授课对象040514、040521、040522科目第1章 绪论教学目的使学生了解水声工程设计基本方法、声纳设备正确使用以及水声学最新发展动态，掌握声波在海水中传播时的基本现象、规律和机理以及对声呐设备影响，具有解释声传播现象和解决简单水声工程实际问题能力，培养具有初步从事水声科学研究能力教学基本要 求掌握主、被动声纳方程，声纳参数物理意义，回声级、噪声级和混响级与距离的关系；了解水声学发展简史和应用、声纳方程的应用及限制教学内容分 析重点声纳参数；组合声纳参数；主、被动声纳方程，回声级、噪声级和混响级与距离的关系；声场中能量关系难点等效平面波混响级；回声级、噪声级和混响级与距离的关系教学方式教学思想启发式教学、理论与实际相结合教学手段传授法与多媒体教学相结合学时分配1 水声学发展史、研究对象、军事和民事应用 1学时2 声纳及其工作方式、声纳参数及其物理意义 1学时3 声纳参数及其物理意义、主被动声纳方程 1学时4 组合声纳参数、声纳方程应用及其限制 1学时5 声学基础知识 2学时教学进程教学组织：1． 通过介绍自己和课程的学习方法吸引学生注意力，组织教学；2． 通过提问思考题，复习检查，组织教学。
单元教案1讲授内容1．水声学发展史2．水声学研究对象3．水声学的军事和民事应用4．声纳及其工作方式• 声纳基本概念• 声纳的分类• 主动声纳的信息流程• 被动声纳的信息流程5．声纳参数• 声纳参数定义• 声源级SL声源级的定义及其物理意义发射指向性指数DIT声源级与声功率的关系• 传播损失TL• 目标强度TS• 海洋环境噪声级NL• 等效平面波混响级RL教学方式传授法与多媒体教学相结合师生互动设计教师提问—学生思考—教师讲授布置思考题1．什么是声纳？声纳可以完成哪些任务？2．主被、动声纳的信息流程有何不同？3．发射指向性指数物理含义是什么？单元教案2讲授内容1．声纳参数• 接收指向性指数DI接收指向性指数定义及其物理意义阐述与阵增益之间的关系常用换能器基阵的DI• 检测阈DT2．声纳方程• 声纳方程建立的基本原则• 主动声纳方程噪声背景主动声纳方程混响背景主动声纳方程• 被动声纳方程3．组合声纳参数• 回声信号级• 噪声掩蔽级• 混响掩蔽级• 回声余量• 优质因数和品质因数4．声纳方程应用及其限制• 声纳方程的应用声纳设备性能预报声纳设备设计• 声纳方程的瞬态形式• 回声级、噪声级和混响级与距离的关系教学方式传授法与多媒体教学相结合师生互动设计教师提问—学生思考—学生回答教师提问—学生思考—教师讲授布置思考题1．请写出主动声呐方程和被动声呐方程？在声呐方程中各项参数的物理意义是什么？2．环境噪声和海洋混响都是主动声呐的干扰，在实际工作中如何确定哪种干扰是主要的？3．已知混响是某主动声呐的主要干扰，现将该声呐的声源级增加10dB，问声呐作用距离能提高多少？又，在其余条件不变的情况下，将该声呐发射功率增加一倍，问作用距离如何变化。
单元教案3讲授内容1．声波描述• 声压• 位移和振速• 密度和压缩量2．波动方程• 连续方程• 状态方程• 运动方程• 波动方程• 速度势3．声场中的能量• 声能密度• 能量密度和声强4．介质特性阻抗和声阻抗率5．相速度和群速度6．平面波在两种不同均匀介质界面上的反射和折射• 垂直入射• 斜入射• 非均匀平面波• 分界面上声波反射时的能量关系教学方式传授法与板书教学相结合师生互动设计教师提问—学生思考—教师讲授布置思考题1．什么条件下发生海底全反射，反射系数有什么特点，说明其物理意义？2．给定水下声压为，那么声强是多大，与参考声强比较，以分贝表示的声强级是多少？第一章 绪论声波在水中的传播性能最好：在海水中，光波和无线电波的传播衰减都非常大，传播距离有限；声波在水中的传播性能好得多：利用深海声道效应，人们可以在5000公里以外，清晰地接收到几磅TNT炸药爆炸时所辐射的声信号（1公斤＝2.2磅）1.1 水声学发展简史² 水声学的迅速发展：始于第二次世界大战初期² 声纳起源：1490年，意大利列昂纳多•芬奇在摘记中写道：“如果使船停航，将长管的一端插入水中，而将管的开口放在耳旁，则能听到远处的航船。
——它是人类利用水声探测水下目标的最早记载，这种原始“声纳”一直到第一次世界大战还广为采用² 水声的第一次定量测量：1827年，瑞士物理学家D.Colladon和法国数学家C.Sturm合作，在日内瓦测量了声速，测得的声速值为1435米/秒，与现代测量值十分接近² 水声换能进展：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；在此基础上，后人支撑和发展了水声压电换能器和磁滞伸缩换能器，实现水中电能和声能之间的转换² 水声第一个回声定位方案：1912年，英国“泰坦尼克号”和冰山相撞海难事件发生后不久，英国人L.F.Richardson提出水下回声定位方案，他本人未能实现这一方案² 军用声纳发展（第一次世界大战）：第一次世界大战后期，反潜成为一个主要研究方向；法国物理学家B.Langeven和俄国电气工程师C.Chilowsky采用电容发射器和碳粒接收器作了水下目标的探测实验，1916年接收到海底回波和200米以外的一块装甲板的回波；1917年Langeven研究成功了石英－钢夹心换能器，并利用了真空管放大器，首次将电子学应用于水声技术；1918年，成功地探测到1500米以外的水下潜艇的反射声。
他首次实现了利用回声探测水下目标² 第一次世界大战后：水声技持续发展，1925年研制用于传播导航的水声设备——回声测深仪² 第二次世界大战：进一步推动水声技术的发展，取得很多成果：主、被动声纳，水声制导鱼雷，音响水雷和扫描声纳等² 第二次世界大战后：随着电子信息技术和水声技术的迅速发展，形成了低频、大功率、大基阵和综合信号处理为特征的新一代声纳近年来，最佳时空增益处理机理论的发展、信号处理的自适应技术和大规模集成电路的应用，又酝酿更新一代水声设备的诞生² 水声物理研究：在两次大战期间，人们对海水中声波传播规律了解甚少，感到探测距离随季节和一天的“早、中、晚”变化莫测，使水声设备的使用受到限制，“下午效应”就是这方面的一个例子促进各海军国进行水声物理方面的一系列研究，得到了理论和实验的总结规律：海水中声速分布及其对声传播的影响；用射线理论分析海洋中声传规律；海洋中声传播衰减规律和吸收机理；海底、海面的声学特性及对传播的影响；舰船噪声、混响，海洋环境噪声等水声干扰特性的了解；舰船等目标的反射本领等为水声设备合理选择参数提供依据，形成一门独立学科² 二次世界大战后，水声技术在民用方面的应用日益广泛，海洋开发、捕鱼、海底地质测绘、导航、水下机器人研制等方面都有水声设备的应用。
1.2 水声学的研究对象水声物理：从水声场的物理特性分析出发，主要研究海水介质及其边界（海底、海面）的声学特性和声波在海水介质中的传播时所遵循的规律，及其对水声设备工作的影响水声信道（声信息的传输通道）复杂、多变的，声传播现象也是复杂、多变的水声工程：包括水下声系统和水声技术两方面水下声系统：是水声换能器及基阵，实现水下声能与电能之间的转换，研究内容主要为换能器材料、结构、制作及其辐射、接收特性等《水声换能器及基阵》，周福洪编著水声技术：广义——声波在水中完成某种职能的有关技术狭义——水声信号处理、显示技术，主要研究声信号在水中传播时的特性和背景干扰（噪声和混响）的统计特性，在此基础上设计最佳时、空处理方案，实现信号检测，并完成目标参数估计和目标识别《水声信号处理基础》，钱秋珊、陆根源编1.3 水声学的应用水声的军事应用：² 水雷引爆：压敏水雷、音响水雷² 制导鱼雷：主、被动制导² 舰载声纳：A/N-SQS-26² 拖曳声纳：A/N-SQS-35² 拖曳线阵以及声纳浮标等水声的民用：² 测深：常规测深仪、底层剖面仪、旁视声纳² 多普勒测速仪² 鱼探仪：前视主动声纳² 助鱼设备：计数、诱鱼² 助潜设备：手提式小型的定位声纳² 定位标志：新标、应答器² 通讯与遥测² 控制：声释放器、油井井口流量控制² 声学流量计、波高传感器1.4 内容安排以声纳方程为主线，对它的每个参数从水声物理的角度进行阐述：² 绪论：声纳方程² 声学基础知识：² 海洋声学特性：² 海洋中的声传播理论：² 典型传播条件下的声场：² 声波在目标上的反射和散射：² 海洋中的混响：² 水下噪声：² 声传播起伏：教材：刘伯胜编《水声学原理》1.5 声纳及其工作方式声纳（Sonar—Sound Navigation and Ranging）：利用水下声信息进行探测、识别、定位、导航和通讯的系统。
按照工作方式分类：主动声纳和被动声纳主动声纳信息流程：发射系统发射携带一定信息的声信号（发射信号），在海水中传播时如遇到障碍物（潜艇、水雷、鱼雷、冰山、暗礁，统称声纳目标），产生回声信号；在某一方向上的回声信号传到接收基阵，并将其转换为电信号，经处理器处理后送到判决器，根据预先确定的原则进行判决，最后显示判决结果被动声纳（噪音声纳站）信息流程：被动声纳通过接收被探测目标（声源部分）如鱼雷、潜艇等的辐射噪声，来实现水下目标探测1.6 声纳参数主、被动声纳工作信息流程的基本组成：声信号传播介质（海水）、被探测目标和声纳设备声纳参数：将影响声纳设备工作的因素称为声纳参数1、声源级SL声源级SL用来描述主动声纳所发射的声信号的强弱（反应发射器辐射声功率大小），定义为：式中，为发射器声轴方向上离声源声中心1米处的声强，为参考声强（均方根声压为1微帕的平面波的声强），为了提高主动声纳的作用距离，它的发射器做成具有一定的发射指向性，如右图所示解释原因：它可以提高辐射信号的强度，相应也提高回声信号强度，增加接收信号的信噪比，从而增加声纳的作用距离发射指向性指数DIT：式中，为指向性发射器在声轴上测得的声强度；为无指向性发射器辐射的声强度。
含义：在相同距离上，指向性发射器声轴上声级高出无指向性发射器辐射声场声级的分贝数；越大，声能在声轴方向集中的程度越高；就有利于增加声纳的作用距离声源级与声功率的关系：假设介质无声吸收，声源为点声源，辐射声功率为Pa（W），距声源声中心1米处声强度为：则可得无指向性声源辐射声功率与声源级的关系：有指向性声源辐射声功率与声源级的关系：常识：船用声纳Pa为几百瓦~几千瓦，为10~30dB，SL约为210~240dB2、传播损失TL由于海水介质本身的声吸收、声传播过程波阵面的扩展及海水中各种不均匀的散射等原因，声波的声强度逐渐减弱传播损失TL定量描述声波传播一定距离后声强度的衰减变化，它定义为：式中，是离声源声中心1米处。