第一章声在海洋中的应用

• 统计方法
– 将多径中的时延（相移）看作随机的（非相 干）
– 使用简单 – 与许多实际测量结果相符 – 直到1975年更受欢迎
• 回归到确定性方法（1975年-今）
– 声呐具备了高分辨能力 – 大型基阵及最佳阵处理方法可控制对海洋的
探测角域 – 大的带宽可对信号进行短时窗相干处理 – 可将海洋的传播路径区分开
声音在水中比它在空 气中的传播速度几乎快 五倍！
• 空气中 – 电磁波： 3108 米/秒
– 声波： 340 米/秒
• 水中
– 声波： 1500 米/秒
• 典型地
– 作用距离： 1m — 20000km
– 工作频段： 1Hz — 1MHz
– 对应波长：1.5km — 1.5mm
海水对声音是“透明”的
– 高频、短程（与海深可比拟或更小） – 三维反平方律传播关系
• 低频声呐
– 适应远距离传播要求 – 三维问题变到二维（海洋边界） – 反平方律关系变为距离反比关系 – 距离无关声场模型广泛使用
分析方法
• 确定性方法
– 在短距离3D传播中相对简单 – 用于长距离2D传播较复杂
• 多径传播 • 时间延迟
• 信号处理设计、实现、显示不同
– 共同之处：
• 基阵构造 • 信号调理
• 海洋结构声学
– 研究内容
• 漂浮或悬浮结构的弹性波，及其与水中声波的相 互作用
– 困难及重要性
• 实际感兴趣的结构通常都相当大，并且几何结构 复杂，所以会含有各种弹性波类型在结构不连续 处相互作用，产生出非常复杂的总的弹性波场
SAX（Sediment Acoustics Experiment）
BOSS（Buried Object Scanning Sonar）
声纳的应用—探测潜艇
声纳就是利用声波对水下目标进行探测和定位的装置，是 水声学中应用最广泛、最重要的一种装置。
声纳的应用—绘制海底地貌
水下自主航行器
挪威 奥曼朗格(Ormen Lange ) 油气田的海底地貌图
方的深度。计算 5 时的相对拖尾长度。
3. 对第2题，若 / 2 ，证明相对拖尾长度
• 远距离（如测深） • 纲领性（如涡旋断层成像） • 快速（如海冰断裂过程）
– 对大面积监测、长时间采样、快速诊断有越来 越重要的意义
(Ocean Acoustical Metrology —Acoustical Oceanography)
• 海洋声学（Ocean Acoustics）
– 声系统受海洋特性的影响 – 研究内容：
* 回声定位仪也 称作声呐特别 是主动声呐）
* 回声定位仪广 泛地应用于军 事、商用中
应用举例（5）— Side Scan Sonar 侧(旁)扫声呐
• 当具有足够高的分辨率时，回声定位仪可 以用于成像。
• 目前由最好的系统（如侧扫声呐）提供的 图像都是相当粗糙的。
• 很多时候仍靠潜水员或载人潜器来直接识 别物体，或用光学探针以提供视觉线索。
– 不稳定性很强时，可以在很远的距离上探测到 – 即使相对较弱，也对附近的声呐系统有影响 – 相关学科：
• 流体力学、声学、海洋结构声学
水声学
• 近代声学的一个重要分支 • 主要研究携带有某种信息的声波在水中
的产生、传播和接收 • 包含水声物理和水声工程两个部分。
• 水声物理
– 从水声场的物理特性出发，主要研究海水介质及其 边界的声学特性，声波在海水介质中传播时所遵循 的规律，以及对水声设备的影响。
• 结构/水密度和声速差异不大，该复杂的结构波 与水中声场强耦合。如：舰船壳体散射的声与入 射信号在幅度，而且在时域特性上都不同。
相关学科：结构力学、声学
• 水动力声学（Hydroacoustics）
水动力噪声（Hydrodynamic Noise）
– 由任何不稳定流场产生
• 船只的螺旋桨 • 运动物体的湍流边界层 • 腔体上流产生的涡旋
• 声系统的设计、研制、内在规律， • 相关海洋特性的影响
– 目的：
• 探测敌方潜艇 • 为水下航行器导航 • 搜寻鱼群
– 基础知识与声海洋学相近：
• 都研究传播、散射等 • 本课程中不区分对待
– 涉及多个学科
• 与声海洋学的交叉学科 • 与声学及工程科学的交叉：信号处理
仪器设备 系统设计与优化
– 更恰当的名称： 声呐工程
声纳的应用——探测海底物体
侧扫声纳探测海底沉船
声纳的应用—水下考古
多波束声纳系统
杭州千岛湖水下古城全貌
声纳的应用—检查堤坝
人们还可通过侧扫声纳系统对湖堤的水下部分 进行定期检查，以防止堤的应用—区分鱼类
千姿百态的海洋
海洋——地球上最神秘的地方，辽阔深邃，美 丽富饶。在这片蓝色的世界里，无数的奥秘等待人 类科技的智慧去探索、发现。 海洋占地球表面总面 积的70%多，但是直到现在，我们对海底世界的了 解还比不上对月球表面的了解多。正如宇航学家凭 借着光，通过望远镜来探 索太空一样，海洋学家和 水声学家们正在用声音， 通过声纳来探索海洋内部 的秘密。
➢ 在水中进行测量和观察，至今还没有发现比声波更有效的手 段。
海洋中声传播的通道—水声信道
➢ 许多因素都会影响到声波在水下会传播多远，持续多长时 间。其中之一，海水颗粒会反射，分散和吸收某种频率的 声音。波长较长的低频声波由于可以穿过小颗粒，一般不 会因吸收或散射而减少，因而传播较远。
➢ 1943年，研究人员在巴哈马群岛引爆了有一磅炸药的水 下爆炸物，然后发现3000千米（2000海里）以外的西非 海岸的接收器很容易就探测到了爆炸声。在分析这一实验 的结果时，他们发现了一种声音通道，称之为深海声道。
SAR与SAS
（Synthetic Aperture Radar / Synthetic Aperture Sonar）
• 概念上一致，实现完全不同 • SAR：
• 成像效果、目标姿态判定 • 瞬时的空间图像
• SAS：
• 停留在如何消除工作平台的不稳定性上。 • 反映事件的渐进过程
海洋中的声
• 声呐时代初期（1910-1940）
➢ 在浩瀚的宇宙空间可以传播很远很远的光波，在海水中却传 播不了多远 。即使在最清澈的海水中，人们也只能看到十几 米到几十米内的物体。
➢ 电磁波在海水中也衰减太快，而且波长越短，损失越大，即 使用大功率的低频电磁波，也只能传播几十米。
➢ 声波在海水中的传播衰减要比电磁波小1000倍以上。在深海 声道中爆炸一个几公斤的炸弹，在两万公里外还可以收到信 号。低频的声波还可以穿透海底几千米的地层。
布放）通常需要更细节的信息，诸如海底的倾斜度 或起伏（粗糙度）。
• 高分辨深度仪
– 有非常窄的波束宽度，小的可以达3o； – 3o对于深海仍对应于相当大的区域； – 对于大陆架，则可以得到相当的海底细节。
应用举例（2）— Speedometers 速度计
• 通过测量海底回波中声频率的变化，可以 推知船只相对于海底的速度。
• 声呐检测（第九章）
– 实现对水下目标的探测 – ROC曲线
• 声呐设计（第九章）
– 设计原则 – 声呐方程
• 声波（第二章）
– 了解波动方程及其解 – 掌握密度、功率的线性及分贝表示 – 理解平整界面上的声反射和声透射
声呐系统的基本组成及工作原理
应用举例（1）— Depth Sounder （回声）测深仪
– 当前面临的挑战：
• 与改善声呐分辨率有关的更详尽的海洋知识
– 如粗糙海底的散射可能是非平稳过程
• 2D环境假设不成立时更有效的预测/解释工具
– 如在大陆架条件下的声场建模
– 声海洋学和海洋声学中使用的系统：
• 被动声呐 • 主动声呐
– 两者基本理论相近、但有区别
• 如主动声呐中的混响
– 两者的主要区别：
第一章 声在海洋中的应用
• 海洋中为什么使用声? • 水海洋中的声 • 水声学的子领域 • 水声学的主要研究课题 • 本书的内容安排
为什么使用声？
• 混浊和含盐的海水对光波和电磁波有很高的吸收 • 声波可以在水中长距离地传播
水中声传播速度的测定
1826 年 ， 斯 特 姆 敲 响 了 浸在水中的钟，他的同伴克 拉顿则用秒表记下了声音传 过日内瓦湖所用的时间长。 他们第一个测出了声音在水 中传播速度为1435米/秒。这 一测量值与现在公认的速度 只差3米。
利用声音来给海洋测体温
夏威夷 太平洋
声学监测网点
全球海面温度分布图
人们探测海洋的“耳朵”—声纳
➢ SONAR — SOund Navigation and Ranging 声音导航测距 ➢ 鲸鱼、海豚等海洋生物都是用声来探测和通信，它们具有天生的
“声纳系统”。 ➢ 很久以前，渔夫和海员就已经利用声音在水中的传播方式并使用
– 自噪声
• 测量水听器所安装船只产生的噪声 • 不希望有的噪声
• 发射指向性（第四章）
– 大的基阵更好地聚集能量 – 基阵的使用优化了声呐能量辐射
• 接收指向性（第四章）
– 由基本接收器构成基阵得到 – 基阵尺度比波长大（越大指向性越好） – 用低的旁瓣减弱环境噪声，从而改善性能
• 换能器
– 实现水下声压与电压之间的转换
• 传播中关心前向散射（第六章） • 主动声呐中关心反向散射（混响）（第八章）
• 目标强度（第五章）
– 人造结构
– 鱼和鱼群
• 噪声（第七章）
– 环境噪声
• 海表面波、行船、海洋湍流、地震等引起 • 对主、被动声呐都必须考虑
– 辐射噪声
• 舰船、潜艇、鱼雷是很好的水下声源 • 是被动声呐的目标信号
• 声速度仪不象深度仪那样常见，但也逐渐 被引入到商用之中。