《声纳原理》课程教学大纲
声纳工作原理
声纳工作原理声纳（Sonar）是一种利用声波进行探测和测距的技术。
它已广泛应用于水下通信、海洋探测、声呐定位和鱼群捕捞等领域。
本文将介绍声纳的工作原理及其应用。
一、声纳的原理声纳的工作原理基于声波在水中传播的特性。
声波是一种机械波，它通过振动介质传播能量。
声波在水中传播的速度大约为1500米/秒，远远快于在空气中传播的速度。
声纳系统由发送器和接收器组成。
发送器发出脉冲声波，接收器接收并分析返回的声波信号。
声纳系统通过测量声波的传播时间和幅度来判断目标的位置和性质。
当发送器发出脉冲声波时，它会在水中形成一个声波束。
这个声波束从发送器向四面八方扩散，当遇到障碍物时，一部分声波会被反射回来。
接收器会接收到这些反射回来的声波信号。
二、声纳的应用1. 水下通信声纳在水下通信中发挥着重要作用。
人类无法直接用肉眼观察水下环境，但通过声纳技术可以实现远程水下通信。
声纳信号可以在水中传播数百公里，能够与水下设备、潜艇和水下机器人进行可靠的通信。
2. 水下探测声纳可以用于水下探测和测量。
通过发送脉冲声波，声纳系统能够确定目标物体的距离和方位，并产生目标物体的声纳图像。
这对于海洋勘探、水下地质研究和海洋生态调查具有重要意义。
3. 声呐定位声呐定位是指使用声纳技术来确定目标物体的位置。
声纳系统可以通过测量声波的传播时间来计算目标物体的距离，并通过分析返回的声波信号来确定目标物体的方位。
4. 鱼群捕捞声纳广泛应用于渔业中的鱼群捕捞。
通过发送声波信号，声纳系统可以检测到鱼群的存在和位置，并帮助渔民选择合适的捕鱼区域和捕鱼工具，提高捕鱼效率。
三、声纳技术的发展趋势随着科技的不断进步，声纳技术也在不断创新和发展。
未来声纳技术将更加精确和高效。
1. 声纳的高分辨率高分辨率声纳系统将能够提供更清晰、更详细的声纳图像，从而实现对水下环境更准确的观测和探测。
2. 声纳的自动化和智能化声纳系统将更加自动化和智能化，通过采用先进的信号处理算法和人工智能技术，能够实现目标物体的自动识别和分类。
小学科学苏教版五年级下册第二单元第3课《海豚和声呐》说课稿3
小学科学苏教版五年级下册第二单元第3课《海豚和声呐》说课稿3一. 教材分析《海豚和声呐》这一课是苏教版小学科学五年级下册第二单元的一课。
本课的主要内容是让学生了解海豚的生物特征和声呐的工作原理。
通过本课的学习，学生能够了解到海豚是一种智能较高的海洋生物，能够利用声波进行回声定位，从而在水中找到食物和避开障碍物。
教材通过生动的图片和有趣的故事，引导学生探究海豚的生物特征和声呐的工作原理，激发学生对科学的兴趣和好奇心。
二. 学情分析五年级的学生已经具备了一定的科学知识基础，对生物和自然现象有一定的了解。
他们好奇心强，善于观察和探究，喜欢通过实验和实践活动来学习。
但是，他们对于海豚和声呐的知识可能比较陌生，需要通过课堂学习和实践活动来逐步理解和掌握。
三. 说教学目标1.知识与技能：学生能够了解到海豚的生物特征和声呐的工作原理，理解海豚利用声波进行回声定位的能力。
2.过程与方法：学生通过观察、实验和探究，培养观察能力、实验能力和问题解决能力。
3.情感态度价值观：学生对科学的兴趣和好奇心得到激发，培养对海洋生物和自然现象的关注和保护意识。
四. 说教学重难点1.重点：学生能够了解到海豚的生物特征和声呐的工作原理。
2.难点：学生能够理解海豚利用声波进行回声定位的能力，并能够通过实验和探究来验证声呐的工作原理。
五. 说教学方法与手段1.教学方法：采用问题驱动法、实验探究法和小组合作法进行教学。
2.教学手段：利用多媒体课件、图片、实验材料等辅助教学。
六. 说教学过程1.导入：通过播放海豚的图片和视频，引导学生关注海豚的生物特征和行为特点，激发学生对海豚的好奇心。
2.探究海豚的生物特征：学生通过观察海豚的图片和视频，分析海豚的外貌特征和生活习性，了解海豚是一种智能较高的海洋生物。
3.探究声呐的工作原理：学生通过实验和观察，了解声呐的工作原理，理解海豚利用声波进行回声定位的能力。
4.实践活动：学生分组进行实验，亲身体验声呐的工作原理，通过实验结果来验证海豚的回声定位能力。
声音的传播的应用实验教案研究声音的传播的应用于声呐的工作原理
声音的传播的应用实验教案研究声音的传播的应用于声呐的工作原理实验名称：声音的传播的应用实验教案——研究声音的传播的应用于声呐的工作原理实验目的：通过本实验，学生将了解声音的传播和应用于声呐的工作原理，培养学生的实验观察和分析能力，提高学生对声音传播和应用的理解。
同时，通过实际操作，学生能够通过实验结果验证声呐的工作原理。
实验材料：1. 发声装置：音叉、扩音器等；2. 接收装置：麦克风、示波器等；3. 收集数据装置：计算机；4. 实验台、实验材料、实验工具；实验步骤：1. 实验前准备：a) 准备实验材料和装置；b) 将发声装置和接收装置分别连接到示波器和计算机；c) 调整示波器和计算机的参数，确保工作正常；d) 启动计算机并打开录音软件，准备记录实验数据。
2. 实验操作：a) 将音叉敲击在实验台上，观察示波器的波形；b) 将麦克风放置在离音叉较近的位置，观察示波器的波形；c) 将麦克风放置在离音叉较远的位置，观察示波器的波形；d) 将麦克风放置在不同材料（如木板、铁板等）后方不同位置，观察示波器的波形。
3. 数据记录与分析：a) 将实验数据记录在计算机上，包括发声装置离开麦克风的距离和示波器的波形；b) 分析实验数据，观察发声装置离开麦克风的距离与示波器波形的关系；c) 观察不同材料对声音传播的影响，探讨声音的传播特性；d) 结合学习理论，分析声呐的工作原理，并与实验结果进行对比。
4. 结果与讨论：a) 根据实验数据和分析结果，总结声音的传播特性；b) 讨论声呐的工作原理，解释实验结果与理论之间的关系；c) 探讨声音传播的实际应用，如声呐在海洋、医学等领域的应用；d) 引导学生思考声音的传播特性和声呐应用的优化方向。
5. 实验总结：a) 总结本次实验的目的、过程和结果；b) 分析实验中遇到的问题及解决方法；c) 总结实验的启示，对声音传播与应用的理解进行归纳；d) 展望声音传播与应用领域的未来发展。
声呐系统课程设计
声呐系统课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能够理解声呐系统的基本原理，掌握声波在水中传播的特性。
2. 学生能够描述声呐系统的工作过程，了解声呐在海洋探测中的应用。
3. 学生能够掌握声呐系统参数的计算方法，如声速、距离和方位角的计算。
技能目标：1. 学生能够运用所学知识，分析并解决声呐系统在实际应用中出现的问题。
2. 学生能够设计简单的声呐系统实验，通过实验验证声呐原理。
3. 学生能够运用声呐系统进行简单的水下目标探测，提高实践操作能力。
情感态度价值观目标：1. 学生通过学习声呐系统，培养对物理学和海洋科学的兴趣，增强探索精神。
2. 学生能够认识到声呐系统在我国海洋事业中的重要性，增强国家意识和国防意识。
3. 学生在团队合作中进行实验和问题讨论，培养沟通协作能力和集体荣誉感。
课程性质分析：本课程为物理学科选修课程，结合了物理学和海洋科学知识，以声呐系统为载体，培养学生的科学素养和实际操作能力。
学生特点分析：高二年级学生具备一定的物理基础，具有较强的逻辑思维能力和动手能力，对新鲜事物充满好奇心，适合开展此类实践性较强的课程。
教学要求：1. 注重理论与实践相结合，提高学生的实际操作能力。
2. 鼓励学生积极参与讨论，培养独立思考和解决问题的能力。
3. 强调团队合作，培养学生的沟通协作能力。
二、教学内容1. 声波传播原理：介绍声波在水中传播的特性和规律，引用教材中相关章节，如声波的速度、衰减、反射和折射等。
2. 声呐系统组成：分析声呐系统的各个组成部分，包括发射器、接收器、换能器、信号处理器等，结合教材内容进行讲解。
3. 声呐工作原理：详细阐述声呐系统的工作过程，如发射声波、接收回波、信号处理等，引用教材中相应章节。
4. 声呐系统参数计算：教授声速、距离和方位角等参数的计算方法，结合教材实例进行讲解和练习。
5. 声呐应用案例：介绍声呐在海洋探测、水下考古、渔业资源调查等方面的应用，引用教材中相关案例。
声纳技术的原理及应用
声纳技术的原理及应用一、声纳技术的基本原理声纳技术是利用声波在介质中传播的原理来实现远程探测和通信的一种技术。
声纳技术主要利用声波在水中传播速度较快的特点，通过发射声波信号并接收回波来实现海洋探测、水下通信、水下导航等应用。
二、声纳技术的工作原理声纳技术主要包括发射、传播和接收三个过程。
2.1 发射发射是指通过将电能转化为声能，使其转变为可传播的声波信号。
通常采用的方式是通过压电陶瓷等材料的振动来实现声波的发射。
发射器产生的声波信号通常是由脉冲信号组成的，可以通过调整频率和幅度来实现不同的探测目标和距离。
2.2 传播传播是指声波信号在介质中传播的过程。
声波在水中的传播速度通常为1500米/秒左右，但会受到水温、盐度等因素的影响而发生变化。
在传播过程中，声波会受到介质的衰减、散射和折射等影响，这些影响会导致声波的强度衰减和方向改变。
2.3 接收接收是指将传播中的声波信号转换为电信号的过程。
通常采用的方式是利用接收器中的压电陶瓷等材料将声波转化为电压信号。
接收器中的电路会放大和处理接收到的信号，然后将其输出到显示设备或存储设备上，以便进行分析和应用。
三、声纳技术的应用3.1 海洋探测声纳技术在海洋探测中发挥着重要作用。
利用声纳技术可以探测海洋中的水下地形、海底构造和海洋生物等信息。
声纳系统可以通过发射声波信号并接收回波来获取水下目标的位置、形状和运动状态。
海洋勘探、海底资源开发和海洋环境监测等领域都需要广泛应用声纳技术。
3.2 水下通信声纳技术还可以实现水下通信。
传统的无线电通信在水下传播会受到很大的阻碍，而声纳技术可以通过水中的声波传播来实现远距离的通信。
水下声纳通信可以用于海洋科学研究、水下作业和潜艇通信等领域。
声纳通信可以实现点对点的通信，也可以实现多个节点之间的网络通信。
3.3 水下导航声纳技术还可以用于水下导航。
通过发射声波信号并记录回波的时间差和强度变化，可以实现对水下目标的定位和导航。
声纳培训教材
二战时美国潜艇用JP型听测设备
中船重工七五０试验场
回声测距、听测和水下通讯兼具的QGB型声纳
中船重工七五０试验场
一种典型的潜艇声纳
中船重工七五０试验场
国产PS-I型海底地貌仪
中船重工七五０试验场
国产761型水平多波束鱼探机
中船重工七五０试验场
一 现代声纳技术及其发展
（二）现代声纳技术
中船重工七五０试验场
一 现代声纳技术及其发展
（二）现代声纳技术
• 声纳信号处理的热点问题
1.被动测距 被动测距声纳是从20世纪70年代初开始研制的. 从理论上讲,只要声纳基阵的孔径足够大, 用三点阵测距是没有问题的. 关键是把三个基阵的声中心的相对延时精确测量出来.可以 证明,被动测距的相对误差等于测延时的相对误差,即 ΔR/R =Δτ/τ 根据这一公式我们就会明白被动测距声纳所面临的问题. 举例来说,孔径为40m的基阵要测 量相距为20km的目标,延时量大约为13μs. 如果要求相对误差为10%,则延时估计误差不 能大于1. 3μs. 在海洋环境中要做到这一点非常困难. Urick, 张仁和等曾报道,海水中 声传播起伏值就在10μs这样的量级,这就使得被动测距问题变得十分困难,因为要在接收 到的大量数据中,剔除由不稳定性引起的‚野值‛(wild value) ,然后再进行平均. 对延 时测量精度的过高要求,还使得基阵的准确安装变得困难起来. 目前还没有找到突破传统 几何原理进行被动目标测距的有效方法.
中船重工七五０试验场
一 现代声纳技术及其发展
（二）现代声纳技术
• 声纳信号处理的热点问题
2.合成孔径技术 合成孔径声纳的研制近十年来受到很大的重视. 已经报道有相当高性能的样机问世. 合成 孔径作为一种技术在雷达上成功应用已近40年了,但在声纳上迟迟未获得实质性的进展. 主要是由于声传播的海洋介质比无线电传播的大气介质复杂得多,另外声纳平台运动速度 与声传播速度之比约为1∶750,而雷达平台运动速度和无线电波传播速度之比是1∶106 , 所以合成孔径声纳的运动补偿、成像远比合成孔径雷达复杂. 合成孔径声纳( SAS)的初步研究结果是令人振奋的,它大约可以在400m的距离上达到10cm 的分辨率. 这在以前的旁测声纳中是无法达到的.美国DTI (Dynamic Technology Inc. ) 研制的样机在华盛顿(Washington)湖作试验时,甚至得到了一架早先沉没湖底的飞机残骸 的‚声像‛。合成孔径技术还用于高分辨率的波束成形,这在安静型潜艇辐射噪声的测量 中可以获得应用,利用这种技术可以把潜艇作为一个体积元,确定对辐射噪声最有贡献的 分量的部位.
声呐的原理及应用初中物理
声呐的原理及应用初中物理声呐的原理声呐是一种利用声波进行探测和定位的装置，它广泛应用于海洋探测、导航、测距和通信等领域。
声呐的原理主要包括声波的产生、传播和接收。
1.声波的产生声波是一种机械波，是由物体振动产生的。
声波的产生是通过声源产生振动，振动使得周围空气或水分子发生压缩和稀疏，从而形成声波。
2.声波的传播声波在传播过程中，会在介质中以波动的形式传递能量。
声波的传播方式分为纵波和横波，而在声呐中使用的是纵波。
声波在传播过程中受到介质密度、弹性模量和温度等因素的影响，传播速度也会随之变化。
3.声波的接收声波的接收是通过声波传感器实现的。
当声波遇到物体时，会发生反射、折射和干扰等现象，声波传感器可以将这些变化转化为电信号。
声波传感器一般由一个薄膜和压电材料构成，当声波作用于薄膜上时，薄膜会发生振动，从而产生电信号。
声呐的应用声呐在军事和民用领域都有广泛的应用。
下面列举了几个常见的应用场景：•海洋探测声呐在海洋探测中起着重要的作用，它可以通过发射声波并接收其回波的方式，来测量目标物体与声呐之间的距离。
例如，声呐可以用于检测水下障碍物、测定深度、探测鱼群等。
•导航声呐在航海和潜艇导航中被广泛应用。
声呐可以通过测量声波从发射到接收的时间间隔，来计算目标物体与声呐之间的距离。
这样可以对潜艇或船只的位置进行准确的定位，并为导航提供信息支持。
•测距声呐还可以用于测量距离。
利用声波在传播过程中的速度恒定的特点，声呐可以通过测量发射声波和接收回波的时间间隔，计算出目标物体与声呐之间的距离。
这在测量水深、建筑物高度等场景中非常有用。
•通信声波是一种能量传播的方式，因此声呐也可以用于通信。
利用声波在水中或空气中的传播特性，声呐可以作为水下通信和水上通信的工具。
这种通信方式被广泛应用于海底油田、水下探测等领域。
总之，声呐作为一种利用声波进行探测和定位的装置，在海洋探测、导航、测距和通信等领域发挥着重要的作用。
它的原理和应用场景既复杂又广泛，深入了解声呐的工作原理和应用能够加深我们对声波传播和声学技术的理解。
声纳原理
脉冲宽度
12kHz
(SeaBat 8150)
12.5 cm/
0.5 ~ 20.4 ms
100kHz (侧扫）
1.5 cm/
0.01ms
0.1 ms
455kHz
(SeaBat 8125)
0.32 cm/
2.2 s
11 ~ 292 s
对应脉冲长度
0.75 ~ 3.06 m
0.083ms
15 cm
1.65 ~ 43.8cm
对声源阵中不同基元接收到的信号进行适当的相位或时间延迟可实现波束
导向
换能器尺寸决定波束角
波束形成 – 波束导向
波束形成原理
阵基元
1
2
3
当 =0 时的声源距
声波
对垂直声源的响应曲线
振幅
基元 1
时间
振幅
基元 2
时间
振幅
基元 3
时间
对垂直声源的响应和曲线
振幅 x 3
时间
角度入射时的水听器阵
455kHz
(SeaBat 8125)
70dB/km
110dB/km
压电陶瓷的特性
厚度与频率成反比,频率越高，越薄
频率越低，换能器越大。
越大的换能器，需要越大的电功率。
8150：240v ， 30A
8101：400 w
2024：50 w
什么决定量程分辨率
理论上波的最小分辨率等于波长
频率
波长/周期
元组成
与角度有关的指向图来自于定相的基元信号
波束宽度与换能器基元数成反比
换能器阵的发射和接收波束指向图是相同的
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《声纳原理》课程教学大纲
一、课程基本信息
1、课程代码：0330190
2、课程名称（中文）：声纳原理课程名称（英文）：Principles of Sonar
3、学时/学分：48/6
4、先修课程：水声学原理与换能器基阵，0330140
5、面向对象：信息对抗技术专业
6、开课院（系）：航海学院声学与信息工程系
7、教材、教学参考书：
教材：
《声呐技术》，田坦、刘国枝、孙大军编，哈尔滨工程大学出版社，2000年教学参考书：
《数字式声纳设计原理》，李启虎，安徽教育出版社，2002年
Underwater Acoustic System Analysis, Williams S. Burdic, Prentice Hall, 1991
二、课程性质和任务
航海学院信息对抗技术专业主要为国防水声行业培养人才，故本课程是该专业的专业必修课程。
通过本课程的学习，期望学生掌握声纳的基本工作原理，主要是声纳的波束形成方法、测向方法、测距方法和测速方法。
在掌握这些方法之后，学生需要通过参与课堂演示实验深入理解这些方法的实际运用。
最后，结合主讲教师的科研经历，向学生介绍当前国内外最先进的声纳系统的基本系统结构以及工作原理，从而为学生将来从事水声科研工作奠定基础。
三、教学内容和基本要求
声纳原理的教学内容分为八部分，具体内容和相应的基本要求如下（括号中标识数字为该部分的计划学时）：
第一章绪论(4)
1．声纳的发展简史和现状
2．声纳系统的分类
3．声纳系统的战术指标和技术指标
4．声纳方程
要求：了解声纳的发展简史和现状，掌握声纳系统的分类方法和主要战术指标、技术指标，熟练掌握声纳方程及其内涵。
本部分将采用中英文对照授课。
第二章声纳系统定向方法(4)
1．声纳系统定向的基本原理
2．最大值测向
3．相位法测向
4．振幅差值测向法
5．相关法测向
6．互谱法精确测向
要求：理解声纳系统定向的基本原理；熟练掌握最大值测向方法、相位法测向；了解振幅差值测向法、相关测向法；掌握互谱法精确测向。
第三章声纳的波束形成技术(8)
1．声纳波束形成的一般原理
2．直线多波束阵的有关问题
3．直线阵相移波束形成器
4．直线阵时延波束形成器
5．圆阵波束形成
6．频域波束形成
7．接收方向性指数
要求：理解声纳波束形成的一般原理；熟练掌握直线阵的相移波束形成和时延波束形成；掌握圆阵波束形成的基本方法；掌握频域波束形成方法；深入理解接收方向性指数的含义。
本部分将采用英文授课，学生需要提交英文撰写的作业。
第四章声纳系统测距方法(6)
1．主动测距方法
2．窄带信号的模糊函数
3．被动测距方法
4．水声被动定位
要求：熟练掌握主动测距方法；掌握窄带信号的模糊函数；掌握被动测距方法；了解水声被动定位的基本原理。
第五章声纳系统测速方法(4)
1．目标速度的测量方法
2．本舰航速的测量方法
要求：熟练掌握目标速度的测量方法；掌握本舰航速的测量方法。
第六章声纳信号接收(2)
1．声纳接收机的组成
2．接收机工作特性曲线
3．动态范围压缩和归一化
要求：了解声纳接收机的组成；掌握接收机工作特性曲线；掌握声纳信号的动态范围压缩和归一化方法。
第七章典型声纳信号处理方法(2)
1．主动声纳信号处理
2．被动声纳信号处理
要求：掌握典型主动声纳信号处理和被动声纳信号处理方法。
第八章典型数字式声纳(4)
1．拖曳式线列阵声纳
2．潜艇用舷侧线列阵声纳
3．固定式岸用声纳
4．合成孔径声纳
5．声纳技术的发展展望。
要求：了解现代典型数字式声纳的基本工作原理以及声纳技术的最新发展方向。
四、实验（上机）内容和基本要求
本课程实验为课堂演示实验，在航海学院大型消声水池实验室进行。
实验具体内容和要求如下：
第一次实验：声纳波束形成和方位估计实验（4）
要求：深入理解声纳的波束形成原理和方位估计方法。
第二次实验：主动和被动测距实验（4）
要求：深入理解主动和被动测距原理。
五、各教学环节学时分配
六、对学生能力培养的要求
本课程属于专业必修课程。
学生应该掌握声纳工作原理，并在此基础上，通过教学演示实验，深入理解基本的测向、测速和测距方法。
希望在教师引导下，学生逐步学会从前人研究问题、分析问题的过程、演绎推导的结果中，体会和领悟解决问题的方法，提高他们开展本专业科研工作的能力。
在本课程中，通过一定量内容的英语教学和相应的英语作业，期望提高学生对专业英语的听、译等方面的能力。
在教学过程中，指导学生学会查阅本专业参考文献的方法，并结合教学内容，进行文献阅读和理解，为将来从事前沿性的科研工作奠定良好的专业英语基础。
在进行教学演示实验时，要求学生参与实验的准备过程，而不是单纯地看实验结果，以促进学生动手能力的提高。
七、其它说明
1．学生应遵守《西北工业大学学生手册（本科生）》里有关学术诚实的条例；2．学生应上课准时，专心听讲；上课期间，关闭手机。
3．学生应结合英文授课内容和英文作业，进行一定量的英文文献阅读。
4．考试成绩除了笔试之外，还包括平时的作业和讨论。
八．考核方法：
闭卷考试，课程总成绩的评定是：考试占80％，平时作业和讨论占20％。
撰写人：杨益新制定日期：
审定人：审定日期：
学院审查意见：主管院长：。