水声学原理第四章4
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-海洋中的声传播理论1
HEU
9
三、声线水平传播距离
任意声速分布下声线经过的水平距离：
x
dx
z1
z1 tg z
d
z
cos1
z z1
1 dz
n2zco2 s1
① ：声线经过反转点后，水平距离为多少？
X xcos1 zz1
1
dz
n2zco2s1
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线性声速分层近似下的声线图 各层水平传播距离：
xi (zizi1)/ta1 2 nii1
声线总传播距离：
xN i 0 1 x iN i 0 1(zi zi 1 )/ta 1 2 nii 1
：根据 xi和 zi 可以描绘声线轨迹，它是不同曲率圆弧 的组合。
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HEU
11
三、声线水平传播距离
恒定声速梯度下声线的水平距离：
c(z) O
z
z
z1
1 x
R1 1
x 1
z
z
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HEU
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三、声线水平传播距离
恒定声速梯度下声线的水平距离：
已知掠射角时：
xR1sin1sinz
O
z
X
O 1
x
R
1
轨迹方程
xta g 12z1 a2ac1o1s2
O(x1, z1) z
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HEU
水声学复习提要
rR rn
距离r
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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：
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
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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
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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？
水声学原理4
温度的季节变化, 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
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温度日变化和 温度日变化和纬度变化 日变化
18
声速分布分类( 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: 速分布,特点: 在某一深度处有一 在某一深度处有一 声速最小值. 声速最小值. 两图不同之处: 两图不同之处: 两图不同之处 图(a)表面声速小 图 )表面声速小 第一类 深海声道声速分布 海底声速; 于海底声速; 图(b)表面声速大 图 )表面声速大 海底声速. 于海底声速.
College of Underwater Acoustic Engineering 23
扩展损失 简谐平面波声压 p = p 0 exp[i (ωt kx )]
没有扩展损失
I (1) TL = 10 lg =0 I (x )
(dB )
简谐球面波声压
扩展损失
p0 p= exp[i(ωt kr )] r
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海水温度的起伏变化 温度起伏的原因多种多样: 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 声传播起伏的原因之一
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温度垂直分布的"三层结构" 温度垂直分布的"三层结构": 垂直分布的 表面层(表面等温层或混合层): 等温层或混合层):海洋表面受 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, 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 季节跃变层:在表面层之下,特征是负温度梯 或声速梯度,此梯度随季节而异. 度或声速梯度,此梯度随季节而异.夏,秋季 跃变层明显; 北冰洋)季节, 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. 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 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. 梯度或声速梯度 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, 深海等温层:在深海内部,水温比较低而且稳 特征是正声速梯度 正声速梯度. 定,特征是正声速梯度.
水声学原理
e
jk
r r
dS
2
r r
S
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轴线上声压变化
注意：轴线声压随距离起伏变化，呈现很强的相干效应。
远场声压
pr
,
, t
j
k0cu a a 2
2r
2
J1 ka sin
kasin
e
j
t
kr
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。
12
方向性因子和方向性指数
R
k
2a2
1
2 J1 2k
2k a
a
1
DI T
20 lgka
20
lg
2a
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4、声波的接收方向特性
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：
L
3dB
2 arcsin 0.42
L
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8
注意：连续直线阵永远不会出现栅瓣。
方向性因子：
R
2
D 2 cosd
2
kL 2sin kL 4 cos kL
0
kL kL
kL3
R 2L
和方向性函数： DI T
10 lg 2L
-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。
水声学-海洋中的声传播理论2
2
均为实数时， 当 Z n 和 ζ n 均为实数时，上式等于 N 2π 2 2 TL = −10 lg ∑ Z n (z0 )Z n ( z ) + ζ r n =1 n
n≠ m
∑r
N
4π
ζ nζ m
Z n (z0 )Z n ( z )Z m ( z0 )Z m ( z )e
− j (ζ n −ζ m )r
∑
n =1
N
− j ζ nr − 2π sin (k zn z )sin (k zn z0 )e 4 ζ nr
π
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4
一、波动声学基础
硬底均匀浅海声场 截止频率： 截止频率： 临界频率： 临界频率：最高阶非衰减简正波的传播频率
nπ k zn = , n = 0,1, L H
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0≤ z≤H
一、波动声学基础
硬底均匀浅海声场 相速和群速： 相速和群速： 相速： 相速：等相位面的传播速度 等相位面： 等相位面：ζ n r − ωt = const
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1 πc0 ωN = N − 2 H
一、波动声学基础
硬底均匀浅海声场 截止频率： 截止频率： 对于上下界面均为绝对硬界面的平面波导 绝对硬界面的平面波导， 对于上下界面均为绝对硬界面的平面波导，最低阶 简正波为零阶简正波，截止频率为零 简正波为零阶简正波，截止频率为零，任何频率的 声波均能在波导中传播； 声波均能在波导中传播； 若声波频率小于一阶简正波的截止频率， 一阶简正波的截止频率 若声波频率小于一阶简正波的截止频率，则波导中 只有均匀平面波 均匀平面波一种行波 只有均匀平面波一种行波 Z n ( z ) = An sin (k zn z ) + Bn cos(k zn z )
4.2.6深海负梯度和负跃层 - 基于射线声学的信道多途分析及信道冲击响应计算仿真程序
%信道多途结构分析与信道冲击响应计算%对应水声学原理第四章4.5.3节的部分内容clear allclose allclc;c=1500; %声速ff=0.1;%频率分辨力f=1:ff:1000;%声源频率N=length(f);w=2*pi*f;%角频率k=w/c; %波数z0=100; %声源深度z=100;%接收深度H=200; %波导深度L=2000; %水平最远距离x=1000; %接收点水平位置m=25; %反射次数Hf=zeros(1,length(f));%初始化for n=0:1:mzn1=(2*H*n+z0-z); %四条本征声线zn2=(2*H*(n+1)-z0-z);zn3=(2*H*n+z0+z);zn4=(2*H*(n+1)-z0+z);r1=sqrt(x.^2+zn1.^2);r2=sqrt(x.^2+zn2.^2);r3=sqrt(x.^2+zn3.^2);r4=sqrt(x.^2+zn4.^2);t1=r1/c;t2=r2/c;t3=r3/c;t4=r4/c;Hf=Hf+1/r1*exp(-j*w*t1)+1/r1*exp(-j*w*t1)+1/r1*exp(-j*w*t1)+1/r1*exp(-j*w*t1); endHF=real(Hf);plot(f,HF);title('相干多途信道幅度频率特性曲线')xlabel('频率/Hz')ylabel('幅度')Pf=angle(Hf);%相频特性figureplot(f,Pf);title('相干多途信道相位频率特性曲线')xlabel('频率/Hz')ylabel('相角/弧度')ht=abs(ifft(Hf));dt=1/N/ff;t=(0:dt:(N-1)*dt);figureplot(t,ht);title('相干多途信道冲击响应函数') xlabel('时间/s')ylabel('幅度')。
(整理)《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。
声信号级噪声掩蔽级R6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。
CCC2 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。
（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。
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c
c0
x
0 0
0 0
z
z
负梯度下声线弯曲
正梯度下声线弯曲
Snell折射定律和声线弯曲
常数的概念：
对于某条声线，它是常数，不同的声线，其常数 不一定相同。 几何意义：
声线总是向声速减小的方向弯曲。 应用——声线相关参数的求解：
声线曲率半径； 声线轨迹方程； 声线传播距离； 声线传播时间。
N 1
xi
i
sin i 1
聚焦因子
定义：不均匀介质中声强 I x , z 与均匀介质中的声 强 I 0（球面波扩展声强）之比。
x cos 0 I x , z F x , z I0 x sin 0
物理含义 F x , z ：说明了声能相对会集程度 F x , z 1 ：说明射线管束的发散程度大于球面波 的发散 F x , z 1：说明射线管束发散小于球面波的发散
x
0
单层线性分层介质
cz1 x 1 sin 0 sin cos 0 cos 2 0 0 g cos 0
声强度
单层线性分层介质
W cos 2 0 I x , z x2 多层线性分层介质
cz1 x R1 sin1 sin z sin1 sin z cos 1 g
O
通常情况下已知的是声线 经过的垂直距离，因此， ④水平距离的另一种形式为：
1 (
2
x
z
z
z1
x
1 1
(1 )
2
)
z
R1
1
1 x ( z1 z ) / tg 1 z 2
声线轨迹
声线轨迹方程
c( z )
声速分布： c c0 1 az 相对梯度： a 1 dc (m 1 )
c0 dz
绝对梯度：
dc 1 g c0 a ( s ) dz
z
声速剖面
声线轨迹
声线轨迹方程 曲率半径
d cos dc R 1 1 ds c dz
O
声线传播时间
传播时间最基本表达式①：
ds t c
dz z1 c z sin z
z
根据Snell定律，传播时间的一般计算式②：
1 t cz1
z
n 2 z dz
z1
n 2 z cos 2 1
当声速梯度为恒定值时，根据Snell定律有：
cz1 sin dz d g cos 1
2
2
2
R
1
O ( x1 , z1 )
z
声线轨迹
声线水平传播距离 ①任意声速分布下声线经过的水平距离：
c( z )
z
O
x
z
1
x
dx
dz
z1
z
z
声线轨迹
声线水平传播距离 ①任意声速分布下声线经过的水平距离：
x dx
z
z1
tg z
1
dz cos 1
z
1 n 2 z cos 2 1
2
z1
dz
z
z
1
x
z 2
1 n z 1
z1
z
dz
x1
x
x2
注意：反转点处的掠射角为零！
z
声线轨迹
声线水平传播距离 ③当梯度为恒定值时，声线轨迹为圆弧，则水平距离：
c( z )
z
O
x
z
z1
x
1 1
R1
1
z
z
声线轨迹
声线水平传播距离 ③当梯度为恒定值时，声线轨迹为圆弧，则水平距离：
z1
dz
问题：声线经过反转点后，水平距离为多少？
x cos1
z
1 n 2 z cos2 1
z1
dz
X
声线轨迹
声线水平传播距离 ②声线经过反转点 z ，z 将是 x 的多值函数，此时水平 距离为：
O
x
x cos1
z 2
1 n z cos 1
波动理论 射线理论
只能给出声场声压的近似
可以给出声场声压的解析
解；
不易处理复杂边界条件； 易于加入源函数； 计算复杂； 适用于低频远距离浅海。
解；
易于处理复杂边界条件； 物理意义简单直观； 不能处理影区和焦散区附
近的声场；
适用于高频近距离深海。
本讲作业:
声线弯曲满足的基本条件是什么？并定性说明 它们之间的规律。 海水中声速值从海面的1500m/s线性减小到 100m深处的1450m/s。求（1）速度梯度； （2）从海表面水平出射的声线达到100m深处 时，水平传播距离为多少？（3）上述声线在 100m深处的掠射角是多少？
N 1
N 1
说明：根据 xi 和 z i 可以描绘声线轨迹，它是不同 曲率圆弧的组合。
线性分层介质中的声线图
四种不同类型声速分布下的声线轨迹
声强度
射线声学计算声强的基本公式：
W cos 0 I x , z x x sin 0
此时需计算水平距离对声源处声线的掠射角的导数
N 1 N 1 x sin 0 xi x i 0 i0 0 i 0 cos 0 sin i sin i 1
I x , z
W cos 0 sin 0 x sin cos 0
sin
i 0
声线轨迹
声线水平传播距离 ①式为求声线水平传播距离的基本公式 ②式为经反转后声线水平传播距离的求解公式 ③式为恒定梯度下求声线水平传播距离的公式 ④式为恒定梯度下求声线水平传播距离的又一形 式
当声线经过反转点 z1时，水平传播距离公式③可写 为： cz1 x sin1 sin z cos 1 g
第四章 海洋中的声传播理论
第十讲 分层介质中的射线声学
本讲主要内容
Snell折射定律和声线弯曲 声线轨迹 声线传播时间 线性分层介质中的声线图 声强度 聚焦因子 波动理论与射线理论的比较 （补充内容）
Snell折射定律和声线弯曲
折射定律 声线弯曲
cc0来自cos cos 0 常数 c c0
0 0
x
①声线在海面处以掠射角 0 0出射， 声线的轨迹方程：
R
1 1 x z 2 a a
2
z
2
O ( x0 , z0 )
声线轨迹
声线轨迹方程 ②声线在海面处以任意掠射角 1 出射，声线的轨迹方程：
O
x
1
tg1 1 1 x z a a a cos 1
z
线性分层介质中的声线图
线性声速分层近似下的声线图 各水平层的传播距离：
1 xi ( zi zi 1 ) / tan i i 1 2
声线总传播距离：
1 x xi ( zi zi 1 ) / tan i i 1 2 i 0 i 0
聚焦因子
焦散线 当 x / 0 时，F x , z ，声强急剧增强，称 x 0 为焦散点，射线声学不再适用。射线族上满足 点的包络称为焦散线。 c o o x
0
0
A
z
z
A
（a）声速剖面；（b）射线族的包络线—焦散线
波动理论与射线理论对比
本讲作业:
某浅海海域水深40m，海面、海底都是平面。 声源深度10m，声速梯度为常数，海面声速为 1500m/s，海底处为1480m/s。试计算并画出 自声源沿水平方向发出的声线的轨迹，到第二 次从海底反射为止。 聚集因子F是如何定义的，它有什么物理意义？ 举出二个F>1的场合。
声线传播时间
传播时间的另一种表达式③：
1 t g
d 1 cos
① 式为求传播时间的基本公式 ② 式是对深度进行积分的求解公式 ③ 式是对掠射角进行积分的求解公式
线性分层介质中的声线图
线性声速分层近似下的声线图
c0
c x
0
ci ( z )
zi
gi
i
xi
x
i 1