声学测量之水声工程

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水声学复习提要

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。
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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?

海水声速测量方法及其应用

海水声速测量方法及其应用
o f he t e q u i p me n t i s i n t r od u c e d a s we l 1 . F i n a l l y , t h e p r o s p e c t o f s o u n d s p e e d me a s u r e me n t t e c h n o l o g y i s d e s c r i b e d.
ZHAN G Ba o . h u a . ZHA0 M e i
( 1 . 只 , B e i j i n g1 0 0 8 4 1 ; 2 . S h a n g h a i A c o u s t i c s L a b o r a t o r y , I mt i t u Wo fA c o st u i s c , C h i n e s e A c a d e myo fS c i e n c e s , S h a n g h a i 2 0 0 0 3 2 , C h i n a )
DOI 编码:1 0 . 3 9 6 9  ̄ . i s s n 1 0 0 0 ・ 3 6 3 0 . 2 0 1 3 . 0 1 . 0 0 6
S o u n d s p e e d me a s u r e me n t i n s e a wa t e r a n d i t s a p p l i c a t i o n
Ke y wo r d s : s e a wa t e r s o u n d s p e e d; s o u n d v e l o c i t y me a s u r e me n t ; s o u n d s p e e d a p p l i c a t i o n
Ab s t r a c t : Wi t h t h e d e v e l o p me n t o f a c o us t i c t e c h n o l o g y , he t i mp o r t a n c e o f s o u n d s p e e d me a s u r e me n t i s e x p l a i n e d . Th e d i s t r i b u t i o n a n d p h y s i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f s e a wa t e r s o u n d s p e e d a r e i n t r o d u c e d . F o c u s e d o n s o u n d p r o p a g a t i o n p r o b — l e ms , he t e f f e c t o f s o u nd s p e e d p r o i f l e o n t h e b e s t p r o b i n g d e p t h o f s o n a r a n d i t s d e t e c t i o n r a n g e i s d i s c u s s e d. S e a wa t e r t e mp e r a t u r e o b s e r v a t i o n i s a l s o t a k e n i n t o a c c o u n t . T h e s o u n d s p e e d me a s u r e me n t he t o r y i s s t a t e d, a n d t h e d e v e l o p me nt

声学技术海洋声学目标探测技术研究现状

声学技术海洋声学目标探测技术研究现状

声学技术I海洋声学目标探测技术研究现状海洋声学LI标探测技术对于维护国家主权,保障国家海洋环境安全,促进海洋探索与开发至关重要。

近年来,水下口标隐身技术不断进步,给水声探测技术带来了巨大挑战。

针对这一挑战,低频、移动、多节点水声探测技术日益受到重视,同时,探测隐身LI标的多源声学网络也应运而生。

山此可见,通过水声通信组网技术将主被动探测节点连接成水声探测网络,并对获取的多源信息进行融合,是海洋声学LI标探测技术发展的一个重要途径。

被动探测技术海洋声学H标被动探测是应用最为广泛的技术之一,其主要利用水听器及其阵列接收U标自身辐射噪声或信号,如潜艇辐射的螺旋桨转动噪声、艇体与水流摩擦产生的流噪声、以及各种发动机机械振动引起的辐射噪声等,同时结合信号处理技术以提取有用信息,如口标信号特征、方位、距离和深度等。

山于被动探测系统本身并不发射信号,所以口标不易察觉其存在,具有较强的隐蔽性。

水听器及其阵列构成了被动探测的硬件基础,而被动声呐系统则是水听器及其阵列的主要安装平台,其形式、尺寸及安装形式等都对信号接收产生直接影响;信号处理部分则构成了软件基础,决定了信息提取的有效性,是被动声呐系统的大脑。

硬件和软件基础共同决定了被动探测技术的性能。

1•典型被动声呐平台典型被动声呐平台主要包括岸基平台、舰船与潜艇平台以及航空飞行器平台,其包含的水听器主要有标量的声压水听器和矢量水听器2种,阵列形式可分为线型、面型和体积型,实际中可依据不同的应用环境选择不同的阵型。

岸基声呐是固定式水声监听系统的一种,一般以海岸为基地,在大陆架或者海岛周边大型布放水下基阵,用于警戒和监视海峡、港口、航道以及敬感水域的敌方水下潜艇活动,是反潜预警系统的重要组成部分。

一般山线性水听器基阵、海底电(光)缆、岸上终端电子设备以及电源系统等组成。

岸基声呐中较为典型的是美国在冷战时期部署的声音监控系统(SOSUS),该系统釆用子阵技术,将一条长线阵分成2〜3个子阵单独处理,再结合起来进行波束形成,从而得到较窄的波束和更好的指向性。

声学法海底热液口测温方法及其关键技术

声学法海底热液口测温方法及其关键技术

声学法海底热液口测温方法及其关键技术0 引言海底热液口热液的热通量及运动方式对热液成矿、硫化物烟囱体形成以及热液生物圈活动都有直接影响。

通过对热液口温度场和流速的原位测量,能较精确地测量出热液口输出的热通量对现代热液活动温度场分布进行原位监测是热液活动研究中的重要内容之一。

常规采用接触式温度传感器阵列进行测量存在一定的局限性,接触式测量会干扰热液口的温度分布,只能测量某些点的温度,无法得到温度场分布数据。

而另一种非接触式声学热液温度场原位测量克服了以上难点,实现了在高温、腐蚀、多悬浮颗粒的恶劣环境下的连续实时精确测量。

本文提出海底热液口高精度飞渡时间测量和截面二维温度场重建的两个关键技术,对声学法海底热液口温度场测量的实际工程应用具有一定的参考价值。

1 声学测温原理MacKenzie(1981)给出了声波在海水介质中的传播速度与海水温度、深度和盐度的关系式:式中:c为声波在某种海水介质中的速度,m/s;z为被测平面的深度,m;T为温度,℃;S为含盐量的千分数。

对于一个固定的热液口平面上的深度和盐度,可将它们视为常数。

这时,海底声速的变化主要与温度相关。

海底热液口原位长期声波测温的具体步骤是:在一个平面内布置n个发送和接收水声换能器,接收水声换能器接收发送水声换能器发射出的声波信号,并与之作互相关计算,得到若干条独立有效的传播路径的声波飞渡时间,进而得到这些路径上声波传播的平均速度。

利用式中温度与声速的关系,可得出这些有效传播路径的平均温度值,且通过特定的重建算法可拟合出整个热液口待测平面的二维温度场,从而实现海底热液口一个平面内的温度场重建。

水声换能器和网格分布图如图1所示。

图1 水声换能器和网格分布图2 原位测温的关键技术2.1 高精度飞渡时间测量海底热液口温度场声学原位测量的关键技术之一是高精度飞渡时间ToF(time-of-flight)的测量。

声波信号在海底热液介质传播时会有一定的衰减,同时,它还受背景噪声的干扰。

(完整版)水声学原理(第一章)

(完整版)水声学原理(第一章)

参考值
10
1.6.2声压级等于声强级:
L I

10 log
I I
0


10
log
p2
c
p2 0
c


20 log
p p
0


L
p
注意参考值不同产生的声级差别:
1971年以前曾用: =20μPa=2×10-4达因/厘米2,换算到现在标准要加26分贝。 =1 达因/厘米2=1μb(微巴)=10-5μPa,换算到现在的标准 要加100分贝。
水声技术的成果突出反映在两个方面 1、声呐性能的不断提高:探测距离原来越远、对目标的定位、跟踪能力越来越强 2、应用声自导或声引信的水中兵器(鱼雷、水雷、深水炸弹等)的作战能力不断 提高。
因此,现代舰艇在水下面临的威胁与水声技术的水平有直接的关系。声隐身 性能是潜艇水下隐蔽性的核心。
4
1.4、水声技术的发展历史
声学中采用分贝计量的原因: ❖声学量的变化大到六、七个数量级以上
▪ 从窃窃私语到大型喷气式飞机起飞的声功率差十个数量级; ▪ 人耳的听阈在频率1kHz时是20μPa(微帕),痛阈是20Pa, 相差六个数量级; ▪ 在水中,一艘老式潜艇的辐射总声功率达到数瓦,而新型的 低噪声潜艇不到1微瓦,相差六、七个数量级。 ❖人耳(仪器)的响应近似与声压或声强的对数成比例。
5
1.5 声呐简介
声呐(声纳)-SONAR(Sound Navigation and Ranging)
凡是利用水下声信息进行探测、识别、定位、导航和通讯的系统,都通称为声呐系 统。声呐的主要应用是军用声呐。按工作方式可以分为:主动声呐和被动声呐。 按安装平台分可以分为: ❖潜艇声呐:潜艇上的电子设备是声呐。一般核潜艇装有10~15部声呐。主要有: 艏部主、被动综合声呐;被动测距声呐;舷侧阵声呐;拖曳线列阵声呐。 ❖水面舰声呐:舰艏声呐;变深拖曳声呐;拖曳线列阵声呐。 ❖机载声呐和浮标:吊放声呐;声呐浮标。 ❖海洋水声监视系统:岸站(岸边海底固定式声呐);预警系统 ❖水声对抗器材:鱼雷报警声呐;声诱饵;干扰器;气幕弹 ❖水中兵器自导:鱼雷声自导;水雷声引信; ❖其它:通讯仪、鱼探仪、多普勒测速仪、浅地层剖面仪等。

水声材料高频声学性能测量系统

水声材料高频声学性能测量系统

应频 率点 数据 ,根据 公式 ( )和 ( )分 别计算 该 1 2 频 率点处 水声材 料 的反射 系数和 回 声降低 。
反系: { 射数 (= )
回声降低:E ( ) 2 l r ) R f :一 0g ( J f

图 1测 量 系 统 组 成 框 图
信 号发 生器接 收计算 机 设定 的发射信 号数据 ,
由高频 功率 放大器 驱动 发射 换能器 发射 声波 ;水听
水上 和水 下两部 分组成 。水 上部 分包括 测量 电子仪 器和 升 降回转机 构控制 器 。电子 部分发 射系 统 由信 号发 生器 与高频功 率放 大器组 成 ;接 收系统 由数字 示波 器 、滤波 器 、前 置放 大器 组成 ;控 制系统 由计
器 接 收信 号 ,经 由前 置放 大器 、滤 波器调 理后输 入 到数字 示波器 ,最 终传输 到计算机 中。计算机程 序 控制信 号发 生器 、滤 波器 和数字 示波器 ,测量信 号
算机、升降回转装置及控制驱动器组成。两路升降 回转机 构行车 分别用 于定位 发射 换能器 和接 收水 听
吸声 系数等 ,这 些参数 除与材 料 的 内部 组织和 结构 有关外 ,还 与材 料 的厚度 和形状 有 关…。 目前 , 国 内测量 这 两类参 数 的装 置 主要有 :声管【、压力 罐 2 】
和 自由场水池 。声管 的 内径 有 限,可测 的频率 范 围 受到 限制 ,通 常在几 十千赫 以内使用 。此外 ,样 品
待测样 品尺寸为 40m 50 0 m ̄0 mm。
的尺寸较 小 , 直径 与管子 内径相 同, 不均 匀材料 , 对
尤其 是 带 有 横 向不均 匀 性 的 材 料 或 构件 的性 能 参

水声测量原理五种典型噪声

水声测量原理五种典型噪声

水声测量原理五种典型噪声
水声测量是利用声波在水中传播的特性来获取相关信息的一种技术方法。

以下是水声测量中常见的五种典型噪声:
1. 海底地震噪声:由于地球内部的地震活动产生的地震波向水体传播引起的噪声,频率范围广泛,能够遍及整个水柱。

2. 海洋动力噪声:由于海洋水体的风浪、潮汐等运动引起的噪声,频率范围通常在几十赫兹到几千赫兹之间。

3. 海洋生物噪声:由于海洋中生物活动产生的声音引起的噪声,如鱼类的鳞片摩擦、鲸鱼的歌声等。

频率范围较低,通常在几十赫兹到几千赫兹之间。

4. 人为噪声:由于船只、渔船、潜水器等人为活动引起的噪声,频率范围较宽,通常在几十赫兹到几千赫兹之间。

5. 水声仪器本身的噪声:由于水声仪器及其传感器本身的电子噪声引起的噪声,可以通过合理的设计和隔离来降低。

以上是水声测量中的五种典型噪声,根据噪声的特点和频率范围的不同,科研人员在测量过程中会采取相应的去噪处理措施,以减小噪声对测量结果的干扰。

水声实验

水声实验

-20
-30
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
-40
-45
-15
2.4
1.6
0.9
0.7
2.8
TL
距离 20
30
34.2 40
45
50
55
60
65
Vp(V) 5
4
4
3
2.6
2.4
2.2
2
1.8
距离 70
Vp(V) 1.6
L=151.4cm B=121.7cm H=88.7cm D=34.2cm Q=15 τ≤min()
声源级和传播损失
p(r) SL 20 log
P0
A
r
20 log 20 log
P0r0
r0
式中 P0 1Pa , r0 1m 。由上式可见,右边第一项为常数,它表示声源 强度等于离源中心 1m 处得声压级。可见,在声压和距离的双对数坐
标系统中,上式为一直线,并且距离每增加一倍,声压级减少 6dB。
一、实验内容:
心,否则发射器和接收器间距必须比有效声中心和转轴间距大 100 倍。发射器和
接收器的间距要满足远场条件。
将频率为待测水听器相应工作频率 f 的电信号加到辅助发射器上,且保持发
射声场恒定不变。转动待测水听器,记下各个方向上水听器的输出电压。
信号源
示波器
功率放大器
测量放大器
发射换能器
实验水槽 水听器
图 1 测量系统连接示意图
根据声压随球面波衰减及 SL 的定义式可得到 SL 的测量式如下 SL(R) PL(R) 20lg(R)
20 lg(电压有效值 ) 203 - 20lg(测放) 20lg(R)
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3声学测量的特点 1.环境因素影响大; 2.测量信号复杂; 3.测量空间多样; 4.测量精度低、量值传递误差大; 5.测量频域范围宽; 6.外场实验困难; 7.测量结果多用分贝表示。
4参考文献 * 《水声计量技术》 郑士杰 * 《水下电声测量技术》 阎福旺 * 《声学测量实验》 贾志富 * The Journal of the Acoustical Society of American (JASA) * 声学学报 * 应用声学 * 声学技术 * 电声技术 * 振动与冲击
声学测量
主讲教师:陈洪娟、张虎 授课学时:16
声学测量:
研究声学测量技术的科学。 包括: ——测量方法 ——测量仪器
第 1章 第 2章 第3章
声学测量的基本问题 测量换能器 声学测量基本方法(水声测量)
第一章
声学测量的基本问题
(一)绪论 (二)基本预备知识
(三)声学量的级及其基准值
(四)实验
(一)绪论
6、两个声压绝对值之比与其声压级差值的关系
7.分贝误差
(1)绝对误差:
绝对误差△x=测量值-真值=X′-x (物理量单位)
(2)相对误差(百分比误差):
相对误差δx =绝对误差△x /真值x =(测量值-真值)/真值 =X′ /x-1(%) (3)分贝误差: δLx=20lg(1+ δx )
8、分贝加减法则 (1)声压级的合成——分贝的加法
其中: I 0 为声强基准值,在水中为1pw/m2。
分贝(为什么采用?)
• 人类的耳朵能感应声压的范围很大; • 人类的听觉反应是基于声音的相对变化而非绝对的 变化; • Nhomakorabea算方便;
• 直观。
5、表示方法
例如:
在空气中某一点声压级值为80dB,则记作
P Lp 80dB 0dB re 20 Pa
1/1倍频程:
Δf = f H - f L = 70.7% f0
(三)声学量的级及其基准值
1.定义 2.表达式 3.单位 4.常用声学量的级及其基准值 5.表示方法 6.两个声压绝对值之比与其声压级差值的关系 7.用分贝表示测量误差 8.分贝加减法则
1、定义
一个声学量与其同类量的基准值之比的 对数。
考虑:对于多个声压级合成问题如何处理?
(2)在考虑背景噪声情况下,测量声场中某 一声源的声压级——分贝的减法
在考虑海洋环境噪声的情况下,测得某一船只的
辐射噪声为 LPC ,海洋环境噪声为 LPN
则船只的实际辐射噪声为 LPS 。
• 结论: (1)总声压级高于背景噪声声压级10dB,则背 景噪声可忽略。 • 考虑:如何根据测量精度要求确定背景噪声可忽 略的限值?
如果声场中有两个声源A和B,它们的声压级分别为 L pa

L pb
,而它们的声压有效值分别为
pa

pb
, 则求

在A、B两声源形成的声场中某点C处声压级
L pc
结论: (1)两个声压级相同的声源同时发声时,其合成 声压级值比一只声源单独发声时形成的声压级只 增加3dB; (2)两个声压级不同的声源同时发声时,其合成 声压级值为两个声压级值中较大的一项加上修正项 即可
倍频程是频程的单位
(3)ISO规定
a、1/1倍频程:n=1
fH fL = 2
b、1/3倍频程:n=1/3
c、十倍频程:
fH
fL 2
1 3
f H f L = 10
d、三者之间的关系:
十 倍 1/1
1/3倍频程(3个)
频 频
程(1个) 程(3个)

1Hz 21/3Hz
2Hz
4Hz
8Hz
10Hz
22/3Hz
质点振速;

波:
纵波、横波、行波、驻波、平面波、 柱面波、球面波;
2、声学基本物理量及其单位
3.频程与倍频程
(1)频程
(2)倍频程 (3)ISO规定 (4)中心频率及倍频程滤波器
(1)频程
• 定义:又称为频带,将整个频率范围(视工作要 求而定)分成的若干较小的频段。
(2)倍频程
• 定义:计量两个频率之间间隔或频带宽度的单位。
5声学测量系统
发射系统
测量介质
接收系统
发射系统:信号源、功率放大器、匹配电路、发射器 接收系统:前置放大器、滤波器、测量放大器、处理器 测量介质:固体、气体、液体
(二)基本预备知识
1.基本概念
2.声学基本物理量及其单位 3.频程与倍频程
1、基本概念 声场参数:
声场、 声压、声强、声功率、声速、
2、表达式
Lx logr ( x x0 )
3、单位
声学量级的单位视对数底而定。 (1)若取以10为底的常用对数,则其单位为“贝”(B), 但实际使用中常取其1/10作为级的单位,即分贝(dB)。
X Lx lg( x x0 )(B) 10lg(x / x0 ) dB
(2)若取以e为底的自然对数,则其单位为奈培(Np)
1Hz 21/3Hz
2Hz
4Hz
8Hz
10Hz
22/3Hz
1:1.25 :1.6 :2 :2.5 :3.15 :4:5 :6.3 :8 :10
中心频率表达式
f0 =
fH • fL
恒定百分比带宽滤波器:
f 2 f1 2
1/3倍频程:
n
f H = 2 f0
n
fL =
1 2
n
f0
Δf = f H - f L = 23.1% f0
X Lx ln x x0 (NP )
4、常用声学量的级及其基准值(GB3238-82)
声压级表达式为
P Lp 20lg( p / p0 )
其中: p0 为声压基准值; 在空气中为20μPa; 在水中为1μPa。
声强级表达式为
I LI 10lg I / I0
(四)实验 • 仪器设备认知实验
目的:
掌握声学常用测量仪器的使用方法,并了解声学测量实验 应该满足的条件要求和实验室进行实验时的注意事项。
内容:
学习并掌握各测量仪器的功能、使用方法和注意事项。
要求:
在教师指导下练习仪器设备操作方法。
GFG3015(信号源)
正弦波, 方波, 三角波, 脉 冲波, AM, FM, 扫描功能,
仿B&K2610(测放)
滤波器
-30~110dB 10μV~30V
输入放大选择 输出放大选择
电源开关 平均时间
前放输入端 校准 输入选择 输入端
输出端
指示端
GOS6051(示波器)
• 结束1
1.声学测量技术的发展状况 2.声学测量的内容
3.声学测量的特点
4.参考文献 5.声学测量系统
1 声 学 测 量 技 术 的 发 展 状 况
瑞利
克拉尼
朗之万
赫姆霍兹
贝尔
声音盲区
水中声速测量
深海通道
声学测量技术的发展状况
声学测量技术的发展状况
声学测量技术的发展状况
声学应用
2声学测量的内容 1.声源特性研究; 2.媒质特性研究; 3.声波发射与接收的研究; 4.测量方法与手段的研究; 5.声学设备的研究。
触发 信号类型选择及频率、 幅值调整
调整旋钮
触发设置
外触发
输出
扫描等参数设置
YE5871(功放)
输出 输入
100VA,10V-10A 20Hz~30kHz 增益: 高阻抗-8A/V 低阻抗-5V/V
输出电压 电流指示 表盘
增益旋钮 (连续) 阻抗选择
电源开关 参考电压
电流调整
2Hz~200kHz
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