水声学原理第三章1
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。
水声学复习提要
rR rn
距离r
College of Underwater Acoustic Engineering HEU
17
作业点评
第一章
给定水下声压 p 为100Pa，那么声强 I 是多大， 与参考声强 I r 比较，以分贝表示的声强级是多少？ （取声速C=1500m/s，密度为1000kg/m3）
解：声强：
被动声纳方程
SL - TL -（NL - DI）=DT
SL—噪声源 无TS 背景干扰为环境噪声和舰船自噪声
声纳方程的应用
基本应用
声纳设备性能预报 声纳设备设计
College of Underwater Acoustic Engineering HEU 5
第二章 海洋的声学特性
可以解得声场的解析解； 不易处理复杂边界条件； 易于加入源函数； 计算复杂；
射线理论
只能解得声场的近似解； 易于处理复杂边界条件； 物理意义简单直观； 不能处理影区、焦散区；
适用于低频远距离浅海。
适用于高频近距离深海。
15
College of Underwater Acoustic Engineering HEU
16
作业点评
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 曲线，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 rR rn 要干扰。如下图， 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
作业点评
第一章
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？在声纳方程 中各项参数的物理意义是什么？ 声纳方程的两个基本用途是什么？ 环境噪声和海洋混响都是主动声纳的干扰，在实际 工作中如何确定哪种干扰是主要的？
水声学
鱼雷和水雷
• 是目前水下作战的主要兵器
• 鱼雷多种多样
• • • • 制导方式 投放方式 爆炸方式 超高速
• 水雷多种多样
• • • • 引爆引信 布放方式 主动攻击水雷 水鱼雷
• 水下作战的主要手段
• 潜艇、鱼雷、水雷、蛙人等
• 水下战的主要内容
• 潜艇战与反潜战 • 鱼雷攻击与防护 • 水雷战与反水雷
?拥有常规潜艇数量最多的国家在我们亚洲朝鲜拥有60艘?二战期间潜艇共击沉作战舰艇381艘其中战列舰3艘航空母舰17艘巡洋舰32艘驱逐舰122艘还有其它作战舰艇207艘击沉各种运输船5000余艘?二战中各种舰艇共击沉航空母舰38艘仅潜艇就击沉17艘就击沉艘?被潜艇击沉的潜艇80艘?在第二次世界大战中德国u47号潜艇于1939年10月潜入英国位于苏格兰北部的海军基地在港内击沉了英国的排水量达33000多吨的大型战列舰皇家橡树号创造了军事史上的奇迹?美国是世界上潜艇技术领先数量最多的国家共拥有潜艇70余艘全部为核部为核动力潜艇其中战略导弹核潜艇近20艘攻击型核潜艇50余艘美国美国最新核动力攻击潜艇海狼号俄罗斯?俄罗斯的弹道导弹核潜艇共发展了四代分别为台风级didiidiv级目前在役的有17艘台风级弹道导弹核潜艇是世界上排水量最大的核潜艇其水下排水量26500吨航水下航速26节可携带1620枚ssn23或ssn20型弹道核导弹每枚可携载10个分弹头射程可达900010000公里俄罗斯d级弹道导弹核潜艇英国个拥有核武器的国家英国的核力量全部为海基目前拥有战略导弹核潜导弹核潜艇4艘每艘可携带16枚三叉戟弹道核导弹每枚可携载14枚分弹头射程达12000公里?英国是世界上第三英国最新战略核潜艇警戒号法国?法国海军的战略导弹核潜艇有三代第一代无畏级第二代不屈级第三代胜利级
(完整版)水声重点(更新版).doc
（以下内容来自老师给的ppt ）第 1 章 -声纳及声纳方程1、声源级SL描述主动声纳所发射声信号的强弱：SL 10lg II 是发射器声轴方向上离声源中心1m 处的声强I0 r 12、发射指向性指数DITDI T I D10 lg IND理解 : I P a 4 W m2r 1SL 10lg P a 170.77 SL 10lg P a 170.77 DI T 3、传播损失 TL 定量描述声波传播一定距离后声强度的衰减变化：TL10 lgII 1 r4、目标强度TS定量描述目标反射本领的大小：TS10 lg IrIi r 15、海洋环境噪声级NL是度量环境噪声强弱的量：注意： I N是测量带宽内或1Hz 频带内的噪声强度。
6、等效平面波混响级RL定量描述混响干扰的强弱。
IRL10 lgI 07、接收指向性指数DI R接收系统抑制背景噪声的能力。
无指向性水听器产生的噪声功率DI R 10 lg 指向性水听器产生的噪声功率8、检测阈DT设备刚好能正常工作所需的处理器输入端的信噪比值(SNR)。
信号功率DT10 lg9、主动声纳方程（噪声背景）：（SL-2TL+TS）-（NL-DI）＝ DT主动声纳方程（混响背景）：（SL-2TL+TS）-RL＝DT被动声纳方程（SL-TL） -（NL-DI）＝ DT10、回声信号级： SL-2TL+TS加到主动声纳接收换能器上的回声信号的声级噪声掩蔽级： NL-DI+DT工作在噪声干扰中的声纳设备正常工作所需的最低信号级混响掩蔽级： RL+DT工作在混响干扰中的声纳设备正常工作所需的最低信号级回声余量： SL-2TL+TS（-NL-DI+DT）主动声纳回声级超过噪声掩蔽级的数量优质因数： SL（-NL-DI+DT）对于被动声纳，该量规定最大允许单程传播损失；对于主动声纳，当 TS=0 时，该量规定了最大允许双程传播损失品质因数：SL-（ NL-DI）声纳接收换能器测得的声源级与噪声级之差思考题：1．什么是声纳？声纳可以完成哪些任务？;答: 利用水下声信息进行探测、识别、定位、导航和通讯的系统按照工作方式分类：主动声纳和被动声纳2．主被、动声纳的信息流程有何不同？3．发射指向性指数物理含义是什么？答:1. 在相同距离上，指向性发射器声轴上声级高出无指向性发射器辐射声场声级的分贝数； 2. DIT 越大，声能在声轴方向集中的程度越高；就有利于增加声纳的作用距离。
第3章 海洋中的声传播理论
2
2
3.2 波动声学基础
（3）函数Rn(r) 由零阶贝塞尔方程，可得 Rn r 的解：
Rn r jZ n z0 H 0 n r
2
2 2 j sin k zn z0 H 0 n r H
水声学
第3章 海洋中的声传播理论
①平面波情况
x =f t c
水声学
1 0 x c t
第3章 海洋中的声传播理论
jk 0 x
15
3.1 波动方程和定解条件
②柱面波情况
lim r jk 0 r r
③球面波情况
注意负号的物理含义。
水声学 第3章 海洋中的声传播理论 13
3.1 波动方程和定解条件
④边界上密度或声速有限间断
边界上压力和法向质点振速连续：
p s0 p s0
1 p 1 p n n s 0 s 0
若压力不连续，压力突变或质量加速度趋于无穷；
水声学
第3章 海洋中的声传播理论
24
3.2 波动声学基础
（1）波动方程
d 2 Rn 1 dRn d 2 Zn 2 2 Zn 2 Rn 2 k0 Z n r z z0 r dr r n dz dr
——第二类非齐次边界条件
水声学 第3章 海洋中的声传播理论 12
3.1 波动方程和定解条件
③混合边界条件：声压和振速线性组合
p a bp f s n s
——若a和b为常数，则为第三类边界条件 若 f s 0 ，则为阻抗边界条件： p Z un
第3章海洋中的声传播理论详解
方程②：
d 2 Rn 1 dRn 2 (r ) Z n ( z0 ) 2 n Rn 2 dr r dr r
方程①的通解——本征函数 ：
Z n z An sink zn z Bn cosk zn z
对应的 k zn ——本征值
College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University
n
c pn n
群速度：波形包络的传播速度
d cgn d n
说明：浅海水层属于频散介质。
College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University 22
硬底均匀浅海声场
相速和群速与声波频率的关系
2 2
阶数最大取值:
H 1 N c 2 0
结论：当简正波阶数 n N 时， n 为虚数，此 时简正波随距离增大指数衰减
College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University
本征函数(Eigen Function)
Z n z An sin k zn z , 0 z H
College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University 15
根据正交归一化条件 ：
H
0
Z m z Z n z dz 1
混合边界条件——压力和振速线性组合 边界上密度或声速的有限间断——压力和法向质 点振速连续 关于连续的解释： 若压力不连续，质量加速度趋于无穷的不合理 现象； 若法向振速不连续，边界上出现介质“真空” 或“聚集”的不合理现象。
水声学原理第三章1综述
7
声速测量
声速剖面仪SVP—— Sound Velocity Profile 温盐深测量仪CTD— Conductivity, Temperature, Depth 抛弃式温度测量仪 XBT —— eXpendable BathyThermograph
College of Underwater Acoustic Engineering
College of Underwater Acoustic Engineering 19
声速分布分类
右图为表面声道声速分布， 特点： •在某一深度处有一声 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， 第二类 在层内形成正声速梯度 表面声道声速分布 分布
College of Underwater Acoustic Engineering
12
海中声速的基本结构
Caution： 在主跃变层 和深海等温 层之间，有 一声速极小 值—声道轴
典型深海声速剖面
College of Underwater Acoustic Engineering 13
温度垂直分布的“三层结构”： 表面层（表面等温层或混合层）：海洋表面受 到阳光照射，水温较高，但又受到风雨搅拌作 用。 季节跃变层：在表面层之下，特征是负温度梯 度或声速梯度，此梯度随季节而异。夏、秋季 节，跃变层明显；冬、春（北冰洋）季节，跃 变层与表面层合并在一起。 主跃变层：温度随深度巨变的层，特征是负的 温度梯度或声速梯度，季节对它的影响微弱。 深海等温层：在深海内部，水温比较低而且稳 定，特征是正声速梯度。
声速经验公式（了解） 海洋中声速的变化（重点） 传播衰减概述（重点） 纯水和海水的超吸收（重点） 非均匀液体中的声衰减（了解）
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)。
主瓣、栅瓣、旁瓣的位置 主极大、副极大、次极大、零点的位置 方向锐角或波束宽度、-3dB波束宽度 波束宽度与基阵孔径、声波频率的关系
可逆换能器阵的发射方向性与接收方向性关系
College of Underwater Acoustic Engineering
3
本讲主要内容
College of Underwater Acoustic Engineering 25
吸收系数
均匀介质的声吸收 介质切变粘滞的声吸收（经典声吸收） 介质热传导声吸收（经典声吸收） 驰豫吸收（超吸收）
假设平面波传播距离 dx 后，由于声吸收而引 起声强降低为 dI ，则
dI 2Idx
温度起伏的原因多种多样： 湍流 海面波浪 涡旋 内波等因素 ——声传播起伏的原因之一
College of Underwater Acoustic Engineering
18
声速分布分类（分成四类 ）
右图为深海声道典型声 速分布，特点： •在某一深度处有一 声速最小值。 •两图不同之处： •图（a）表面声速小 第一类 深海声道声速分布 于海底声速； •图（b）表面声速大 于海底声速。
I x I 0 e
2 x
26
College of Underwater Acoustic Engineering
取自然对数得： 1 ln p0 px x
无量纲，称为：奈贝(Neper) 物理意义：单位距离的分贝数，Neper/m 通常将声强写成下式：
College of Underwater Acoustic Engineering
6
乌德公式
c 1450 4.21T 0.037T 2 1.14S 35 0.175P
式中，压力P单位是大气压
1atm 1.013 10 N / m
5
2
College of Underwater Acoustic Engineering
第三章 海洋的声学特性
第五讲 海洋声学参数及传播损失
第二章知识要点
介质的特性阻抗与声阻抗率
平面波 球面波 柱面波
发生全透射的条件、特点 发生全反射的条件、特点 发生全内反射的条件、特点 等间距均匀点源离散直线阵的方向性函数
College of Underwater Acoustic Engineering 2
2．海水中的声吸收
传播衰减概述
声波传播的强度衰减（传播损失）原因：
扩展损失（几何衰减）：声波波阵面在传播过程中 不断扩展引起的声强衰减。 吸收损失：均匀介质的粘滞性、热传导性以及其它 驰豫过程引起的声强衰减。 散射：介质的不均匀性引起的声波散射导致声强衰 减
不均匀性包括：海洋中泥沙、气泡、浮游生物等 悬浮粒子以及介质本身的不均匀性和海水界面对 声波的散射。
ln p0 / px 为声压振幅的自然对数衰减，
I x I 010
x 10
取常用对数得： 10 I 0 20 p0 lg x lg px x I x
物理意义：单位距离的分贝数，dB/m
College of Underwater Acoustic Engineering 27
8
College of Underwater Acoustic Engineering 2001年中美联合亚洲海水声实验
9
College of Underwater Acoustic Engineering
2002年海上实验
10
College of Underwater Acoustic Engineering
2006年海上实验
11
海洋中的声速变化
海洋中声速的垂直分层性质
c x , y , z c z
声速梯度
dc gc aT gT aS g S aP g P dz
1. 温度变化1度，声速变化约4m/s
2. 盐度变化1‰ ，声速变化约1m/s
3. 压力变化1个大气压，声速变化约0.2m/s
College of Underwater Acoustic Engineering
12
海中声速的基本结构
Caution： 在主跃变层 和深海等温 层之间，有 一声速极小 值—声道轴
典型深海声速剖面
College of Underwater Acoustic Engineering 13
温度垂直分布的“三层结构”： 表面层（表面等温层或混合层）：海洋表面受 到阳光照射，水温较高，但又受到风雨搅拌作 用。 季节跃变层：在表面层之下，特征是负温度梯 度或声速梯度，此梯度随季节而异。夏、秋季 节，跃变层明显；冬、春（北冰洋）季节，跃 变层与表面层合并在一起。 主跃变层：温度随深度巨变的层，特征是负的 温度梯度或声速梯度，季节对它的影响微弱。 深海等温层：在深海内部，水温比较低而且稳 定，特征是正声速梯度。
声速经验公式（了解） 海洋中声速的变化（重点） 传播衰减概述（重点） 纯水和海水的超吸收（重点） 非均匀液体中的声衰减（了解）
College of Underwater Acoustic Engineering
4
1．海水中的声速
Βιβλιοθήκη 声速(Sound Speed)：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 流体介质中，声波为弹性纵波，声速为：
常识：一艘驱逐舰以15节航速航行将产生500m长
的尾流，8kHz衰减系数为0.8dB/m，40kHz衰减 系数为1.8dB/m。1节＝1海里/小时＝0.515米/秒 （1海里＝1852米）。
College of Underwater Acoustic Engineering
31
本讲思考题
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。 声波在海水中传播时其声强会逐渐减少。（1）说 明原因；（2）解释什么叫物理衰减？什么叫几何 衰减？（3）写出海洋中声传播损失的常用TL表 达式，并指明哪项反映的主要是几何衰减，哪项 反映的主要是物理衰减；（4）试给出三种不同海 洋环境下的几何衰减的TL表达式。 声呐A，B有相等的声源级，但声呐A工作频率fA 高于声呐B工作频率fB,问哪台声呐作用距离远， 说明原因。
College of Underwater Acoustic Engineering 20
声速分布分类
右图为反声道声速分布，特 点： •声速随深度单调下降。 形成原因： •海洋上部的海水受到太阳 强烈照射的结果。
第三类
反声道声速分布
College of Underwater Acoustic Engineering
College of Underwater Acoustic Engineering 28
纯水的超吸收
实际吸收系数的测量值远大于经典吸收系 数理论值，两者差值称为超吸收
纯水声吸收系数
College of Underwater Acoustic Engineering 29
海水的超吸收
Caution：
扩展损失
I 1 TL 10 lg 20 lg r I r
College of Underwater Acoustic Engineering
dB
24
扩展损失的一般形式
TL n 10 lg r
dB
n=0：适用管道中的声传播，平面波传播， TL=0； n=1：适用表面声道和深海声道，柱面波传播， TL=10logr，相当于全反射海底和全反射海面组 成的理想波导中的传播条件； n=1.5：适用计及海底声吸收时的浅海声传播 ， TL=15logr，相当于计入界面声吸收所引起的对 柱面波的传播损失的修正； n=2：适用于开阔水域（自由场），球面波传 播，TL=20logr；
21
声速分布分类
右图为浅海常见声速分布，特点： •声速随深度单调下降。 形成原因： •海洋上部的海水受到太阳强 烈照射的结果。 图（ d ）与图（ e ）不同之处： •后者是浅海中的负梯度分布， 需计入海底对声传播的影响。
第四类 浅海常见声速分布
College of Underwater Acoustic Engineering 22
College of Underwater Acoustic Engineering 16
浅海温度剖面
浅海温度剖面分布具有明显的季节特征：
•冬季，大多属于等温层的声速剖面； •夏季为负跃变层声速梯度剖面。
College of Underwater Acoustic Engineering 17
海水温度的起伏变化
College of Underwater Acoustic Engineering 14
温度的季节变化、日变化和纬度变化
季节变化 近百慕大海区温度随月份的变化情况
College of Underwater Acoustic Engineering 15
温度日变化和纬度变化
说明：温度的季节变化和日变化主要发生在海洋上层
7
声速测量
声速剖面仪SVP—— Sound Velocity Profile 温盐深测量仪CTD— Conductivity, Temperature, Depth 抛弃式温度测量仪 XBT —— eXpendable BathyThermograph
College of Underwater Acoustic Engineering