声纳原理_典型数字式声纳
声纳工作原理的简易说明
声纳工作原理的简易说明声纳工作原理的简易说明加拿大海军的M2S2声纳系统声纳是一种非常重要的海军装备，随着潜艇等水下武器的使用而受到各国极大的重视。
这里，我们不去讨论某个具体的装备，也不涉及太多的数学概念，而是从简单的物理原理入手，对声纳这个水中顺风耳做个简略的介绍。
▲自然界中的雷达和声纳目前的声纳主要分为两类，主动声纳和被动声纳。
主动声纳工作时类似雷达，更确切地说像蝙蝠，发出声波后，接受反射回来的声信号。
既然原理类似，问题来了，为何不把雷达直接搬到水下呢？很简单，雷达依赖的电磁波在水下衰减严重，根本不足以用于远距离的探测。
而声波是由物体振动产生，在水中的传播距离非常远，水中一声巨大的爆炸，上千公里远的地方也能听到。
如此得天独厚的优势，声波自然而然成为首选的媒介。
既然声响在水里可以传播很远，那么放置一个听音器静静地听着别人吼叫也能起到收集信息的作用，那么被动声纳就应用而生。
我们可以打个比方，某人冲着远处连绵不绝的大山高喊“我！爱！军！武！”，一段时间后会有缥缈的回声传回来，“我～爱～军～武~”。
这样，嗓子和耳朵就组成了主动声纳，如果知道声音的传播速度，手头恰好有个秒表，简单的计算就能得到此人和大山之间的距离。
恭喜，这就是主动声纳技能。
如果此时在大山的另一边，有人恰好只是听到了这句喊，好吧，他只是用了被动声纳的技能。
了解了大概的工作原理后，我们的问题就具体起来，如何产生声波？如何接收声波？我们不可能在水下还是用嗓子喊耳朵听，所以特殊的部件被开发出来用于这个目的，那就是水声换能器。
这种部件的主要有两种类型，用磁场或是用电场都可以让物体变形，这里我们集中介绍用电场控制物体变形和振动的原理，即逆压电效应和压电效应。
在二战后期之前的声纳系统一直不太给力，原因之一就是有正逆压电效应的材料不靠谱，而纳粹潜艇威胁巨大，迫使盟军投入大量精力去开发新材料。
直到有一天，具有钙钛矿结构的钛酸钡（BaTiO3）被发现，使得声纳中的关键原件有了突破。
声呐工作原理
声呐工作原理
声呐（Sonar）是一种利用声波的原理来探测和定位目标的技术。
声呐是将电能转换成声能，利用声波在水中传播的特性进行海洋探测的装置。
声呐的工作原理如下：
1. 发射声波：声呐中的发声装置会发射出一束声波，通常是超声波。
这些声波以某一特定频率发射，并且以固定的方向传播出去。
2. 声波传播：发射出的声波会在水中传播。
声波传播的速度和方向都会受到水的条件、温度等因素的影响。
3. 目标反射：当声波遇到某个目标物体时，部分能量会被目标物体反射回来。
这可能是海底、海洋生物或其他物体。
4. 接收反射信号：声呐中的接收装置会接收到反射回来的声波信号。
接收装置可以通过接收到的信号特征来识别目标的位置、形状和距离。
5. 信号处理：接收到的信号会经过信号处理，包括滤波、放大、解调等，以提取有用的信息。
6. 数据分析：通过对接收到的信号进行分析，可以得出目标物体的距离、方向和形状等信息。
声呐工作原理利用了声波在水中传播的特性，通过分析发射出
的声波和接收到的反射信号，可以实现检测和定位目标物体的功能。
声纳的原理
声纳的原理声纳是一种利用声波进行探测和通信的技术，它在海洋、水下、空中等领域有着广泛的应用。
声纳的原理是利用声波在不同介质中传播的特性，通过声波的反射、折射等现象来获取目标物体的位置、形状和性质信息。
声纳技术的发展对于海洋资源的开发、水下探测、水声通信等领域有着重要的意义。
声纳的原理可以简单地分为发射和接收两个过程。
在发射过程中，声纳系统会产生一定频率和强度的声波信号，并将其传播到水下或空中。
这些声波信号会与目标物体发生相互作用，一部分被目标物体反射回来，另一部分则继续传播。
在接收过程中，声纳系统会接收到反射回来的声波信号，并通过信号处理和分析来获取目标物体的信息。
声纳的原理涉及到声波在不同介质中传播的特性。
声波是一种机械波，它需要介质来传播，可以在固体、液体和气体中传播。
声波在传播过程中会受到介质密度、压力、温度等因素的影响，从而产生折射、反射、散射等现象。
通过对声波在介质中传播的特性进行分析，可以获取目标物体的位置和性质信息。
除了传播特性，声纳的原理还涉及到声波与目标物体的相互作用。
当声波遇到目标物体时，会发生反射、散射等现象，一部分声波被目标物体反射回来，这些反射回来的声波包含了目标物体的信息。
通过接收这些声波信号，并进行信号处理和分析，可以获取目标物体的位置、形状和性质信息。
声纳的原理还包括了声波的发射和接收技术。
声波的发射需要发射装置来产生一定频率和强度的声波信号，而声波的接收则需要接收装置来接收和处理反射回来的声波信号。
通过发射和接收技术的不断改进和创新，可以提高声纳系统的探测和通信性能。
总的来说，声纳的原理是利用声波在不同介质中传播的特性，通过声波与目标物体的相互作用来获取目标物体的信息。
声纳技术的发展对于海洋资源的开发、水下探测、水声通信等领域有着重要的意义，相信随着科技的不断进步，声纳技术将会有更广阔的应用前景。
声呐技术的原理与应用
声呐技术的原理与应用1. 声呐技术的基本原理声呐技术是利用声波在介质中传播的原理来进行探测和测量的一种技术。
声波是一种机械波，其传播速度取决于介质的密度和弹性。
声波在水中传播的速度约为1500米/秒，而在空气中传播的速度约为340米/秒。
声呐系统主要由发射器和接收器两部分组成。
发射器通过震动装置产生声波信号，并将信号传播到介质中。
接收器则接收反射回来的信号，并将其转换为电信号进行处理和分析。
2. 声呐技术的应用领域2.1 水下探测与测量声呐技术在海洋勘探、水下测量和海洋生态监测等领域中具有广泛的应用。
通过声波的传播和反射，可以获取水下目标的位置、形状和性质等信息。
在海洋勘探中，声呐技术可以用于寻找沉船、海底矿藏和海底地形等。
在水下测量中，声呐技术可以用于测量海洋物理参数、海底地形和水深等。
在海洋生态监测中，声呐技术可以用于监测鱼群分布、海底生物和海岸线变化等。
2.2 水下通信与导航声呐技术在水下通信和水下导航领域也有着广泛的应用。
由于水中传播环境的复杂性，电磁波通信在水下的传输效果较差。
而声波具有较好的传播性能，因此可以利用声呐技术实现水下通信。
声呐技术还可以用于水下导航，在海洋中定位和导航船只、潜水器和水下机器人等。
2.3 鱼群探测与捕鱼声呐技术在渔业领域中应用广泛。
通过声波的传播，可以探测到水下鱼群的位置和数量等信息。
渔民可以根据这些信息来确定捕鱼的位置和方式，提高捕获效率。
此外，声呐技术还可以用于鱼群监测和资源评估，有助于科学管理渔业资源。
2.4 声纳反射成像声纳反射成像是声呐技术的一种应用形式。
通过发射声波信号，并接收反射回来的信号，可以获取目标物体的形状和位置等信息，从而实现对目标物体的成像。
声纳反射成像在水下探测、海底勘探和水下救援等领域中具有重要的应用价值。
3. 声呐技术的优点与挑战3.1 优点•声波的传播速度较快，传播距离较远，能够覆盖较大的范围。
•声波可以穿透水和一些固体物质，对于测量和探测来说具有较好的适应性。
潜艇声纳系统工作原理课件
02
声纳换能器工作原理
压电式换能器
压电式换能器是一种利用压电材 料的特性进行电能与机械能相互
转换的装置。
当收到电信号时，压电材料会变 形，从而产生机械振动，进而产
生声波。
压电式换能器通常用于发射声波 ，将电能转换为声能。
磁致伸缩换能器
磁致伸缩换能器利用磁致伸缩材 料的特性，将电能转换为机械能
。
当收到电信号时，磁致伸缩材料 会变形，从而产生机械振动，进
而产生声波。
磁致伸缩换能器通常用于接收声 波，将声能转换为电能。
电致伸缩换能器
电致伸缩换能器利用电致伸缩材料的特性，将电 能转换为机械能。
技术挑战与解决方案
高频信号处理
由于水下环境的复杂性和多变性 ，潜艇声纳系统在接收和处理高 频信号时面临着许多技术挑战。 为了解决这些问题，可以采取一 些措施，如采用先进的信号处理 算法、优化硬件设计等。
水下噪声抑制
水下噪声是影响潜艇声纳系统性 能的一个重要因素，如何有效抑 制水下噪声成为了一个技术难题 。可以通过采用先进的噪声抑制 算法和优化系统设计来解决这个 问题。
当收到电信号时，电致伸缩材料会变形，从而产 生机械振动，进而产生声波。
电致伸缩换能器通常用于接收声波，将声能转换 为电能。
03
水声信号传播特性
水声传播介质
水是一种良好的水声传播介质，具有 低阻抗、高密度和高透明度等特性。
在一定频率范围内，水的声速和密度 随温度、盐度和压力的变化而变化， 这些变化会影响水声信号的传播和接 收。
采用不同的滤波器对图像 进行平滑处理，以减少噪 声和细节，提高图像的清 晰度。
声纳技术利用声波探测水下物体
声纳技术利用声波探测水下物体声纳技术是一种利用声波进行探测和测量的方法，其中声波是通过水中或其他介质传播的机械波。
声纳技术不仅广泛应用于水下探测、水下通信等航海领域，也在地质勘探、海洋学、生物学等领域发挥着重要作用。
本文将系统介绍声纳技术的原理、应用和发展趋势。
一、声纳技术原理声纳技术的原理是利用声波在不同介质中的传播特性，通过测量声波的传播时间和接收到的声波信号强度来判断目标物体的位置、形状和距离。
声波是通过振动物体产生的机械波，在水中的传播速度约为1500米/秒，远远快于空气中的声速。
声纳系统一般包含发射器和接收器两部分，发射器会发出特定频率的声波信号，而接收器则接收回波信号。
二、声纳技术应用声纳技术在水下探测领域有着广泛的应用。
其中最常见的应用是水下目标检测和测距。
声纳系统通过发送声波信号，当声波遇到目标物体时会发生反射，然后通过接收器接收到反射波信号。
通过分析接收到的信号，可以确定目标物体的位置和形状。
声纳技术在海洋开发中也发挥着重要作用，可以用于油气勘探、海底管道的铺设等工作。
除了水下探测，声纳技术在海洋学和生物学研究中也有重要应用。
通过声纳技术可以监测海洋中的生物群落，掌握海洋生物的迁徙、种群密度等信息。
同时，声纳技术还可以用于研究鱼类行为、水下地貌等方面。
在军事领域，声纳技术也用于水下舰船的探测、敌我识别等任务。
三、声纳技术发展趋势随着科学技术的发展，声纳技术也在不断进步。
首先，声纳系统的探测距离和分辨率不断提高。
通过使用更高频率的声波，可以获得更精确的目标位置信息。
其次，声纳系统的体积和重量越来越小，便于携带和使用。
现代声纳技术还融合了计算机、通信和图像处理等技术，实现了自动化的探测和分析。
此外，声纳技术还在进军深海和极地等极端环境下的应用。
声纳技术在深海科学研究和资源勘探中发挥着重要作用，它可以帮助科学家了解深海生态系统和地质情况。
对于极地科考而言，声纳技术在冰川研究、冰下水域探测等方面有着广泛应用。
《声纳原理》课程教学大纲
《声纳原理》课程教学大纲一、课程基本信息1、课程代码：03301902、课程名称（中文）：声纳原理课程名称（英文）：Principles of Sonar3、学时/学分：48/64、先修课程：水声学原理与换能器基阵，03301405、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。
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
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2。拖曳式线列阵声纳的一般概念
目前，拖曳式线列阵声纳主要分两大类，即被动式和 主被动联合式。下面给出主被动拖曳式声纳系统构成 框图。
杨益新
3
发射换能器可以有以下两种形式：
杨益新
4接收机功能分解：杨益新53。拖缆在水下的运动姿态
涉及到流体力学问题。
杨益新 6
4。阵形畸变问题
阵形畸变：
声纳原理
典型数字式声纳
任课教师：杨益新 电子邮件：yxyang@ 办公电话：88460373 办公地址：航海学院322室
杨益新 1
第一节 拖曳式线列阵声纳
拖曳式线列阵声纳是20世纪70年代开始研制并装备部 队的声纳。经过近30年的努力已成为水面舰艇和潜艇的重 要声纳装备之一。
杨益新
7
5。目标方位的左、右舷模糊问题
平台机动消除模糊
杨益新
8
使用偶极子或三基元组合消除模糊
杨益新
9
6。典型拖曳式线列阵声纳介绍
杨益新
10
COMTASS－Compact Towed Array Sonar System，是 英国20世纪80年代产品。 湿端由尾绳、隔震模块、仪表模块和声学模块组成，拖缆最 长可达1200米。 声学模块由64个基元构成，相邻水听器间隔1米，可以组成 32元的低频阵和中频阵。 绞车是液压驱动系统，可以保证在0.5~1.5m/s之间无级变 速，并包括自动排缆系统。 仪表模块中包含深度传感器、温度传感器和航向传感器等。 声纳信号处理系统的硬件以Motorola公司生产的96000系列 为CPU，具有故障自检系统。 波束形成分为宽带和窄带两种方式，均为频域算法。 显控台有数字、字符显示，可以对目标进行手动录入跟踪， 最多可以跟踪4个目标。 通过DEMON分析进行机助辅助目标识别。
1。拖曳式线列阵声纳的发展简介
20世纪50年代，西方国家使用拖曳式线列阵声纳勘探海底石油资源 美国海军首先在20世纪60年代末开始致力于把拖曳式线列阵声纳移植 到 水面舰艇上。 1975年6月，美国研制出AN/SQR－14警戒用远程拖曳式线列阵声纳。 1982年，美国的导弹驱逐舰开始装备AN/SQR－19型拖曳式线列阵声纳 几乎与此同时，美国核潜艇装备AN/BQR－25型拖曳式线列阵声纳。 其他西方国家的研究进展和美国相差无几（主要指英国、法国、德国等） 我国的主要研制单位是中船重工集团公司第715研究所和中国科学院声学 研究所。
杨益新
18
合成孔径声纳基本原理
杨益新
19
国外合成孔径声纳实验结果－DARPA SAS 系统
杨益新
20
国外合成孔径声纳实验结果－DARPA SAS 系统
杨益新
21
本章小结
拖曳式线列阵声纳 潜艇用舷侧线列阵声纳 固定式岸用声纳 合成孔径声纳
杨益新
22
杨益新 11
第二节 潜艇用舷侧线列阵声纳
接收基阵在潜艇上的配置
杨益新
12
本艇噪声的自适应抵消
杨益新
13
系统配置
杨益新
14
第三节 固定式岸用声纳
系统配置
杨益新
15
特殊问题－水下信号传输
杨益新
16
特殊问题－水下信号传输
杨益新
17
第四节 合成孔径声纳
普通声纳要提高分辨率，必须增大基阵尺寸（孔径） 或者增加信号频率。