水声测量
水声探测技术综述
水声材料驻波管测量方法
水声材料驻波管测量方法驻波管法是一种测量水声材料声速和衰减系数的重要方法。
其原理是利用驻波管中声波的干涉现象，根据驻波的波长和波腹波谷间的幅度差，推导出水声材料的声学特性。
实验装置驻波管法测量所需的装置包括驻波管、声源、接收器、频率发生器和数据采集系统。
驻波管：通常为圆柱形或矩形管，内衬被测水声材料。
声源：产生声波，激发驻波管内的驻波。
接收器：测量声波的声压，确定驻波的波形。
频率发生器：控制声波的频率，以获得不同频率下的驻波特性。
数据采集系统：记录接收器输出的声压信号，并进行分析处理。
测量步骤1. 选择合适的频率范围：根据被测水声材料的特性，选择合适的频率范围，确保在该范围内能激发清晰的驻波。
2. 激发驻波：通过声源向驻波管中输入声波，调整频率至出现驻波。
3. 移动接收器：沿驻波管轴线移动接收器，测量声压，记录驻波的波形。
4. 采集数据：使用数据采集系统记录接收器输出的声压信号，并进行数字化处理。
5. 分析数据：利用傅里叶变换或其他信号处理方法，分析声压信号，提取驻波的波长和波峰值。
计算声学特性根据驻波的波长和波峰值，可以计算水声材料的声速和衰减系数。
声速（c）：c = 2L / n，其中L为驻波管长度，n为驻波波长。
衰减系数（α）：α = (1/2) (InA1 - InA2) / L，其中A1和A2分别为驻波波峰和波谷处的声压幅度。
注意事项驻波管尺寸：驻波管的长度和直径应与被测频率相匹配，以确保能激发清晰的驻波。
声源功率：声源功率应足够大，以产生足够的声压，但又不会造成非线性失真。
接收器灵敏度：接收器灵敏度应足够高，以检测驻波的细微变化。
环境噪声：测量环境应尽量减少噪声干扰，以提高测量精度。
数据处理：数据处理应使用经过验证的算法和方法，以确保结果的准确性。
测绘技术在海洋工程中的精确定位方法
测绘技术在海洋工程中的精确定位方法导言海洋工程是一门复杂而庞大的学科，在建设和维护海洋基础设施以及进行海底资源勘探等方面起着重要作用。
在进行海洋工程时，精准定位是至关重要的。
本文将探讨测绘技术在海洋工程中的精确定位方法。
1. 卫星遥感技术卫星遥感技术是一种通过卫星采集海洋地理信息的手段，用于实现海洋工程的精确定位。
卫星遥感技术可以提供全球范围内的高精度地理信息数据，包括地面高程、海洋流动、岩性构造等。
通过获取这些信息，可以为海洋工程的规划和施工提供准确的参考数据。
2. 水声测量技术水声测量技术是利用声波在海洋中传播的特性，通过测量声波的传播速度和方向来获取海洋中的位置信息。
水声测量技术可以用于测定海洋中各种物理参数，如水深、海流速度等，从而实现对海洋工程的精确定位。
此外，水声测量技术还可以用于海底地形的测量和海底资源勘探。
3. 全球导航卫星系统全球导航卫星系统（GNSS）是一种基于卫星导航的定位技术，可以为海洋工程提供高精度的定位服务。
目前常用的GNSS系统有美国的GPS、俄罗斯的GLONASS和欧洲的Galileo。
通过接收卫星发射的信号，海洋工程人员可以准确地确定自己的位置，并进行定位导航。
GNSS技术在海洋工程中被广泛应用，如航行规划、船舶定位、海上作业等。
4. 海底光缆技术海底光缆技术是利用光信号在光缆中传输的特性，实现对海洋工程的精确定位。
海底光缆可以用于实时监测海洋中的物理参数，如水温、水深等，从而提供准确的位置信息。
此外，海底光缆还可以用于海洋观测和海洋环境监测，在海洋工程中起着重要作用。
5. 海洋无人机技术海洋无人机技术是指利用无人机进行海洋观测和勘探的技术。
海洋无人机可以携带各种传感器，如测深仪、声呐等，通过对海洋进行实时监测和测量，实现对海洋工程的精确定位。
海洋无人机技术具有灵活性和高效性的优点，可以在复杂的海洋环境中进行定位和测量。
结论测绘技术在海洋工程中的精确定位方法是保证海洋工程顺利进行的重要手段。
声学中的水声探测技术及应用研究
声学中的水声探测技术及应用研究引言：水声探测技术是一种利用声波在水中传播的特性来获取信息的技术，广泛应用于海洋石油勘探、水下通信、海洋生态环境研究等领域。
本文将从物理定律到实验准备和过程进行详细解读，并探讨其在应用和其他专业性角度的研究。
一、声学定律的应用：在水声探测技术中，最基本的物理定律包括声速、声强和声级。
声速是指声波在介质中传播的速度，与介质的属性密切相关。
水声探测技术中，研究声速的测量方法对于纠正定位误差和精确探测目标位置至关重要。
声强是指声波的能流密度，通过测量声波的声压来获得。
在水声探测技术中，声强的测量用于判断目标的远近和探测的效果。
声级是一种描述声波强度的单位，通常用在声波信号的测量和分析中。
二、实验准备：在进行水声探测技术的实验之前，需要准备一系列的实验设备。
首先是水声发射器和接收器，它们分别负责产生和接收声波信号。
其次是数据采集系统，用于记录和分析接收到的声波信号。
最后是传感器和探测器，用于测量和记录物理量，如压力、声波的频率和强度等。
同时，还需要进行场地准备，根据实验需求选择合适的水体环境，并保证实验场地的无干扰环境。
三、实验过程：1. 实验目标确定：根据具体的应用需求，确定实验的目标，如水下通信中的数据传输速率测试，海洋石油勘探中的定位和探测目标等。
2. 实验设计和参数设置：根据实验目标，设计合理的实验方案，并设置相应参数，如声频范围、信号频率、声源和接收器的位置等。
3. 发射声波信号：通过水声发射器产生声波信号，并控制信号的强度和频率。
信号的强度和频率与目标物的位置和性质有关。
4. 接收声波信号：使用水声接收器接收声波信号，并将其转化为电信号经过放大等处理，方便后续数据采集和分析。
5. 数据采集和分析：利用数据采集系统收集接收到的声波信号，并利用相应的分析方法，如频谱分析、波形分析等，对数据进行处理和分析。
6. 结果评估和优化：根据实验结果，进行结果评估和优化，进一步改善实验方法和参数设置，以提高水声探测技术的准确性和可靠性。
相位比较法测量水中的声速实验数据
相位比较法测量水中的声速实验数据一、前言声速是指声波在介质中传播的速度，是声波能在单位时间内在介质中传播的距离。
声速的测量对于研究声波在不同介质中的传播特性、地震勘探、水声通信等领域具有重要意义。
在本文中，我们将介绍一种常用的测量水中声速的方法——相位比较法，以及对应的实验数据及分析。
二、相位比较法测量水中的声速实验原理相位比较法是一种常用的测量声波在介质中传播速度的方法，其原理基于相位差和频率之间的关系。
在水中，声波的传播速度可以通过测量信号的相位差来间接计算得到。
实验中，首先需要准备两个声源，在水中以一定的频率发出声波信号，然后在一定距离的地方设置接收器来接收信号。
通过测量这两个信号的相位差，结合声波的频率，就可以计算出水中声速的数值。
三、相位比较法测量水中的声速实验装置为了进行相位比较法测量水中的声速实验，我们需要准备以下实验装置：1. 声源：用于在水中发出声波信号的装置，通常采用压电陶瓷发射器。
2. 接收器：用于接收水中传播的声波信号，通常采用压电陶瓷传感器。
3. 频率计：用于测量声波信号的频率。
4. 相位差测量装置：用于准确测量两个信号之间的相位差，可以采用示波器等设备。
四、实验步骤及数据收集1. 在实验装置中，分别设置好声源和接收器，并保证其在水中的位置固定。
2. 调节声源和接收器的距离，使其处于一定距离之间。
3. 发出声波信号，并通过频率计测量声波的频率。
4. 通过相位差测量装置测量两个信号之间的相位差。
5. 重复以上步骤多次，记录下不同距离下的声波频率和相位差数据。
五、实验数据分析通过上述实验步骤收集到的声波频率和相位差数据，我们可以进行数据分析，计算出水中声速的数值。
根据相位比较法的原理，声速可以由相位差和频率计算得出，具体计算公式如下：声速 = 频率× 波长/ (2π × 相位差)利用实验收集的数据，结合上述公式，我们可以计算出水中声速的数值，并进行数据处理和分析，得到实验结果。
水声目标强度测量实验室方法
水声目标强度测量实验室方法水声目标强度测量是水声信号处理领域的重要研究内容之一，广泛应用于海洋科学、水声通信以及水下探测等领域。
本文将介绍一种常用的水声目标强度测量实验室方法。
一、实验目的水声目标强度测量实验的主要目的是通过测量水中目标物体反射的声波能量，来确定目标的强度或散射截面。
通过该实验可以了解水中目标物体对声波的响应特性，为后续的水声信号处理和水下探测提供基础数据。
二、实验仪器与设备1. 发射器：用于发射声波信号的装置，通常采用水声发射器。
2. 接收器：用于接收目标物体反射的声波信号的装置，通常采用水声接收器。
3. 信号发生器：用于产生测试信号的设备，可以提供不同频率和幅度的声波信号。
4. 功率计：用于测量声波信号的功率，可以用来计算目标物体的强度或散射截面。
5. 实验水槽：用于容纳水样和目标物体的容器，通常采用透明材料制成，便于观察和调整实验参数。
三、实验步骤1. 设置实验参数：确定实验所需的声波频率、幅度和目标物体的位置。
2. 准备实验样品：在实验水槽中放置目标物体，并调整其位置和朝向，使其能够反射接收到发射器发出的声波。
3. 发射声波信号：通过发射器发出声波信号，信号可以是单频率或多频率的连续波或脉冲波。
4. 接收反射信号：由接收器接收目标物体反射的声波信号。
5. 计算目标物体强度：利用功率计测量声波信号的功率，根据声波的传播距离和角度等参数计算目标物体的强度或散射截面。
四、实验注意事项1. 实验过程中需保持实验水槽的清洁，避免杂质对实验结果的影响。
2. 发射器和接收器的位置、方向和距离应根据实验要求进行调整，以确保接收到目标物体反射的声波信号。
3. 信号发生器的频率和幅度应根据实验需要进行设置，以获取所需的测量结果。
4. 在测量过程中应注意避免干扰源对实验结果的影响，如避免来自其他声源的干扰信号。
5. 实验数据的处理和分析应准确无误，可以采用统计学方法对多次实验结果进行平均处理，以提高测量的准确性。
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。
利用声音测距离
利用声音测距离声音是一种能够传播的机械波，它在空气中传播的速度是有限的。
利用声音的传播速度，我们可以通过测量声音的传播时间来计算距离。
声音测距是一种简单而常见的测量方法，并且在实际应用中具有广泛的用途。
本文将介绍声音测距的原理、方法以及应用场景。
一、声音测距的原理声音在空气中的传播速度与空气的温度有关，一般情况下，声音在空气中的传播速度大约为每秒343米。
根据声音的传播速度和传播时间之间的关系，我们可以利用声音测距原理进行距离的计算。
二、声音测距的方法1. 回声测距法回声测距法是利用声音在空气中的传播速度来测量距离的常见方法之一。
它利用声波发射器发出声波并记录下发射时刻，然后等待声波被障碍物反射后再次接收到的时刻。
通过计算发射和接收声波的时间差，再结合声音传播速度，可以计算出测距的距离。
2. 脉冲测距法脉冲测距法是利用声波的脉冲信号测量距离的方法。
在脉冲测距法中，通过发射一个短暂的声波脉冲，并记录下发射时刻和接收到脉冲的时刻。
通过计算发射和接收脉冲的时间差，再结合声音传播速度，可以计算出测距的距离。
三、声音测距的应用场景1. 超声波测距超声波测距是一种常见的声音测距应用。
超声波测距主要使用超声波传感器，通过发射超声波脉冲并测量脉冲的回声时间来计算距离。
超声波测距广泛应用于自动测距仪、车辆倒车雷达等领域。
2. 水声测距水声测距是利用声音在水中的传播速度进行测距的应用。
水声测距在海洋测距、水声通信等领域具有重要的应用价值。
通过发射声波信号并测量回声的时间，可以计算出水下物体与发射源之间的距离。
3. 声呐测距声呐是一种利用声波进行测距的装置，主要用于水中目标的探测和测距。
声呐通过发射声波脉冲并接收回波信号，通过计算发射和接收信号的时间差，可以测量目标与声呐之间的距离。
四、声音测距的优缺点声音测距作为一种测量方法，具有一定的优点和缺点。
其优点是测量简单、成本低廉，适用于一些简单、室内的测距需求。
然而，声音测距的缺点是受环境的影响较大，例如温度、空气湿度等因素都会影响声音的传播速度，从而影响测距的精度。
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（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 ( 2 n 1)
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。
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`
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）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
工作原理
∆t
（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。
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。
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
u0 a 2 2 J 1 (ka sin ) j (t kr ) p(r , t ) j e 2r ka sin
式中：a—活塞发射器半径；
ka 2 a 2 p 2 cu0 sin 2 cu0 sin 4 r 2 r
当
很小时， sin
所以
若
ka 2 ka 2 sin 4r 4r
ka p cu0 2r
2
u0 a 2 2 J 1 (ka sin ) j (t kr ) p(r , t ) j e 2r ka sin
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。
2 2
c
接近远场区（分析近场公式）
r》a 时，
2 4 a a r 2 a2 r 3 2r 8r
k 2 2 p 2 cu0 sin r a r 2
若
时，即
则
ka 2 a 2 p 2 cu0 sin 2 cu0 sin 4 r 2 r
三、实验
1. 脉冲声技术认知实验 2.声场测量条件认知实验
实验室比较法测量系统
正弦填充脉冲输出信号
3015
3 1
功放输入端 （后面版）
功放输出端 （后面版）
外 触 发 信 号
2713
监测信号 输出端 （电压）
3
2
6050 1
5810 1
Hx
Hp
t d 1500
结束3！
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
p
2
, p 0 2 cu 0
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 r n
2
n=0,1,2· · ·
p=0
1 r a r n 2
2
n=0,1,2· · ·
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
∆t
∆t
∆t
∆t
工作示意图
L
4
6 5 d 7 H
B
2、实现方法
（1）脉冲宽度（τ）的选择
（I）避免边界影响
1 c
1 c
d2 H2 d
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
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，而在此段时间之前到达的 脉冲电信号（如电串漏信号）或此段时间之后到达 的脉冲声信号（如从水面、水底、池壁或支架等反 射的信号）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。