2 a2 r 3 2r 8r
若
时，即
则
k a2 a 2 p 2 cu0 sin 2 cu0 sin 4r 2 r
第三章
水声测量
一、测量条件 二、脉冲声技术
三、实验
一、测量条件
1.基本概念
2.自由场的建立
3.测量距离的确定
1.基本概念
（1）自由场 （2）远场
（3）近场
（1）自由场 均匀各向同性的媒质中，边界影响可以不计时的声场.
（2）远场 自由声场中，离声源远处瞬时声压与瞬时质点振速同 相的声场。
（3）近场
（1）电串漏信号：
电或电磁的信号，经非声学途径传播，是发 射与接收系统直接 电耦合所至，可能是接地 线不妥当或水听器屏蔽不好。
（2）直达信号：
经声传播时间延迟后到达，由于电子设备和 换能器滤波特性，致使直达脉冲信号形状产生畸 变。
（3）反射信号：
由于各种反射途径均比直达声程远，因此各 种反射波均在直达声后面出现。
（2）实验室自由场条件： · 消声水池 · 非消声水池采用脉冲声技术
3.测量距离的确定
（1）远场判据
（2）等效声中心的确定
(1)远场判据
① 理论推导
以活塞发射器和点接收器组成的系统为例，推导远场距离判据。
p dp
s
kc j u 0 e j t kr ds 2r
p
2
, p 0 2 cu0
圆面活塞中心点处声压 根据a与λ之间关系 可以确定可大可小。
r
b
在活塞法线上声压幅值极大极小点处
k 2
k 2
p
r
2
2
a 2 r n
n=0,1,2·· ·
p=0
1 r a r n 2
2
n=0,1,2·· ·
p=max
r
在法线上将会出现声压极大、极小值的交替分布现象
离发射面最远处声压极大值点对应于n=0
即
r0
a
2
4
这表明，最后一个最大值的位臵恰好是边缘声线和 轴向声线程差为 的点，超过此点，活塞面上任何两 个元波到达法线上点的程差都小于 ，声压幅值变为 单调的减小，于是声场逐渐进入弗朗霍夫尔区。在此点 附近，声压幅值变化很缓慢，类似于平面波。
Q f0
Q——发射换能器的品质因数； fo——发射换能器的谐振频率。
（Ⅳ）为与连续信号测量相比拟，使换能器各部分之间完 成相互作用
2l c
l——沿声波传播方向上水听器的尺寸；
（Ⅴ）为保证声信号不发生畸变，测试设备等带宽应为
f
2
（2）脉冲周期的选择
2 T T60 3
T60——水池混响时间。
（ii）近场特性
k p 2 cu0 sin 2
r a r
2 2
a
活塞面中心点处,r=0时
ka a p 0 2 cu0 sin 2 cu0 sin 2
a 2n
2
, p0 0
a ( 2n 1)
工作原理
∆t
∆t
∆t
∆t
∆t
2、实现方法
（1）脉冲宽度（τ）的选择
（I）避免边界影响
1 c
d2 H2 d
1 c
d 2 B2 d
1 L d c
（Ⅱ）换能器尺寸大于声波长时，避免换能器之间的反射 影响
2d c
（Ⅲ）为与连续信号测量相比拟，使换能器达到稳态条件
k a2 a 2 p 2 cu0 sin 2 cu0 sin 4r 2 r
当
很小时， sin
所以
若
ka 2 sin 4r
ka 2 4r
ka p cu0 2r
2
u 0 a 2 2 J 1 (k asin ) j (t kr ) p ( r , t ) j e 2r k asin
O` o
Δd
d1
d2
d
二、脉冲声技术
1、原理 2、实现方法
1、原理
利用正弦填充矩形脉冲信号或不同于连续单频 信号的短促脉冲信号激励发射换能器，并控制接收 系统使其只在脉冲声信号从发射器直达水听器的那 一段时间内接收和测量（直达信号），而在此段时 间之前到达的脉冲电信号（电串漏信号）或此段时 间之后到达的脉冲声信号（反射信号）将被接收系 统拒绝接收，这样即可将被测有用信号与不希望的 噪声信号在时域上分离开来，从而形成时间域上的 自由场。
1 声压幅值按照 r
球面波规律衰减。
②结论
活塞发射器和点接收器组成的系统的远场 距离判据为：
③经验公式
对于均匀圆形活塞换能器
ra
a r
2
代表一定误差下对幅度的要求； （二项式展开舍去高次项）
代表一定误差下对相位的要求； （正弦函数用小角度代替）
近似于圆形或方形活塞
r r
面积/波长 最大线度尺寸
式中：
r
u0
——活塞发射器表面振动幅度
r
——活塞上面元到观察点的距离
c ——水中声速
——水的密度
ds ——面元面积
（i）远场特性
u 0 a 2 2 J 1 (k asin ) j (t kr ) p ( r , t ) j k asin e 2r
式中：a—活塞发射器半径；
自由声场中，声源附近瞬时声压与瞬时质点振速不同
相的声场。
2.自由场的建立 （1）天然水域
（2）实验室
（1）天然水域自由场条件
· 水域应有足够的空间，以便从边界反射回来的干扰能用 脉冲声技术、消声边界或长距离传输等方法消除； · 应有很低的噪声环境，以保证测量所需的信噪比； · 在水介质中要避免有可能引起折射和散射的任何因素， 诸如流、温度梯度、海洋生物、气泡和污物等； · 要有良好的气候条件，以保证测量的顺利进行和便利； · 在高频和超声频范围测量时，水深通常小于20m；对 1kHz以下的频率，水深应大于20m。