[工学]水声学原理第一章

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1、2019/1/21,水声学原理,上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室,范 军,2,第一章 导论,1.1 海洋与水声技术 1、为什么用水声技术 海洋占据地球表面约70的面积； 海洋是人类开展交通运输、军事斗争和获取资源的场所。这就必须有观测、通讯、导航、定位的工具。水声技术在其中扮演了重要的角色。 声波是迄今为止在水中唯一能有效地远距离传递信息地物理场。 电磁波在水中的衰减： 不能在水中远距离传播 声波由于介质吸收引起的衰减： 能远距离传播 声波与电磁波衰减之比： 10kHz声波水中衰减仅约 1分贝/公里 电磁波为4500分贝/公里 其它物理场：磁场、水压场、尾流场、温度场，也是可以检测，

2、但可检测距离大 致与源本身尺度同一量级，不能在水中远距离传递信息。,3,1.2、声呐与雷达的异同,声呐与雷达的工作原理相似。但由于信息载体声波与电磁波的差异决定了 声呐和雷达有重要差别。 a.电磁波速度30万公里/秒,声波在水中1.5公里/秒。决定： 工作频率差别大。雷达频率约GHz（ Hz） 声呐频率约kHz（ Hz） 工作速率差别大。雷达搜速快，声呐搜索慢 分辨率差。声图象模糊。 b.声呐受海洋信道影响大。声呐环境比雷达环境复杂得多。 c.声呐的作用距离近。,4,1.3、水声技术的研究范围,水声技术呐是研究声波在水中的发射、传输、接收、处理的专门技术。包括： a.水声换能器和基阵水声传感器

3、系统； b.水声物理海洋信道的传播、混响、散射、噪声特性和各种水声目标特性； c.水声设备水声信号处理、水声电子技术。 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。,5,1.4、水声技术的发展历史,1490年 达芬奇就提出声纳的原始概念 泰坦尼克号的沉没，开始最初的声纳设计 第一次世界大战的爆发促进了一系列军用声纳的发展（值得一提的是郎之万在换能器上的贡献，并

4、测得了水中1500米外潜艇回波） 一战和二战之间水声工程一直缓慢而稳步发展,最大的成就是对海洋声传播机理的认识。（如“下午效应”现象的解释） 二战期间为了探测德国潜艇，水声工程有了很大发展，出现了大量新的理论和技术 战后水声工程随着计算机和电子计算发展，水声工程的应用在军用、民用领域更为广泛。,6,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

5、有1015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。,1.5 声呐简介,7,主要声呐图片,8,德国ATLAS公司研制的拖曳线列阵,英国、法国联合研制的舷侧阵声呐TSM2253,德国ATLAS公司研制的ASA9225主动拖曳线声呐,英国、法国联合研制的投吊声呐,美国Lo

6、ckheed Martin公司研制的被动测距声呐PUFFS,美国DTI公司研制的合成孔径声呐,9,1.6 声学量的度量、分贝和级,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20Pa（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。 因此声学中定义一个以对数为基础的分贝单位，水声也一直沿用。,10,1.6.1、定义和参考,声压、声强和声功率用级和分贝（d

7、B）来量度。他们是：,参考值,11,1.6.2声压级等于声强级:,注意参考值不同产生的声级差别:,1971年以前曾用： =20Pa2104达因/厘米2，换算到现在标准要加26分贝。 1 达因/厘米21b（微巴）105Pa，换算到现在的标准 要加100分贝。 俄罗斯标准20Pa 由于空气声和水声参考值的不同，舱室内声级为L分贝的噪声若 无损耗地传到水下将变成L26分贝的水噪声。,12,固体介质中的结构噪声用振动来描述，它的分贝定义实际上就是振动量的分贝定义。,加速度级,速度级,位移级,加速度、速度和位移参考值是： 米/秒2， 米/秒， 米。,应当指出的是，虽然结构噪声级与振动级的定义相同，但实际

8、测量和评价方法有区别的。因为结构噪声要反映连续弹性体的振动特性，所以用一个点的振动级是无法描述的。通常要用结构的整个辐射面上大量测点的统计平均来描述。,13,1.6.3 分贝表示的特点,物理量的乘除运算变成加减运算。 例如在声学测量中，用灵敏度等于S 伏/Pa的水听器接收，经过放大倍数等于K的放大器放大后得到电压V伏。水听器输入端的声压是 : （Pa） 声压级:,如果水听器灵敏度、声学测量放大器的放大倍数都用分贝表示，只要简单的加减运算就可以求出声压级。,14,声学中不仅声学量用分贝表示，它们的误差范围也用误差表示， 例如 。,用分贝表示的误差与百分比误差的换算关系：设声压是 分贝表示是 ，则

9、有，图给出其关系曲线：,15,用分贝表示后函数图形发生变化,声学中最常见的幂次规律 :,以 为横坐标声级是一条直线。从直线的斜率可以确定幂次n。最方便的方法是根据频率加倍时声级减小的分贝数 得到,声强随频率衰减规律,声强随距离衰减规律,16,1.6.4 分贝的基本运算,相干叠加,在讨论分贝运算法则前先要搞清楚声场的叠加原则。因为声压场是标量场，具有可加性。但是，它又是一个波动场，既有振幅又有相位。,相干叠加：当两个以上的有规声波叠加时要同时计及振幅和相位，若是同频率的声波叠加会发生干涉现象。若是频率相差不多的两个声波叠加会发生“拍”。这些情况称为相干叠加：,水下声基阵形成指向性就是靠声波到达不

10、同阵元的相位差。,能量叠加：当两个以上的随机噪声叠加时，由于相位是随机的，噪声要按强度或能量叠加。因为相位的随机性导致所有的交叉项 ，所以 。相当于按强度或能量叠加。有时候几个噪声之间有一定的相干性，但是相干性无法估计或测量，也采用能量叠加的原则处理。其结果是对相干叠加的一种平均。所以，能量叠加是噪声场叠加的基本原则。因此也是分贝计算的指导原则。,17,1.6.4.1 噪声叠加,特例:N个声级相同的噪声叠加，总声级是单个噪声声级加 分贝。当N2即两个声级相同的噪声叠加，总声级增加 分贝。,当声级为 的N个噪声叠加时，按强度叠加得到总声强和总声级：,18,1.6.4.2 噪声相减（背景噪声的扣除

11、）,19,1.6.4.3多个噪声级的平均,对噪声级进行多次测量需要计算其平均值。设N 次测量的噪声级分别是 ，应根据声强的算术平均值计算平均噪声级:,若各次测量的噪声级的差值小于3dB，则可以直接取噪声级的算术平均值代 替上式，得到：,其误差不超过0.5dB；若各次测量的噪声级的差值小于5dB，误差不超过0.7dB。,20,1.6.4.5 降噪量的计算,已知总噪声级为140dB，它由三个声级相同的噪声叠加而成。可以求出每个噪声源的声级是135.2dB。三种降噪方案的效果是： 方案一、将其中一个噪声源降低10dB，另外两个不变，总噪声级 只下降1.6dB； 方案二、将其中的两个噪声源降低10dB

12、，总噪声级下降了4dB； 方案三、将三个噪声源都下降10dB，总噪声级也下降10dB。,例：已知总噪声级由N个声级分别是 的噪声叠加而成 。当这N个噪声分别降低 分贝后，总声级降低为:,总降噪量是 :,21,1.7 频谱和频谱级,水声信号、特别是噪声信号常常包含有多种频率成分，能量分布在一个频带宽 度内。定义单位频带宽度1Hz内的声强度为声强谱密度，用函数 表示。谱 密度的分贝表示称为谱密度级。,将谱密度函数在整个频带内积分就等于总强度：,在频率f附近带宽内的声强是：,用分贝表示：,称为频带级，频带级等于谱密度级加 。上面的分贝计算法则同样适用于频带级和谱密度级的计算。,潜艇辐射噪声,22,用

13、声压表示时：,在声学测量中用到两种滤波器： 恒定带宽滤波器：低频时分析太粗，高频分析太细，无法兼顾。 恒定百分比或Q滤波器：用的多，人耳听觉模型是其的组合。声学中的恒定 百分比滤波器称为倍频程滤波器。,23,n倍频程滤波器的数学定义为：,或,中心频率为：,带宽：,n=1 1/1倍频程（1/1oct） n=1/3 1/3倍频程（1/3oct）,对于1/3oct来讲，是在间隔为1倍频程的两个频率之间再插入两个频率，使这4个频率之间依次相距1/3倍频程，即这4个频率值按比例为： ，近似为 。ISO规定110Hz之间划分10个频段，中心频率为：1:1.25:1.60:2.0:2.5:3.15:4.0:

14、5.0:6.3:8.0:10.0。这样的取值得好处是，可使每隔10个1/3倍频程频段的两端频率正好相差10倍，还可以使每隔3个1/3倍频程频段为一个1/1倍频程频段。,24,1.8 水声（海军）的一些习惯用量,距离单位：英尺（feet），1英尺12英寸0.3048米 千码（Kiloyard）,1千码3000英尺914.4米 海里（Nautical mile）,1海里1853米 链 ,1链=1/10海里 深度单位：英尺 浔（fathom）,1浔2码6英尺1.83米 速度单位： 节（kont），1节1海里/小时0.5米/秒,25,1.9 声呐方程,水声探测技术包括主动方式和被动方式。相应的声呐也分

15、为主动声呐和被动声呐。 主动声呐：由探测设备主动的发射声波，通过接收、分析目标回波实现对目标的 探测、定位和识别。 特点：定位和测距精度高，容易暴露自己，非隐蔽探测，今年来又逐渐重要。 被动声呐：由探测设备被动的接收、分析目标发出的噪声对目标进行探测、定位和识别。 特点：定位和测距精度不如主动声呐高，是隐蔽探测，是目前主要探测方式，被动声呐包括：水雷引信、鱼雷自导、舰艇被动声呐、拖曳线列阵、海岸预警系统。,被动声呐,主动声呐,26,声呐是为了完成特定使命而构成的水声系统。它的性能取决于目标、传输信 道和接收、处理设备的特性。声呐方程是将这三者联系在一起的一个关系式。 它是声呐系统工作时必须服从的一个关系式。应用这个关系式可以对声呐系统 的工作特性作出估计和预报，是声呐设计的基础。,无论声呐系统如何复杂，要完成一定的使命必须保证在其输入端满足：,或：,这里检测阈是接收、处理设备对信号作出判决的一个阈值，用DT表示。DT取决于： 1、使命的性质； 2、完成使命的质量，通常用检测概率和虚惊概率来表示。 3、接收、处理设备的能力。,27,1.9.1 声呐方程中的各种参数,在声呐方程中出现的声呐参数可分为三类： 由声呐系统决定的参数，包括：声源级SL：、自噪声级NL、空间增益GS（或DI）、时间 增益GT、检测阈DT； 取决与被探测目标的参数，包括：辐射声源级S