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1、水声学 Underwater Acoustics,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？ 如何认识海洋？海洋的勘探、调查、监测手段是什么？,水声学,绪论,2,1、水声学的基本内涵,如何实现水下的探测、定位、导航和通信？,陆地上的信息获取 电磁波 光波 声波 电磁波是最有效的信息载体 探测雷达 导航与定位GPS 通信有线、无线、卫星通信,水声学,绪论
2、,3,1、水声学的基本内涵,应该采用何种方式探测水下目标? 电磁波 水中传播衰减很大（电磁波每米能量衰减百分之九十）。 光波 作用距离非常近 ( 10米到100米 )。 声波 ?,水声学,绪论,4,1、水声学的基本内涵,声波 声波是目前水下唯一有效的远距离传播信息载体。,水声学,绪论,5,1、水声学的基本内涵,ATOC实验-低频声源,ATOC实验-声波传播路径,水声学主要研究携带某种特定信息的声波在水中的产生、传播与接收，用以解决与水下目标探测和信息传输过程有关各种声学问题。,水声学,绪论,6,1、水声学的基本内涵,air-ocean interface,ocean volume,ocean
3、subbottom,水声学是声学的一个重要分支。,水声学,绪论,7,1、水声学的基本内涵,水声学是围绕水声技术、水声对抗技术和水声工程的基本需求来开展科学研究的。 水声技术 利用声波作为信息载体来实现水下探测、定位、导航和通信的原理与方法。 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 水声技术和水声对抗技术的工程目标实现。,水声学,绪论,8,1、水声学的基本内涵,水声学起源1490年，达.芬奇摘记中记录利用长管听远处航船。 水声学第一次定量测量1827年，瑞士物理学家D.Colladon和法国数学家C.Sturm合作，在日内瓦湖测量了水中的声速。,水声
4、学,绪论,9,2、水声学的发展简史,1840年，焦耳发现了磁致伸缩效应。 1880年，皮埃尔.居里发现了压电效应。,水声学,绪论,10,2、水声学的基本内涵,一个航海悲剧（1912年）和一次世界大战（1914年）推动水声学迅速发展。,水声学,绪论,11,2、水声学的基本内涵,1912年， 英国人Alexander Belm描述了回声定位设备。 1912年，英国人L.F. Richardon提出了回声定位方案。,水声学,绪论,12,2、水声学的基本内涵,The first working sonar system was designed and built in the United Stat
5、es by Canadian Reginald Fessenden in 1914. The Fessenden sonar was an electromagnetic moving-coil oscillator that emitted a low-frequency noise and then switched to a receiver to listen for echoes. It was able to detect an iceberg underwater from 2 miles away, although with the low frequency, it cou
6、ld not precisely resolve its direction.,1914年，第一次世界大战爆发，反潜战出现促进军用声呐发展。,水声学,绪论,13,2、水声学的基本内涵,Powerful high frequency ultrasonic echo-sounding device was developed by emminent Franch physicist Paul Langvin and Russian scientist Constantin Chilowsky. They called their device the hydrophone. The transdu
7、cer of the hydrophone consisted of a mosaic of thin quartz crystals glued between two steel plates with a resonant frequency of 150 KHz. Between 1915 and 1918 the hydrophone was further improved in classified research activities and was deployed extensively in the surveillance of German U-boats and
8、submarines. The first known sinking of a submarine detected by hydrophone occurred in the Atlantic during World War I in April,1916.,水声学,绪论,14,2、水声学的基本内涵,1925年， 研制出用于船舶导航水声设备回声测深仪。 第二次世界大战促进了水声技术的飞速发展。 反潜，法国、英国和美国，主动声呐 郎之万振子，夹心石英预应力换能器 磁致伸缩换能器 电子管振荡器和放大器 压电陶瓷 透声橡胶 水声传播机理“下午效应” 水声物理研究传播、噪声、目标、混响的基本理论
9、 潜艇攻击，德国的被动声呐听音系统 潜艇隐身技术，消声瓦,水声学,绪论,15,2、水声学的基本内涵,二战后电子技术和信息科学发展促进水声学的发展 传感器技术 拖曳线列阵技术 水声信号处理技术 水声物理学研究“深海声道效应” 减振降噪与隐身技术,新型声呐发展趋势？,低频、大功率、大基阵和综合信号处理,水声学,绪论,16,2、水声学的基本内涵,水声学,绪论,17,3、水声学的研究对象,水声学,绪论,18,3、水声学的研究对象,水声物理 海洋环境的声学特性 海水（声学特性） 海底与海面（声学特性） 声波在海洋环境中的传播规律 海洋混响 海洋环境噪声 环境、干扰对设备的影响机制,水声学,绪论,19,3
10、、水声学的研究对象,水声物理实验研究常用设备,水声学,绪论,20,3、水声学的研究对象,水声物理实验研究常用设备,水声学,绪论,21,3、水声学的研究对象,水声工程 水声换能器 水声基阵 水声换能材料 水声换能器设计原理与方法 水声换能器工艺 声基阵成阵技术 水声换能器校准计量,水声学,绪论,22,3、水声学的研究对象,水声工程 声系统校准装置 耦合腔校准系统 中频校准水池定位系统 高压消声水池 湖上实验场,水声技术 完成某种职能的相关技术（广义） 水声信号处理、显示技术（狭义） 信号检测（目标检测） 参数估计（参数估计）波束形成技术、自适应技术等 目标识别时频分析等 信号处理的软硬件实现模拟
11、、数字、DSP技术等,水声学,绪论,23,3、水声学的研究对象,水声学,绪论,24,4、水声学的主要应用,军用 按载体划分 舰载声呐(Ship-based Sonar) 艇载声呐(Boats set out Sonar) 岸基声呐(Shore-based Sonar) 机载声呐(Airborne Sonar) 声纳浮呐(Sonobuoy) 潜标(Submersible buoy) 水中兵器,水声学,绪论,25,4、水声学的主要应用,军用 按功能划分 通信声呐 导航声呐 定位声呐 水雷引信 探雷声呐,水声学,绪论,26,4、水声学的主要应用,水下目标探测,消声瓦使高频回波显著降低。 潜艇辐射噪声
12、主要集中于低频线谱。,水声学,绪论,27,4、水声学的主要应用,SONOBUOYS,水下目标探测,水声学,绪论,28,4、水声学的主要应用,水下目标探测,Airborne Sonar,水声学,绪论,29,4、水声学的主要应用,水下目标探测,Towed Long Linear Array,水声学,绪论,30,4、水声学的主要应用,鱼雷和水雷,水声学,绪论,31,4、水声学的主要应用,民用 测深 单波束测深仪 多波束测深仪 旁视声呐 侧扫声呐 综合孔径测深仪 测速 多普勒测速仪（海流计） 相关测速仪（海流计）,水声学,绪论,32,4、水声学的主要应用,民用 鱼探仪 助渔设备（诱鱼、计数、跟踪） 助
13、潜设备 水下定位 信标 应答器 通讯与遥测 声控电灯,海底地形测绘,水声学,绪论,33,4、水声学的主要应用,海底特性探测,水声学,绪论,34,4、水声学的主要应用,洋流和海水温度探测,观察点A,观察点B,声源运动方向,多普勒效应,水声学,绪论,35,4、水声学的主要应用,鱼群探测、跟踪和识别,水声学,绪论,36,4、水声学的主要应用,水声通讯,水声学,绪论,37,4、水声学的主要应用,水声定位导航,水声学,绪论,38,4、水声学的主要应用,水声学,绪论,39,声呐及声呐方程 海洋的声学特性 海洋中的声传播理论 典型传播条件下的声场 声波在目标上的反射和散射 海洋中的混响 水下噪声 声呐方程的
14、应用,5、本课程的主要内容,建立声呐系统的基本概念 由声呐方程入手，将所有与声呐系统有关的物理参数联系到一起，了解声呐系统设计、性能预测所需要的基本参数，建立基本的物理概念，明确水声学的主要研究内容与声呐系统的关系。 由声呐方程引出有关的水声物理问题，是声呐系统设计必须认真考虑的因素，也是水声学主要的研究内容。,水声学,绪论,40,5、本课程的主要内容,深入了解海洋环境的声学特性海洋的声学特性是水声学研究的基础，也是水声学研究的基础内容之一。海洋环境的声学特性是海洋监测技术的基础。海洋环境包括水体、海面和海底，有平均特性，也有不均匀性，他们的声学特性对水声设备的研制与使用都是至关重要的。,水声学,绪论,41,5、本课程的主要内容,水声学,第2章 海洋的声学特性,42,THE END,
