水声学原理第二章2
水声学原理第二章2
d L sin n sin sin sin D lim d 0 L d n n sin sin sin nd L
主瓣束宽和-3dB束宽：
2 arcsin L
2i 1 nd sin 2
2m 1 arcsin 2nd
最小的m ???
主旁瓣比：主极大与第一次极大（也是次极大中最 大的）比值的分贝数 3 20 log n sin 2n D i （3）当 nd sin i 、 n 的整数倍时， 0
jkdi sin
当 0 （垂直 OX 轴方向）时，各点源同相叠加，合成声压最大：
3
声场的方向性函数：
pr , , t 1 D pr , 0 , t n
i 0
n 1
e jkdi sin
方向性图 (1)当 d sin i 时，
d sin n sin d n sin sin
4
D ,
0 0
2
2
cosdd
发射指向性指数：发射阵的方向性因子的分贝数。
DI T 10 lg R
College of Underwater Acoustic Engineering 8
2、均匀连续直线阵的声辐射
辐射声压方向性图 nd 令 d 0 ， ， L ，则阵长为 L n 的均匀连续直线阵的方向性函数为：
R 2L
2
2L 和方向性函数： DI T 10 lg
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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》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
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。
第2章海洋的声学特性
声速梯度。
在主跃变层（负）和深海 等温层（正）之间，有一 声速极小值—声道轴。
水声学 第2章 海洋的声学特性 18
2.1 海水中的声速
请解释一下深海声速梯度分布？
水声学
第2章 海洋的声学特性
19
2.1 海水中的声速
2）海水中声速的基本结构
温度的季节变化、日变化和纬度变化：
（1）季节变化： 百慕大海区温度随月份的变化情况，夏季既有表面 等温层，又有表面负梯度层；冬季有很深的表面混合 层。季节变化对海洋深处的温度影响较小。
水声学 第2章 海洋的声学特性
dB
33
2.2 海水中的声吸收
2）球面波的扩展损失
在理想介质中，沿r方向传播简谐球面波声压：
p0 p expit kx r
2 I p0 r2
传播损失为：
TL1 10lg I r I 1 20lg r
dB
水声学
第2章 海洋的声学特性
水声学
c0
Zm
c
c0
c
Zm
Z
Z
第2章 海洋的声学特性
26
2.1 海水中的声速
4）声速垂直分布分类 表面声道（混合层声道）声速分布： 特点：在某深度处有一声速极大值。 形成原因：在秋冬季节，水面温度较 低，加上风浪搅拌，海表面层温度均 匀分布，在层内形成正声速梯度分布。
Z
Zm
ch c
水声学
第2章 海洋的声学特性
2.1 海水中的声速
3、海水中声速变化
1）海水中声速的垂直分层性质 实测海洋等温线和等盐度线几乎是水平平行的， 在不同深度上取不同的值。温度、盐度和静压力均
具有水平分层和随深度变化的特性，所以声速具有
水声学原理（2）
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。
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注意：轴线声压随距离起伏变化，呈现很强的相干效应。
k 0 cu a a 2 pr , , t j 2r
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。
轴线声压
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方向性函数
活塞辐射声场的方向性函数为：
NL NL 0 d 2 D , d 4 4
注意：同一可逆换能器，其接收指向性指数和发 射指向性指数相同。
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d L sin n sin sin sin D lim d 0 L d n n sin sin sin nd L
主瓣束宽和-3dB束宽：
2 arcsin L
R 2L
2
2L 和方向性函数： DI T 10 lg
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3、无限大障板上平面辐射器的声辐射
平面圆形活塞的辐射
设半径为a的圆形平面活塞镶嵌在无限大障板上，如图所示。 活塞位于XOY 平面内，向上半空间辐 射声波，声场对称于z轴。 活塞表面各点的振幅和 相位相同，则
注意：不出现副极大值的条件 d
(2)当 时，声压振幅出现次极 大值（旁瓣），对应次极大值的方向：
1 各次极大声压与主极大声压比值为： 2m 1 n sin （由该值可得到主旁瓣比） 2 n
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4
D ,
0 0
2
2
cosdd
发射指向性指数：发射阵的方向性因子的分贝数。
DI T 10 lg R
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2、均匀连续直线阵的声辐射
辐射声压方向性图 nd 令 d 0 ， ， L ，则阵长为 L n 的均匀连续直线阵的方向性函数为：
方向性因子和方向性指数
2 J 1 2ka R k a 1 2ka
2 2 1
2a DI T 20 lg ka 20 lg
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4、声波的接收方向特性
3dB
2 arcsin 0.42 L
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注意：连续直线阵永远不会出现栅瓣。 方向性因子：
R
0
kL 2 2 2 sin kL 4 cos kL D cos d 3 kL kL kL
取：
解得：
sin x 1 2 1 1 x x 3! 2
x 1.326
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方向性因子和方向性指数 发射方向性因子：在远场发射阵最大响应方向上声强与 同一距离处各方向声强平均值之比。
I m ax R I
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：
D , V , V 0 , 0
注意：远场条件： r
式中，V 0 , 0 为参考方位上的输出电压，一般选取输出 电压最大值。 2
k 0 cu a jt e p r , t j e dS 2 r r S
jk r r
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轴线上声压变化
远场声压
2 J 1 ka sin j t kr ka sin e
声压振幅出现极大值1， 对应极大值的方向：
i arcsin d
d i
i 0,1,
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其中，i 0 对应的方向为主极大值方向（主瓣）； i 1 对应的方向为第一副极大值方向（栅瓣）， 依此类推。
L
根据互易原理，可逆换能器的接收方向性函数与它的发射 方向性函数相同。
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接收方向性指数 接收方向性因子：
N0 R Nd
4
4
D 2 , d
接收方向性指数：
N0 DI 10 lg N d 10 lg
常识：阵孔径（nd）越大，频率越高，波数宽度越窄。 -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。 3dB 2 arcsin 0.42 nd
注意：利用正弦函数的级数展开，求得上式。
1 3 1 5 sin x x x x 3! 5!
辐射声压
在远场，总声压为：
jk 0 cQ0 j t kr n 1 jkdi sin pr , , t e e 4r i 0
e
jk 0 cnQ0 j t kr pr , 0 , t e 4r
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jkdi sin
当 0 （垂直 OX 轴方向）时，各点源同相叠加，合成声压最大：
3
声场的方向性函数：
pr , , t 1 D pr , 0 , t n
i 0
n 1
e jkdi sin
方向性图 (1)当 d sin i 时，
d sin n sin d n sin sin
2i 1 nd sin 2
2m 1 arcsin 2nd
最小的m ???
主旁瓣比：主极大与第一次极大（也是次极大中最 大的）比值的分贝数 3 20 log n sin 2n D i （3）当 nd sin i 、 n 的整数倍时， 0
第二章 声学基础
第四讲 声波的辐射和接收
本讲主要内容
等间距均匀点源离散直线阵的声辐射（了解） 均匀连续直线阵的声辐射（了解） 无限大障板上平面辐射器的声辐射（了解） 声波的接收方向特性（了解）
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1、等间距均匀点源离散 ka sin D ka sin
注意：圆形活塞不会出现栅瓣。 波束宽度
2 arcsin 0.61 a
3dB 2 arcsin 0.26 a
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声压振幅出现极小值（各点源的声场抵消，总声 压为零），对应极小值的方向：
i arcsin nd
方向锐角或主瓣束宽（全开角）：主极大值两旁
第一个极小值之间的夹角。
2 arcsin nd
6
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