水声学第一章 声纳方程讲解学习
《水声学》学习指南
学习指南（1）重点、难点分析水声学课程具有很强的理论性，同时也具备较强的工程性。
理论内容是为解决工程实际问题服务的，而工程实际问题反过来又可以指导理论模型的建立，两部分相辅相成。
水声学课程的难点主要在于其理论的复杂性和工程的抽象性。
研究课程内容可知，声纳方程是该课程的主线，课程各章节与声纳参数是一一对应的，为了能真正理解声纳方程，并使用声纳方程进行声纳设备的设计或性能预报，解决工程实际问题，必须对每一个声纳参数所隐含的基本物理概念、物理机理有所理解和认识，课程的重点内容包括以下几个模块：●声纳系统和声纳参数的概念及物理含义。
该模块从概念的角度描述声纳方程，是理解声纳方程、应用声纳方程的前提；●海洋环境的声学特性。
它影响声波的传播规律，从而影响声纳设备的工作性能。
了解海洋环境的声学特性是后面声传播规律研究的基础；●声场建模理论和典型信道中的声传播规律。
该模块主要介绍声场建模的两种基本理论以及对典型信道中声传播规律的物理解释，具有非常强的理论性，同时又具备一定的工程性，因此成为课程的难点。
该部分也是声纳工作环境中声传播规律研究的基础，是声纳设备的设计和性能预报不可跨越的鸿沟，对后续研究生课程《水声传播原理》的学习将有直接的影响，成为课程的核心内容之一；●声波在目标上的反射和散射。
该模块阐述了水下目标对声波的散射能力（即目标强度），以及目标散射信号的组成及形成机理（即目标回波特性）。
目标强度的大小决定了该目标能否用声纳进行探测。
目标回波特性决定了声纳信号处理中回波特征提取和识别的问题。
复杂目标的声散射极其复杂，因此其计算和特性分析也具有一定难度；●海洋混响。
该模块介绍了混响强度预报的一种基本理论，是理解混响的形成机理、混响的特征、混响抑制的基本方法的基础，具有较强的理论性；●水下噪声。
该模块主要介绍海洋环境噪声、舰船自噪声和辐射噪声的噪声源和噪声谱，以及描述噪声强弱的谱级和噪声级；●课程的理论体系如下图所示。
水声学原理PPT 第一章1
2、波动方程导出
运动方程： p ， u 由连立三个方程 连续性方程： u , 状态方程： p ，
② 思路：
p
2
1 p
2
c t
2
2
波动方程
2013-7-17
第一章 声学基础
24
2、波动方程导出
③ 运动方程:(连续介质中的牛顿第二运动定律)
在连续介质中，有声波作用时，各处压缩是不同的，因此各点压强不等，取介 质中任意一小体积元素看，各面受力不平衡，可以建立该体积元的运动方程式。
声波就是质点运动的传播。质点运动或流体运动制 约于物质守恒定律和牛顿定律，这是声波的基础。
2013-7-17 第一章 声学基础 6
1、声学基础知识
① 声波的基本原理
声波频段的划分：(根据人耳的听觉，划分为三个频段)
• 20Hz以下的振动称为次声
• 高于20kHz的振动称为超声 • 20Hz至20kHz的声振称为音频声
2013-7-17 第一章 声学基础 3
1、声学基础知识
① 声波的基本原理
声波的物理本质 ：声波是弹性介质(气体、液体和固 体)中传播的一种(或多种)机械扰动(振动)(变化)(如 压力、应力、质点位移、质点速度的扰动)。
2013-7-17
第一章 声学基础
4
1、声学基础知识
① 声波的基本原理
质点：在弹性介质中，分子以很大速度做随机运动， 在运动中产生随机碰撞，不可能跟踪每个分子的运动。 因此提到质点运动，不是谈个别分子的运动，而是指 若干分子的平均运动。声学中的质点就是这个“集 体”。质点尺寸比分子间距大得多（高几个数量级）， 但是比试验中遇到的物体又小得多（低几个数量级）。 质点理学的质点与数学中的点不同。质点是连续流体 中的一个点，静止，在受力时可以运动
华北理工水声学课件00绪论
海洋也是世界军事争斗的主要战场
战争的演变，由陆到海，由海到陆，现在是以海为主。航母， 巡航弹，精确制导武器等应用改变了战争的模式。海上军事 力量成为军力的主要标志。
海上力量的战斗力的基础是生存能力，海上作战的最有效的 武器，经过两次世界大战证明，一是潜艇，二是鱼雷。尤其 是现在的配备了核打击力量的安静型核动力潜艇、安静型潜 艇配备智能鱼雷，成为水面舰艇和地面目标的最主要的威胁。
第1章 声学基础
第一讲 绪论
第1章 绪论 水声学概述
课程简介 水声学的基本内涵 水声学的发展简史 水声学的主要研究内容 水声的主要应用 本课程的主要内容
本讲主要内容
水声学概述（了解） 主动声呐方程及其各参数的概念、物理意义
（重、难点） ； 被动声呐方程及其各参数的概念、物理意义
大西洋潜艇战役片断
一、 水声学的基本内涵
海洋是人类生命的摇篮 生命的源泉，生命的起源，科学探索，深海生命现象
海洋是人类赖以生存的宝库 海洋资源之多少？几乎人类生存所需要的一切资源，食品、能 源、矿物、金属、石油、天然气….. 探测？勘探方法？开采？
海洋是人类生存和发展的主要空间 海洋环境的恶化加剧，海洋灾害频繁 海洋环境监测？
水声对抗技术
在军事上，对抗水下声探测、定位、导航和通信的技术措 施与手段
水声工程
水声技术和对抗技术的工程目标实现
二、 水声学发展简史
水声学的早期研究可以追溯很遥远，因为水声 学毕竟是声学的一个重要分支
水声学的诞生需要许多条件，一是需求，二是 基础。
美国俄亥俄级核动力导弹潜艇
鱼雷和水雷
是目前水下作战的主要兵器
鱼雷多种多样
第1章声呐及声呐方程
6
1.2 声呐参数
声呐参数 将影响声呐设备工作的因素称为声呐参数。
1、阐述声呐参数定义、物理意义； 2、推导声呐方程。
水声学
第1章声呐及声呐方程
7
1.2 声呐参数
主动声呐
声源级SL 指向性指数DIT 传播损失TL 目标强度TS 传播损失TL 指向性指数DIR 噪声级NL 等效平面波混响级RL 检测阈DT
的源回级声与信噪号声的背声景级干。扰级之差。
噪声掩蔽级：NL-DI+DT工作在噪声干扰中的声呐设 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呐设备 正常工作所需的最低信号级。
回声余量：SL-2TL+TS-（NL-DI+DT）主动声呐回声
级超过噪声掩蔽级的数量。
优质因数：SL-（NL-DI+DT）对于被动声呐，该量规
I0
水声学
第1章声呐及声呐方程
20
1.2 声呐参数
7、接收指向性指数DIR（Directivity Index）
无指向性水听器产生的噪声功率 DIR 10lg 指向性水听器产生的噪声功率
物理含义：接收系统抑制背景噪声的能力。
注意：指向性水听器的轴向灵敏度等于无指向性水听 器的灵敏度。
水声学
第1章声呐及声呐方程
• 被动声呐： – 通过接收被探测目标辐射噪声实现目标探测（SL）； – 传播路径：单程（TL）； – 背景干扰：环境噪声（NL）。
水声学
第1章声呐及声呐方程
5
1.1 声呐及其工作方式
主、被动声呐工作信息流程基本组成？
1、海水介质 2、被探测目标 3、声呐设备
声呐工作信息流程三个基本环节
基础理论知识：声呐、声呐参数及声呐方程
基础理论知识：声呐、声呐参数及声呐方程来源：整理自哈尔滨工程大学《声呐及声呐方程》讲义一、声纳及其工作方式声呐（Sonar—Sound Navigation and Ranging）：利用水下声信息进行探测、识别、定位、导航和通讯系统。
声呐分类：按照工作方式分类：主动声呐和被动声呐主动声呐信息流程：被动声呐（噪音声呐站）信息流程：主被动声呐有何区别？主动声呐：•声源：通过接收目标回波实现目标探测（SL、TS）；•传播路径：双程（2TL）；•背景干扰：环境噪声和混响（NL、RL）。
被动声呐：•声源：通过接收目标辐射噪声实现目标探测（SL）；•传播路径：单程（TL）；•背景干扰：环境噪声（NL）。
主、被动声呐工作信息流程基本组成？•海水介质•被探测目标•声呐设备二、声纳参数声呐参数：将影响声呐设备工作的因素称为声呐参数。
主动声呐的相关参数包括：•声源级SL•指向性指数DIT•传播损失TL•目标强度TS•传播损失TL•指向性指数DIR•噪声级NL•等效平面波混响级RL •检测阈DT被动声呐的相关参数包括：•声源级SL•传播损失TL•指向性指数DIR•噪声级NL•检测阈DT1. 主动声呐声源级SL（Source Level）描述主动声呐所发射声信号的强弱：I为发射器声轴方向上离声源声中心1米处的声强；I0为参考声强(均方根声压为1微帕平面波对应声强)；声源级反映了发射器辐射声功率的大小。
如何提高主动声呐作用距离？•将发射器做成具有一定的发射指向性；•解释原因：它可以提高辐射信号的强度，相应也提高回声信号强度，增加接收信号的信噪比，从而增加声呐的作用距离。
发射指向性指数DIT（Directivity Index）物理含义：•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；•DIT越大，声能在声轴方向集中的程度越高；就有利于增加声呐的作用距离。
声源级与声功率的关系假设：•介质无声吸收；•声源为点源；•辐射声功率为Pa(W)距离声源声中心1米处声强：无指向性声源辐射声功率与声源级的关系：有指向性声源辐射声功率与声源级的关系：常识：船用声呐Pa为几百瓦～几千瓦，DIT为10～30dB，SL约为210～240dB。
水声学
用于辨别水下地形以及处在明处的水面舰艇或敌方潜 艇，相当于潜艇的耳朵，工作原理是利用灵敏的接收 系统来收集环境中的声音，分辨出声音的出处和具体 声源。
主动声纳例子：
被动声纳：
换能器（声能-----电能）
2. 水声的产生
3. 水下声音的传播（1来自. 扩散定律（2）吸收
（3）扩散和吸收的损失
4. 声速随水深的变化
1、声速(soundspeed)：是温、盐和压的函数 2、声速与温、盐、压关系 1)与温度关系：随温度升高而增大，温度升高1摄氏度
声速的变化是原来的35%，设C=1450m/s，则声速将增 大5m/s。 2)与盐度关系：随盐度增加而增大，盐度增加1，声速 值增加1.14m/s。 3)与压力关系：静压力增加，声速值增加。海水深度 变化100m，声速增量为1.75m/s。 由上可见，声波在水下传播随温、盐、压的增大而增 大其中温度影响最显著，其次是压力，通常盐度的变 化多忽略，除非极特殊海区
5. 水声学应用
（1）水下地震探测
（2）海底石油及地形
1. 水声学基础
平面波的声压与粒子速度关系：
1. 声纳方程
主动声呐：与被动声纳相反，利用声纳系统发出超声
波，类似于蝙蝠和海豚，声波遇到海水以外的物体会 反射，被接收器接收后分析，搜索范围与灵敏度远高 于被动声呐，可用于搜索探测远距离的船只、海底底 地形、甚至是处在停车状态下的潜艇，但发出的探索 声波很容易被敌方反侦系统发现而暴露自己，一般是 在围剿敌方潜艇或探索海底地形时使用。
第1章声呐及声呐方程ppt课件
DIT
10lg ID IND
物理含义： 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 利于增加声呐的作用距离。
水声学
.
第1章声呐及声呐方程
12
1.2 声呐参数
声源级与声功率的关系
假设： 1、介质无声吸收； 2、声源为点源； 3、辐射声功率为Pa(W)
水声学
.
第1章声呐及声呐方程
16
1.2 声呐参数
4、目标强度TS（Target Strength）
定量描述目标反射本领的大小 ：
TS 10 lg Ir
Q
Ii r1
P
C目 标
1m
Ir
常识：目标反射本领有差异。 （1）不同目标回波不一样； （2）回波与入射波特性（频率、波阵面形状）和目标特性 （几何形状、材料等）有关。
.
第1章声呐及声呐方程
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1.1 声呐及其工作方式
被动声呐（噪音声呐站）信息流程：
水声学
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第1章声呐及声呐方程
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1.1 声呐及其工作方式
主被动声呐有何区别？
• 主动声呐： – 声源：通过接收目标回波实现目标探测（SL、TS）； – 传播路径：双程（2TL）； – 背景干扰：环境噪声和混响（NL、RL）。
水声学
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第1章声呐及声呐方程
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1.2 声呐参数
简单几何形状换能器指向性：
水声学
.
第1章声呐及声呐方程
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1.2 声呐参数
8、检测阈DT（Detection Threshold）
常识：声呐设备接收器接收声呐信号和背景噪声，两部分的比 值（信噪比）即接收带宽内的信号功率与工作带宽内（或1Hz 带宽内）的噪声功率之比，它影响设备的工作质量，比值越高， 设备就能正常工作，“判决”就越可信。
水声学-声学基础
， DIT
ID I ND
指向性声源的轴向声强：
ID DIT I ND DIT Pa / 4
声源级：
SL
10 log
Pa
10
log
1
4I 0
DI T
College of Underwater Acoustic Engineering
HEU
9
一、声学基础知识
声波：机械振动状态在介质中传播形成的一种波动形式 分类：
HEU
4
0、第一章思考题
1、取下列声压作为参考级，1微帕声压的大小 为： （10-5达因/厘米2 =1微帕）
取参考声压为1微帕时，其大小为 0dB ；
取参考声压为0.0002达因/厘米2 时，其大小 为 -26dB ；
取参考声压为1达因/厘米2 时，其大小 为 -100dB ；
College of Underwater Acoustic Engineering
在介质2中：
pr
1c1
2c2
o
x
p2 Pt eitk2x
u2
Pt
2c2
e i t k2 x
College of Underwater Acoustic Engineering
HEU
26
六、平面波在界面上的反射和折射
6.1 垂直入射
边界条件
界面上声压连续： p1 x , t x0 p2 x , t x0
HEU
10
一、声学基础知识
声速：振动在介质中传播有时间滞后，即声波在介质中传 播有一定速度，称为声速
声场：声波所及的区域
声压：由于声波扰动引起介质质点压强的变化，这种变化
量称为声压： p P P0
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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：声强级：
SIL 1l0oIIg 01l0o6 6g ..6 6 7 71 1 0 0 1 19 54d0B
19
11
第三章 海洋中的声传播理论
硬底均匀浅海声场的简正波求解
波动方程导出的基本过程 定解条件 分离变量法求解波动方程的基本过程 本征值与本征函数 临界频率与截止频率 相速与群速 声传播损失的特征
12
第三章 海洋中的声传播理论
液态海底均匀浅海声场的特点
声传播损失的特征
射线理论
基本方程的导出过程 应用条件
镜像法的概念 镜像法计算邻近海面点源声场的基本原理 邻近海面点源声场传播损失的特点
近场菲涅耳（Fresnel）干涉区 远场夫朗和费（Fraunhofer）区 过渡距离
10
第三章 海洋中的声传播理论
主要内容
硬底均匀浅海声场的简正波求解 液态海底均匀浅海声场的特点 射线理论 波动理论与射线理论对比
吸收损失
切变粘滞 热传导 驰豫
传播损失一般公式
TL=n*声学特性
海底反向散射强度
与入射角的关系 与频率的关系 与海底粗糙度的关系
海底声反射损失
与掠射角的关系
海底三参数模型
模型的描述 三个参数的计算
9
第二章 海洋的声学特性
“镜像法”声场计算
优缺点 适用条件
波动理论
射线理论
可以解得声场的解析解； 不易处理复杂边界条件；
只能解得声场的近似解； 易于处理复杂边界条件；
易于加入源函数；
物理意义简单直观；
计算复杂；
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
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
声压振幅相对变化远小于1 声速相对变化远小于1
声线轨迹计算
恒定声速梯度模型 典型声线绘制
13
第三章 海洋中的声传播理论
射线理论
声线水平传播距离计算
恒定声速梯度模型 水平分层介质模型
声线传播时间计算
恒定声速梯度模型 水平分层介质模型
14
第三章 海洋中的声传播理论
波动理论与射线理论对比
作业点评
第一章
发射换能器发射40kW的声功率，且方向性指数为
15dB，其声源级SL为多少？
解：声源级定义： SL10log I
I0
无指向性声源的声强：I ND
Pa
4
设指向性声源的轴向声强为： I D
20
作业点评
第一章
发射换能器发射40kW的声功率，且方向性指数为
15dB，其声源级SL为多少？
期末总结
总复习
1
第一章 声纳方程
主要内容
主动声纳方程及其各参数的概念、物理意义 被动声纳方程及其各参数的概念、物理意义 主被动声纳方程的工程应用
2
第一章 声纳方程
主动声纳方程 SL - 2TL + TS -（NL - DI）=DT
声源级
目标强度 接收指向性指数
传播损失 海洋环境噪声级 检测阈 等效平面波混响级
6
第二章 海洋的声学特性
海水中声速的典型结构
深海声道声速分布 表面声道声速分布 反声道声速分布 浅海常见声速分布
声传播衰减
导致衰减的原因
几何扩展 吸收 散射
7
第二章 海洋的声学特性
声传播损失
常见声波的扩展损失
平面波，TL=0 柱面波，TL=10logR 球面波，TL=20logR
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？
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 要干扰。如下图，rR rn 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
rR rn
距离r
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：
Ipc2(1 10 0 0 0 110 06 5)200 6.67 1 015W/m2
解：又：
DTI1l0oD g IT ， DIT
ID I ND
指向性声源的轴向声强：
ID D IT IN D D IT P a/4 声源级： SL 10 loP ga10 lo4g1I0DTI
21
作业点评
第二章
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。
答：2）物理衰减是指声波的机械能转变成其它形 式的能量引起的声波衰减。几何衰减是指声波传播 中波阵面扩张引起声强减少。
23
作业点评
第二章
SL-2TL+TS-RL=DT
3
第一章 声纳方程
两个主动声纳方程的区别
SL - 2TL + TS -（NL - DI）=DT SL-2TL+TS-RL=DT
噪声掩蔽级I，Rr<Rn 噪声掩蔽级II，Rn<Rr
4
第二章 海洋的声学特性
主要内容
海水中声速的典型结构 声传播衰减 海底反向散射强度 海底声反射损失 海底三参数模型 “镜像法”声场计算
答：1）声波传播时强度衰减原因：声波在传播过 程中，波阵面逐渐扩展；海水介质的吸收和海水介 质中不均匀性的散射。
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作业点评
第二章
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。