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1、第七章 海洋中的混响,College of Underwater Acoustic Engineering,2,第六章知识要点,目标强度 概念与定义 刚性大球的目标强度理论推导 常见声纳目标的目标强度的一般特征 潜艇的目标强度随方位的变化关系及原因 潜艇的目标强度随测量距离的变化关系及原因 潜艇的目标强度随脉冲宽度的变化关系及原因 目标强度的实验测量 比较法测量目标强度原理,College of Underwater Acoustic Engineering,3,第六章知识要点,目标强度的实验测量 直接法测量目标强度原理 应答器法测量目标强度原理 实验室测量目标强度注意四项 简单几何形状物体的
2、目标强度 刚性球体的目标强度 有限长柱体正横方向的目标强度 目标回波 回波信号的形成及一般特征,College of Underwater Acoustic Engineering,4,本章主要内容,实验测量的混响信号（参考内容） 海洋混响基本概念（重点） 混响的分类 散射强度 等效平面波混响级 基本假定 体积混响（重点） 对混响有贡献的区域,College of Underwater Acoustic Engineering,5,本章主要内容,体积混响（重点） 体积混响理论 深水体积混响源及其特征 舰船尾流 海水中气泡的声学特性（了解） 海面表层内的空气泡 小气泡对声波的吸收作用 小气泡的共
3、振频率,College of Underwater Acoustic Engineering,6,本章主要内容,海水中气泡的声学特性（了解） 单个气泡的散射截面、吸收截面和消声界面 衰减系数 含气泡水介质中的声速 海面混响（重点） 海面散射的理论处理 海面散射强度 关于海面散射的理论,College of Underwater Acoustic Engineering,7,本章主要内容,海底混响（重点） 海底混响的理论处理 海底散射强度 关于海底反向散射的理论解释 混响的统计特性（了解） 分布函数及平均起伏率 混响的相关特性 频率分布 混响的预报（重点）,College of Underwat
4、er Acoustic Engineering,8,局部放大,实验测量的混响信号 混响波形图及其声音,College of Underwater Acoustic Engineering,9,实验测量的混响信号 混响波形局部放大,College of Underwater Acoustic Engineering,10,海洋混响基本概念 混响的分类 混响的形成 混响的特点 紧跟在发射信号之后 随时间衰减,海洋中存在大量的散射体 （海洋生物、泥沙粒子、气泡、水团等）,声波投射到散射体上 产生散射,散射声波在接收点处 叠加,College of Underwater Acoustic Engine
5、ering,11,海洋混响基本概念 混响的分类 海水中流砂粒子、海洋生物，海水本身的不均匀性等对声波散射所形成的混响体积混响 海面的不平整性和波浪形成的气泡层对声波散射所形成的混响海面混响 海底及其附近散射体形成的混响海底混响 提示：海面混响和海底混响统称为界面混响（散射体分布是二维的）,College of Underwater Acoustic Engineering,12,海洋混响基本概念 散射强度 定义：参考距离1米处被单位面积或体积所散射的声强度与入射平面波强度比值的分贝数。 注意：散射强度也是在远场测量后再归算到单位距离处的。 应用 1）散射强度是表征混响的一个基本比值，可利用它计
6、算各类混响的等效平面波混响级或进行混响预报；,College of Underwater Acoustic Engineering,13,海洋混响基本概念 散射强度 应用 2）体积混响的反向散射强度值为-70dB-100dB，远小于海面和海底值。 等效平面波混响级 描述：若接收器接收来自声轴方向入射的强度为 的平面波输出端电压为V，如将接收器放置在混响声场，声轴对着目标，接收器输出端电压也为V，则混响场的等效平面波混响级RL为：,College of Underwater Acoustic Engineering,14,海洋混响基本概念 等效平面波混响级 定义： 注意：混响是随时间指数衰减的，
7、因此，它对接收信号干扰的大小与信号到达时间有关。 计算等效平面波混响级的基本假定 直线传播，计及球面衰减和海水吸收：,College of Underwater Acoustic Engineering,15,海洋混响基本概念 基本假定 散射体分布是随机均匀的，且每个散射体贡献相同； 散射体数量极多，单位体积元和面元有大量散射体： 不考虑多次反射：只考虑一次散射 脉冲时间足够短，忽略体积元和面元尺度范围内的传播效应。,College of Underwater Acoustic Engineering,16,体积混响 对混响有贡献的区域 海洋中存在大量散射体，它们距离声源和接收器的远近不一样，
8、入射声波照射到散射体的时刻有先后。某时刻的混响是该时刻所有到达接收器的散射波的总和。 结论：海洋中只有部分散射体对某时刻混响有贡献 考虑收发合置情况，声源、接收器位于O点，发射脉冲宽度为 ，根据球面扩展假设，该脉冲在海水中形成一个厚度为 的扰动球壳层，发射脉冲结束后的 时刻，该扰动球的内外半径为： ，,College of Underwater Acoustic Engineering,17,体积混响 对混响有贡献的区域,College of Underwater Acoustic Engineering,18,体积混响 对混响有贡献的区域 解释：球壳内的散射体在 时刻的散射波，不能在同一时刻
9、传到接收器。球壳内层半径为 的A点脉冲后沿激发的散射波在 时刻开始传向接收点；而半径为 的B点， 脉冲前沿在 时刻开始 向接收点发出散射波，到达A 点的时刻恰好也是 ，它们 可在 时刻同时到达接收点。,College of Underwater Acoustic Engineering,19,体积混响 对混响有贡献的区域 提示：位于 和 之间的散射体都和B点类似，都会对 时刻的混响有贡献。上述推导也适用于海面和海底混响，只是圆环替代球壳。 体积混响理论,(a)发射,(b)接收,College of Underwater Acoustic Engineering,20,体积混响 体积混响理论 假
10、设散射体为均匀分布，发射器的指向性为 1）单位距离处的轴向声强为 ，则在空间 方向上的声强为 2）考虑 方向上 处有一体积为dv的体积散射体，根据基本假设（1），dv处的入射声强度为 3）根据散射强度的定义： 令：,College of Underwater Acoustic Engineering,21,体积混响 体积混响理论 则可得在返回声源方向距离dv单位距离处的散射声强度为 4）在入射声波作用下，由dv产生的返回声源处的散射声强度为 5）设接收器指向性为 （收发合置则有 ），则对接收器输出端有贡献的声强绝对值为,College of Underwater Acoustic Engine
11、ering,22,体积混响 体积混响理论 6）总的散射声强为： 7）根据假设，每个散射体元有相同的贡献，总散射声强绝对值为： 8）根据混响级的定义式和上式，体积混响等效平面波混响级为：,College of Underwater Acoustic Engineering,23,体积混响 体积混响理论 9）积分计算 对体积混响有贡献的体积是厚度为 的球壳层，则有 是体积元对接收点所张的立体角，将上式代入体积混响等效平面波混响级积分公式得：,College of Underwater Acoustic Engineering,24,体积混响 体积混响理论 9）积分计算 注意：上式中积分 一般不易求
12、 得，若将其视为发射-接收的组合束宽， 则用一理想的等效指向性来替代。 设有立体角 ，具有如下指向性：在立体角 内，相对响应为1；在立体角 外，响应为零，即,College of Underwater Acoustic Engineering,25,体积混响 体积混响理论 10）用理想指向性替代实际合成指向性，则等效平面波混响级为 或写成 是散射体到接收器之间的距离，它与传播时间 之间的关系为：,College of Underwater Acoustic Engineering,26,体积混响 体积混响理论 特点 体积混响等效平面波混响级的理论公式： 1）混响声强与入射声强度、发射信号的脉冲
13、宽度、发射-接收换能器的组合指向性束宽等量成正比； 2）混响强度与混响时间的平方成反比，与散射体元的散射强度也有关。 问题：如何减小混响，即如何抗混响？,College of Underwater Acoustic Engineering,27,体积混响 体积混响理论 答案：在不影响声纳作用距离的前提下，适当减小发射信号声功率；采用尖指向性的收发换能器，以得到窄的组合波束；发射信号采用窄脉冲宽度。 深水体积混响源及其特征 概念：回声强度强的层称为深水散射层（DSL），它是体积混响的主要来源； 混响源：生物性的-磷虾科动物、乌贼和挠足类动物； 非生物性的：尘粒和砂粒、温度不均匀水团、海洋湍流、舰
14、船尾流,College of Underwater Acoustic Engineering,28,体积混响 深水体积混响源及其特征 特点：有一定厚度；深度不固定，具有昼夜迁移规律，深度变化可达几百米；具有低频选频特性。 混响产生的原因：散射体是生物性的，为存在于海洋中的海洋生物；低频选频特性是由含气鱼鳔所造成；非生物性的散射体对散射贡献是微不足道的。 提示：用垂直向下的测深仪测量其深度。 深水散射层声学特性 1）深度大约在180900m，典型深度为400m，而其厚度则为90m；,College of Underwater Acoustic Engineering,29,体积混响 深水体积混响
15、源及其特征 深水散射层声学特性 2）在1.612kHz范围内，层中值具有频率选择性，在不同深度上，层有不同共振频率，反映了层的多层结构； 3）存在于全地球的海洋中，是全地球海洋声学和生物学上的有规律的特征； 4）散射层在日落时上升，日出时下降，白天和夜晚深度保持不变。,College of Underwater Acoustic Engineering,30,体积混响 舰船尾流 概念：航行中的舰船的螺旋桨所产生的一条含气泡湍流 特点：宽度变化：开始时，其宽度与船宽一样，以后逐渐增宽； 深度变化：开始时，厚度约为2倍船吃水深度，而后逐渐发生变化； 持续时间：保持时间长，延伸很远。 结论：视为大目
16、标，其回声具有混响的一些特征。,College of Underwater Acoustic Engineering,31,体积混响 舰船尾流 尾流强度：用来描述尾流声散射作用的参量，定义为单位长度尾流的散射强度，与 相类似的一个量；它与舰船类型、航行速度和深度以及频率等量有关。 尾流片段,College of Underwater Acoustic Engineering,32,海水中气泡的声学特性 海面表层内的空气泡 海面的不平整性及波浪产生的小气泡对声波的散射形成海面混响 海面混响的特性与水中气泡的声学特性密切相关 小气泡对声波的吸收作用 小气泡不属于吸声材料； 小气泡群的吸收和散射作用使得声波通过这种气泡群后会产生很大衰减。 衰减的原因 1）气泡散射气泡的存在使介质出现不连续性；,College of Underwater Acoustic Engineering,33,海水中气泡的声学特性 小气泡对声波的吸收作用
