水声学声波在目标上反射和散射

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1、第六章第六章 声波在目标上的反声波在目标上的反射和散射射和散射1水声学-声波在目标上反射和散射n邻近海面的水下点源声场邻近海面的水下点源声场q声压振幅随距离的变化特征（近场声压振幅随距离的变化特征（近场/远场）远场）q传播损失传播损失n表面声道表面声道q表面声道特征表面声道特征q反转深度、临界声线、跨度的概念反转深度、临界声线、跨度的概念q传播损失（近距离传播损失（近距离/远距离）远距离）n深海声道深海声道q深海声道特征深海声道特征第五章知识要点第五章知识要点2水声学-声波在目标上反射和散射q声影区的概念声影区的概念q传播损失（近距离传播损失（近距离/远距离）远距离）n深海负梯度深海负梯度q声

2、线的特点与极限声线声线的特点与极限声线q几何作用距离的概念几何作用距离的概念n深海负跃层深海负跃层q概念概念q对声传播的影响对声传播的影响n均匀浅海声场均匀浅海声场q传播损失与距离的关系（近传播损失与距离的关系（近/中等中等/远距离）远距离）q虚源表示的基本思想虚源表示的基本思想3水声学-声波在目标上反射和散射n目标强度（重点）目标强度（重点）q目标强度概念目标强度概念q刚性大球的目标强度刚性大球的目标强度n常见声纳目标的目标强度的一般特征（重点）常见声纳目标的目标强度的一般特征（重点）q潜艇的目标强度潜艇的目标强度q鱼雷和水雷的目标强度鱼雷和水雷的目标强度q鱼的目标强度鱼的目标强度本章主要内

3、容本章主要内容4水声学-声波在目标上反射和散射n目标强度的实验测量（重点）目标强度的实验测量（重点）q比较法测量目标强度比较法测量目标强度q直接法测量目标强度直接法测量目标强度q应答器法应答器法q实验室测量实验室测量n常见声纳目标的目标强度（了解）常见声纳目标的目标强度（了解）n简单几何形状物体的目标强度（了解）简单几何形状物体的目标强度（了解）本章主要内容本章主要内容5水声学-声波在目标上反射和散射n目标回波（重点）目标回波（重点）q回波信号的形成回波信号的形成q回波信号的一般特征回波信号的一般特征n刚性球体的散射声场（了解）刚性球体的散射声场（了解）q刚性不动球体的声散射刚性不动球体的声散

4、射q刚性不动微小球粒子对平面波的散射刚性不动微小球粒子对平面波的散射n声波在弹性物体上的散射（了解）声波在弹性物体上的散射（了解）q平面声波在弹性球体上的散射平面声波在弹性球体上的散射q弹性物体散射声场的一般特征弹性物体散射声场的一般特征本章主要内容本章主要内容6水声学-声波在目标上反射和散射本章主要内容本章主要内容n壳体目标上的回波信号（了解）壳体目标上的回波信号（了解）q稳态回波信号稳态回波信号q短脉冲入射时的回声信号短脉冲入射时的回声信号n用赫姆霍茨积分方法求解散射声场（了解）用赫姆霍茨积分方法求解散射声场（了解）q赫姆霍兹积分解赫姆霍兹积分解q菲涅尔半波带近似法菲涅尔半波带近似法7水声

5、学-声波在目标上反射和散射n目标强度目标强度q目标强度概念目标强度概念n水下目标水下目标1 1）军事目标：潜艇、鱼雷、水雷军事目标：潜艇、鱼雷、水雷 2 2）民用目标：鱼群）民用目标：鱼群3 3）无限伸展非均匀体：深水散射层、海面、海底等无限伸展非均匀体：深水散射层、海面、海底等 n研究声纳目标回波特性研究声纳目标回波特性的的意义意义A A）主动声纳目标检测和识别的依据主动声纳目标检测和识别的依据B B）对声纳设备的设计和应用有重要意义对声纳设备的设计和应用有重要意义 8水声学-声波在目标上反射和散射n目标强度目标强度q目标强度概念目标强度概念n定义：目标强度定义：目标强度TSTS定量描述目标

6、声反射本领的大定量描述目标声反射本领的大小，其定义为小，其定义为 式中，式中， 为入射声波强度；为入射声波强度； 为离目标声中心为离目标声中心1米处的回声强度。米处的回声强度。9水声学-声波在目标上反射和散射n目标强度目标强度q目标强度概念目标强度概念n目标的声中心：假想的点，可位于目标的内部或目标的声中心：假想的点，可位于目标的内部或外部，回声由该点发出。外部，回声由该点发出。 n收发分置（收发分置（bistaticbistatic）：回声强度是入射方向和）：回声强度是入射方向和回声方向的函数。回声方向的函数。n收发合置（收发合置（monostaticmonostatic）：回声强度仅是入射

7、方）：回声强度仅是入射方向的函数，即为反向反射或反向散射。向的函数，即为反向反射或反向散射。 提示：多数声纳为收发合置型的，本章主要讨论反提示：多数声纳为收发合置型的，本章主要讨论反向反射情况下的目标回声问题。向反射情况下的目标回声问题。 问题：水下目标的目标强度是大于零还是小于零？问题：水下目标的目标强度是大于零还是小于零？为什么？为什么？ 10水声学-声波在目标上反射和散射n目标强度目标强度q刚性大球的目标强度刚性大球的目标强度n大球：大球：ka1ka1，k k为波数为波数n刚性：声能不会透入球体内部刚性：声能不会透入球体内部n反射声线：局部平面镜反射定律反射声线：局部平面镜反射定律n理想

8、反射体：声能无损失地被球面所反射理想反射体：声能无损失地被球面所反射 到到 范围内的入射声功率：范围内的入射声功率： 11水声学-声波在目标上反射和散射n目标强度目标强度q刚性大球的目标强度刚性大球的目标强度 从从 到到 入射的声波被限制入射的声波被限制在在 到到 的范的范围内。围内。散射声功率：散射声功率：12水声学-声波在目标上反射和散射n目标强度目标强度q刚性大球的目标强度刚性大球的目标强度 根据入射声功率等于散射声功率有：根据入射声功率等于散射声功率有： 求得求得 刚性大球的目标强度：刚性大球的目标强度： 结论：结论：TSTS值与声波频率无关，只与球半径有关。值与声波频率无关，只与球半

9、径有关。 提示：尤立克水声原理应用能量守恒进行推导提示：尤立克水声原理应用能量守恒进行推导 13水声学-声波在目标上反射和散射n常见声纳常见声纳目标的目标强度的一般特征目标的目标强度的一般特征q潜艇的目标强度潜艇的目标强度 问题：潜艇不同方位的目标强度是否一样？问题：潜艇不同方位的目标强度是否一样？正横方向正横方向艇艇首首14水声学-声波在目标上反射和散射n常见声纳常见声纳目标的目标强度的一般特征目标的目标强度的一般特征q潜艇的目标强度潜艇的目标强度n潜艇的目标强度与方位、频率、脉冲宽度、深度潜艇的目标强度与方位、频率、脉冲宽度、深度和测量距离等因素有关。和测量距离等因素有关。n测试艇：柴油动

10、力潜艇测试艇：柴油动力潜艇n时间：二战前后。时间：二战前后。n正横方向：正横方向：121240dB40dB， 平均值平均值25dB 25dB 18艘潜艇正横方向艘潜艇正横方向目标强度直方图目标强度直方图15水声学-声波在目标上反射和散射n常见声纳常见声纳目标的目标强度的一般特征目标的目标强度的一般特征q潜艇的目标强度潜艇的目标强度n随方位的变化随方位的变化 潜艇目标强度与方位角关系曲线呈潜艇目标强度与方位角关系曲线呈“蝴蝶形蝴蝶形”图图形。形。 潜艇目标潜艇目标强度随方强度随方位的变化位的变化 16水声学-声波在目标上反射和散射n常见声纳常见声纳目标的目标强度的一般特征目标的目标强度的一般特征

11、q潜艇的目标强度潜艇的目标强度n随方位的变化随方位的变化1 1）在艇的舷侧正横方向上，目标强度值最大，达）在艇的舷侧正横方向上，目标强度值最大，达25dB25dB，系由艇壳的镜反射引起；，系由艇壳的镜反射引起；2 2）在艇首和艇尾方向，目标强度最小，约）在艇首和艇尾方向，目标强度最小，约101015dB15dB，系由艇壳和尾流的遮蔽效应引起；，系由艇壳和尾流的遮蔽效应引起；3 3）在艇首和艇尾）在艇首和艇尾2020度附近，比相邻区域高出度附近，比相邻区域高出1 13dB3dB，可能是由潜艇的舱室结构的内反射产生；，可能是由潜艇的舱室结构的内反射产生；4 4）在其它方向上呈圆形，系由潜艇的复杂结

12、构以及）在其它方向上呈圆形，系由潜艇的复杂结构以及附属物产生散射的多种叠加。附属物产生散射的多种叠加。 17水声学-声波在目标上反射和散射n常见声纳常见声纳目标的目标强度的一般特征目标的目标强度的一般特征q潜艇的目标强度潜艇的目标强度n随测量距离的变化随测量距离的变化 近距离处潜艇目标强度测量值有可能小于远近距离处潜艇目标强度测量值有可能小于远距离处的目标强度测量值，其原因是：距离处的目标强度测量值，其原因是： 1 1）当使用指向性声纳在近处进行目标强度测量时，）当使用指向性声纳在近处进行目标强度测量时，由于指向性的关系，声束不能照射到目标的全部；由于指向性的关系，声束不能照射到目标的全部；

13、2 2）某些几何形状比较复杂物体的回声随距离的衰减）某些几何形状比较复杂物体的回声随距离的衰减规律不同于点源声场。规律不同于点源声场。问题：如何解释？问题：如何解释？ 18水声学-声波在目标上反射和散射n常见声纳常见声纳目标的目标强度的一般特征目标的目标强度的一般特征q潜艇的目标强度潜艇的目标强度n随测量距离的变化随测量距离的变化 以长为以长为L L的柱体的柱体目标强度测量为例：目标强度测量为例：近距离处：近距离处：远距离处：远距离处：过渡距离：过渡距离：解得：解得：19水声学-声波在目标上反射和散射n常见声纳常见声纳目标的目标强度的一般特征目标的目标强度的一般特征q潜艇的目标强度潜艇的目标强

14、度n随测量距离的变化随测量距离的变化1）在近场（距离小于）在近场（距离小于 ），回声强度随距离的衰），回声强度随距离的衰减服从柱面波规律，即减服从柱面波规律，即 。 2）在远场（距离大于）在远场（距离大于 ），回声强度随距离的衰），回声强度随距离的衰减服从球面波规律，即减服从球面波规律，即 。3）若分别在近场和远场进行测量，然后按照球面波）若分别在近场和远场进行测量，然后按照球面波规律归算到距目标声中心规律归算到距目标声中心1m处，则结果必然是远处，则结果必然是远距离测量值大于近距离测量值。距离测量值大于近距离测量值。 提示：提示：为了要得到稳定的测量结果，测量应在远为了要得到稳定的测量结果，

15、测量应在远场进行，即测量距离场进行，即测量距离 。20水声学-声波在目标上反射和散射n常见声纳常见声纳目标的目标强度的一般特征目标的目标强度的一般特征q潜艇的目标强度潜艇的目标强度n随脉冲宽度的变化随脉冲宽度的变化 设入射波脉冲长度为设入射波脉冲长度为 ，若物体表面上，若物体表面上A A点和点和B B点点所产生的回声在脉冲宽度所产生的回声在脉冲宽度 内被同时接收到，则有：内被同时接收到，则有： 21水声学-声波在目标上反射和散射n常见声纳常见声纳目标的目标强度的一般特征目标的目标强度的一般特征q潜艇的目标强度潜艇的目标强度n随脉冲宽度的变化随脉冲宽度的变化1 1）随着脉冲长度的增加，对回声有贡

16、献的物体表面）随着脉冲长度的增加，对回声有贡献的物体表面积相应增大；积相应增大； 2 2）脉冲长度由短逐渐变长时，目标强度值也由小逐）脉冲长度由短逐渐变长时，目标强度值也由小逐渐变大，直到脉冲长度变为渐变大，直到脉冲长度变为 后，目标后，目标强度值就不再随脉冲长度的变化而变化。强度值就不再随脉冲长度的变化而变化。 提示：提示：TSTS随脉冲宽度的变化关系决定了随脉冲宽度的变化关系决定了TSTS测量时的测量时的最小脉冲宽度；但最小脉冲宽度；但在正横方向上目标强度随脉冲在正横方向上目标强度随脉冲长度变化的现象不明显。因为这时目标在入射波长度变化的现象不明显。因为这时目标在入射波方向上的长度很小，并

17、且几何镜反射是形成回声方向上的长度很小，并且几何镜反射是形成回声的主要过程；当测量目标上的单个亮点处的目标的主要过程；当测量目标上的单个亮点处的目标强度时，该效应也不显著（脉宽减小效应）。强度时，该效应也不显著（脉宽减小效应）。22水声学-声波在目标上反射和散射n常见声纳常见声纳目标的目标强度的一般特征目标的目标强度的一般特征q潜艇的目标强度潜艇的目标强度n随频率的变化随频率的变化 二战期间，人们曾用二战期间，人们曾用1212、2424和和6060千赫的频率千赫的频率进行潜艇目标强度的测量，试图确定潜艇目标强进行潜艇目标强度的测量，试图确定潜艇目标强度的频率响应，但测量结果表明：潜艇目标强度度

18、的频率响应，但测量结果表明：潜艇目标强度不存在明显的频率效应，如果有的话，也被实测不存在明显的频率效应，如果有的话，也被实测值的不确定性（离散性）所掩盖。值的不确定性（离散性）所掩盖。 提示：提示：潜艇目标的结构和几何形状十分复杂，产潜艇目标的结构和几何形状十分复杂，产生回声的机理是多种多样的。生回声的机理是多种多样的。 n随深度的变化随深度的变化 深度对目标强度值的影响不是影响了潜艇本深度对目标强度值的影响不是影响了潜艇本身，而是深度变化引起声传播规律的变化。身，而是深度变化引起声传播规律的变化。 提示：提示：深度对潜艇尾流回声有影响。深度对潜艇尾流回声有影响。 23水声学-声波在目标上反射

19、和散射n常见声纳常见声纳目标的目标强度的一般特征目标的目标强度的一般特征q鱼雷和水雷目标强度鱼雷和水雷目标强度24水声学-声波在目标上反射和散射n常见声纳常见声纳目标的目标强度的一般特征目标的目标强度的一般特征q鱼雷和水雷目标强度鱼雷和水雷目标强度n形状：带平头或圆头的圆柱体形状：带平头或圆头的圆柱体n两者不同：鱼雷尾部安装有推进器；水雷雷体上两者不同：鱼雷尾部安装有推进器；水雷雷体上安装有翼及凹凸不平处。安装有翼及凹凸不平处。n目标强度的特点目标强度的特点1 1）正横方位或头部目标强度值较大）正横方位或头部目标强度值较大强镜反射强镜反射2 2）尾部和雷体上小的不规则部分目标强度值较小。）尾部

20、和雷体上小的不规则部分目标强度值较小。 25水声学-声波在目标上反射和散射n常见声纳常见声纳目标的目标强度的一般特征目标的目标强度的一般特征q鱼雷和水雷目标强度鱼雷和水雷目标强度n正横方位上圆柱形物体的目标强度：正横方位上圆柱形物体的目标强度： 式中，式中，a a为圆柱半径，为圆柱半径，L L为圆柱长，为圆柱长， 是声波波长是声波波长 举例：若举例：若 ， ， ，可得目标，可得目标强度值强度值 。该值与水雷正横方向上的测量值基。该值与水雷正横方向上的测量值基本相符。本相符。 提示：鱼雷和水雷的目标强度也随方位、频率、脉冲提示：鱼雷和水雷的目标强度也随方位、频率、脉冲宽度和测量距离变化，大体与潜

21、艇的相类似。宽度和测量距离变化，大体与潜艇的相类似。26水声学-声波在目标上反射和散射n常见声纳常见声纳目标的目标强度的一般特征目标的目标强度的一般特征q鱼目标强度鱼目标强度n鱼是探鱼声纳的目标鱼是探鱼声纳的目标 n单个鱼体的研究单个鱼体的研究 英国英国CushingCushing（19631963年）等人的研究结果年）等人的研究结果: :1 1）测量对象：鲟鱼、比目鱼、鲈鱼、青鱼等死鱼，）测量对象：鲟鱼、比目鱼、鲈鱼、青鱼等死鱼，安装薄膜塑料人工鱼鳔。安装薄膜塑料人工鱼鳔。2 2）实验条件：声波频率）实验条件：声波频率30kHz30kHz，声束由上向下垂直照，声束由上向下垂直照射到鱼脊背上，

22、鱼处于正常游动状态。射到鱼脊背上，鱼处于正常游动状态。 27水声学-声波在目标上反射和散射n常见声纳常见声纳目标的目标强度的一般特征目标的目标强度的一般特征q鱼目标强度鱼目标强度n单个鱼体的研究单个鱼体的研究 3 3）测量结果：鱼体长与目标）测量结果：鱼体长与目标强度的关系如右图。图中直强度的关系如右图。图中直线为线为TSTS值与值与10lgV10lgV之间的关系，之间的关系，V V是鱼的体积。是鱼的体积。 n鱼群的研究鱼群的研究 视鱼群为一个整体，如果鱼群由视鱼群为一个整体，如果鱼群由N条相距较大条相距较大的鱼所组成，则鱼群总目标强度为的鱼所组成，则鱼群总目标强度为TS+10lgN，其，其中

23、中TS是单个鱼体目标强度值。是单个鱼体目标强度值。28水声学-声波在目标上反射和散射n目标强度的实验测量目标强度的实验测量q测量原理测量原理目标强度测量示意图如下图所示：目标强度测量示意图如下图所示：nA A是指向性声源，向待测目标辐射声波，发射声是指向性声源，向待测目标辐射声波，发射声信号的脉冲宽度根据测量条件合理选择。信号的脉冲宽度根据测量条件合理选择。nB B是水听器，接收来自目标的回波。是水听器，接收来自目标的回波。n测量应满足远场条件：待测目标应位于声源辐射测量应满足远场条件：待测目标应位于声源辐射声场的远场区；水听器应位于目标散射声场的远声场的远场区；水听器应位于目标散射声场的远场

24、区。场区。目标目标ABIiIr29水声学-声波在目标上反射和散射n目标强度的实验测量目标强度的实验测量q测量原理测量原理根据目标强度的定义：根据目标强度的定义： n计算入射声强度和回声强度计算入射声强度和回声强度q比较法比较法n测量原理测量原理 利用已知目标强度的参考目标，在相同的利用已知目标强度的参考目标，在相同的测量条件下测量参考目标和待测目标的回声强度，测量条件下测量参考目标和待测目标的回声强度，比较它们的回声强度即可。比较它们的回声强度即可。30水声学-声波在目标上反射和散射n目标强度的实验测量目标强度的实验测量q比较法比较法n目标强度的计算目标强度的计算 设参考目标的目标强设参考目标

25、的目标强度值为度值为TS0，待测目标的，待测目标的目标强度值为目标强度值为TS：式中，式中， 为参考目标回声强度；为参考目标回声强度； 为待测目标回声强度。为待测目标回声强度。参考参考目标目标ABIiI0待测待测目标目标ABIiIr31水声学-声波在目标上反射和散射n目标强度的实验测量目标强度的实验测量q比较法比较法n适用范围适用范围 适用于短距离下小物体的测量。适用于短距离下小物体的测量。n优缺点优缺点 优点：操作和计算简单，是比较实用的方法。优点：操作和计算简单，是比较实用的方法。 缺点：需要一个目标强度已知的参考目标，它的缺点：需要一个目标强度已知的参考目标，它的大小和结构要保证其目标强

26、度近似理想几何物体大小和结构要保证其目标强度近似理想几何物体目标强度；对于大目标（例如潜艇）很难保证前目标强度；对于大目标（例如潜艇）很难保证前后两次测量条件相同。后两次测量条件相同。32水声学-声波在目标上反射和散射n目标强度的实验测量目标强度的实验测量q直接法直接法 n测量原理图测量原理图 A为收发合置换能器（为讨论方便而假定），为收发合置换能器（为讨论方便而假定），它是指向性声源，声轴指向待测目标；它是指向性声源，声轴指向待测目标； B为被测目标；距离为被测目标；距离r应满足远场条件。应满足远场条件。AB33水声学-声波在目标上反射和散射n目标强度的实验测量目标强度的实验测量q直接法直接

27、法n目标强度的计算目标强度的计算 水听器处的回声级：水听器处的回声级：EL=SL-2TL+TS 回声级的定义：回声级的定义： 待测目标强度值：待测目标强度值：n说明说明 该方法需测量三个物理量。该方法需测量三个物理量。 34水声学-声波在目标上反射和散射n目标强度的实验测量目标强度的实验测量q直接法直接法n优缺点优缺点 优点：操作比较简单，不需特殊的仪器设备，是优点：操作比较简单，不需特殊的仪器设备，是一种基本测量方法。一种基本测量方法。 缺点：需要精确地已知或测量传播损失值。缺点：需要精确地已知或测量传播损失值。 q应答器法应答器法 1952 1952年，年，UrickUrick和和Piep

28、erPieper提出的不需确定传播损提出的不需确定传播损失的测量方法。失的测量方法。 35水声学-声波在目标上反射和散射n目标强度的实验测量目标强度的实验测量q应答器法应答器法n测量原理图测量原理图 36水声学-声波在目标上反射和散射n目标强度的实验测量目标强度的实验测量q应答器法应答器法n测量原理图描述测量原理图描述 1 1）待测目标上安装水听器和应答器各一个，应）待测目标上安装水听器和应答器各一个，应 答器接收声源辐射声脉冲后也辐射声脉冲，水听答器接收声源辐射声脉冲后也辐射声脉冲，水听器先后接收声源和应答器发射的脉冲信号，设它器先后接收声源和应答器发射的脉冲信号，设它们的声级差为们的声级差

29、为B B分贝。分贝。 2 2）在水面船上安装声源和水听器，水听器接收）在水面船上安装声源和水听器，水听器接收目标回声和应答器所辐射的脉冲声信号，设它们目标回声和应答器所辐射的脉冲声信号，设它们的声级差为的声级差为A A分贝。分贝。37水声学-声波在目标上反射和散射n目标强度的实验测量目标强度的实验测量q应答器法应答器法n目标强度的计算目标强度的计算 待测目标强度值：待测目标强度值：TS=B-ATS=B-An优点：不需要确定传播损失；不需要对声源、应优点：不需要确定传播损失；不需要对声源、应答器和两个水听器作绝对校正。答器和两个水听器作绝对校正。 q实验室测量实验室测量 n测量方法：比较法和直接

30、法。测量方法：比较法和直接法。n注意事项注意事项 1 1）声源与目标之间的距离和目标与水听器之间的）声源与目标之间的距离和目标与水听器之间的距离应满足远场条件距离应满足远场条件-两个远场两个远场38水声学-声波在目标上反射和散射n目标强度的实验测量目标强度的实验测量q实验室测量实验室测量n注意事项注意事项 2）测试条件应满足自由场条件）测试条件应满足自由场条件-一个自由场一个自由场 消声水池满足自由场条件；非消声水池的池消声水池满足自由场条件；非消声水池的池壁、池底和水面水底反射声会直接影响测量结果壁、池底和水面水底反射声会直接影响测量结果的可信度，应消除反射声的影响。根据水池的长、的可信度，

31、应消除反射声的影响。根据水池的长、宽、深，合理选择脉冲宽度，适当调整声源、目宽、深，合理选择脉冲宽度，适当调整声源、目标和水听器三者之间的位置，使界面反射信号和标和水听器三者之间的位置，使界面反射信号和回波信号在接收时间上分开。回波信号在接收时间上分开。 3）合理选择发射信号脉冲宽度）合理选择发射信号脉冲宽度-一个脉宽一个脉宽 选取依据：测试环境满足自由场条件（不能过宽）选取依据：测试环境满足自由场条件（不能过宽）；测量结果要达到稳态（不能过窄）。；测量结果要达到稳态（不能过窄）。 39水声学-声波在目标上反射和散射n常见声纳常见声纳目标的目标强度目标的目标强度q提示：提示：一般，声纳目标的目

32、标强度值是根据实验测一般，声纳目标的目标强度值是根据实验测量得到的，结果具有较大的离散性，上表是从统计量得到的，结果具有较大的离散性，上表是从统计的意义上给出的规律性结果。的意义上给出的规律性结果。40水声学-声波在目标上反射和散射n简单几何形状物体的目标强度简单几何形状物体的目标强度41水声学-声波在目标上反射和散射n简单几何形状物体的目标强度简单几何形状物体的目标强度q提示：提示：声纳目标不满足刚性、不动的理想条件，表声纳目标不满足刚性、不动的理想条件，表中所列公式得到的仅是一种近似值。作为一种估计，中所列公式得到的仅是一种近似值。作为一种估计，这些公式在实际工作中是十分有用的。这些公式在

33、实际工作中是十分有用的。 42水声学-声波在目标上反射和散射n目标回波目标回波q目标回波概述目标回波概述 声波在传播途中遇到障碍物时产生的散射声波声波在传播途中遇到障碍物时产生的散射声波中，返回声源方向的那部分声波。它是散射波的一中，返回声源方向的那部分声波。它是散射波的一部分，是入射波与目标相互作用产生的，它携带目部分，是入射波与目标相互作用产生的，它携带目标的某些特征信息。标的某些特征信息。n大目标：目标前方次级声波大目标：目标前方次级声波反射波；目标后反射波；目标后方的次级声波方的次级声波绕射波。绕射波。n小目标：向空间各方向辐射的次级声波小目标：向空间各方向辐射的次级声波散射散射波。波

34、。n与声波波长相当目标：反射、绕射、散射过程均与声波波长相当目标：反射、绕射、散射过程均起作用。起作用。43水声学-声波在目标上反射和散射n目标回波目标回波q目标回波概述目标回波概述n在声学中，近场的次级声波在声学中，近场的次级声波衍射波；远场的衍射波；远场的次级声波次级声波散射波。本书中统称为散射波。散射波。本书中统称为散射波。 n测量目标回波的应用测量目标回波的应用测量回测量回波信号波信号分析处分析处理回波理回波提取目提取目标特征标特征目标检目标检测识别测识别44水声学-声波在目标上反射和散射n目标回波目标回波q回波信号的形成回波信号的形成n目标镜反射目标镜反射 镜反射是几何反射过程，服从

35、反射定律。曲镜反射是几何反射过程，服从反射定律。曲率半径大于波长的目标，回波基本由镜反射过程率半径大于波长的目标，回波基本由镜反射过程产生，与垂直入射点相邻的目标表面产生相干反产生，与垂直入射点相邻的目标表面产生相干反射回声。射回声。n目标散射目标散射 目标表面不规则性，如棱角、边缘和小凸起目标表面不规则性，如棱角、边缘和小凸起物，其曲率半径一般小于波长，由散射过程产生物，其曲率半径一般小于波长，由散射过程产生回波。回波。45水声学-声波在目标上反射和散射n目标回波目标回波q回波信号的形成回波信号的形成n目标再辐射目标再辐射 一般声纳目标为弹性物体，在入射声波的激一般声纳目标为弹性物体，在入射

36、声波的激励下，目标的某些固有振动模式被激发，向周围励下，目标的某些固有振动模式被激发，向周围介质辐射声波，它是目标回声的组成部分，称之介质辐射声波，它是目标回声的组成部分，称之为非镜反射回波，与目标力学参数、状态以及与为非镜反射回波，与目标力学参数、状态以及与入射声波相对位置等因素有关。如下图所示，窄入射声波相对位置等因素有关。如下图所示，窄平面波脉冲入射到铝球上的回波脉冲串。平面波脉冲入射到铝球上的回波脉冲串。 46水声学-声波在目标上反射和散射n目标回波目标回波q回波信号的形成回波信号的形成n回音廊式回声（环绕波）回音廊式回声（环绕波） 声波入射到声波入射到A A点除产生镜反射波外，还有折

37、射点除产生镜反射波外，还有折射波透射到目标内部。折射波在目标内部传播，在波透射到目标内部。折射波在目标内部传播，在B B、C C、上同样产生反射和折射，到达上同样产生反射和折射，到达G G点时，点时，折射波恰好在返回声源的方向上，它是回波的一折射波恰好在返回声源的方向上，它是回波的一部分。部分。 47水声学-声波在目标上反射和散射n目标回波目标回波q回波信号的一般特征回波信号的一般特征n多卜勒频移多卜勒频移 运动目标回波频率和入射波产生差异，这种运动目标回波频率和入射波产生差异，这种差异的大小差异的大小 与入射波频率与入射波频率f f及目标与声源之间及目标与声源之间距离变化率距离变化率V V有

38、关，满足如下关系：有关，满足如下关系： 提示：目标接近声源时，取正号；目标远离声源提示：目标接近声源时，取正号；目标远离声源时，取负号。时，取负号。 举例：声纳工作频率举例：声纳工作频率10 kHz，声源以，声源以10节节( (5 .15m/s)的相对速度趋近目标，回波频移的相对速度趋近目标，回波频移69Hz69Hz。48水声学-声波在目标上反射和散射n目标回波目标回波q回波信号的一般特征回波信号的一般特征n脉冲展宽脉冲展宽 目标回声是由整个目标表面目标回声是由整个目标表面 上的反射体和散射体产生，整个上的反射体和散射体产生，整个 物体表面都对回波有贡献。由于物体表面都对回波有贡献。由于 传播

39、路径不同，目标表面不同部分产生的回波到传播路径不同，目标表面不同部分产生的回波到达接收点时，时间上有先有后，加宽了回声信号达接收点时，时间上有先有后，加宽了回声信号的脉冲宽度。如图，平面波以掠射角的脉冲宽度。如图，平面波以掠射角 入射到长入射到长为为L L的目标上，在收发合置条件下，回波脉冲将的目标上，在收发合置条件下，回波脉冲将比入射脉冲展宽：比入射脉冲展宽：49水声学-声波在目标上反射和散射n目标回波目标回波q回波信号的一般特征回波信号的一般特征n脉冲展宽脉冲展宽 提示：回声脉冲的这种展宽现象，在窄脉冲入射提示：回声脉冲的这种展宽现象，在窄脉冲入射下，目标为许多散射体组成的复杂目标，回声脉

40、下，目标为许多散射体组成的复杂目标，回声脉冲展宽明显；若回声主要过程是镜反射，回声脉冲展宽明显；若回声主要过程是镜反射，回声脉冲展宽可以忽略。冲展宽可以忽略。 举例：潜艇目标，在正横方向，回波展宽仅为举例：潜艇目标，在正横方向，回波展宽仅为10ms10ms，在首尾方位，回波展宽为，在首尾方位，回波展宽为100ms100ms。 n包络不规则性包络不规则性 回声包络是不规则的，特别当镜反射不起主回声包络是不规则的，特别当镜反射不起主要作用时更是如此。要作用时更是如此。50水声学-声波在目标上反射和散射n目标回波目标回波q回波信号的一般特征回波信号的一般特征n包络不规则性包络不规则性 产生原因：目标

41、上各散射体的散射波互相迭加干产生原因：目标上各散射体的散射波互相迭加干涉引起的。另外，在目标回声中，还可能有个别涉引起的。另外，在目标回声中，还可能有个别亮点，这是由目标上某些部位产生镜反射引起。亮点，这是由目标上某些部位产生镜反射引起。例如，潜艇的指挥台。例如，潜艇的指挥台。 n调制效应调制效应 产生原因：（产生原因：（1 1）螺旋桨旋转引起目标的散射截面）螺旋桨旋转引起目标的散射截面产生周期性变化，引起回声幅度周期性变化。产生周期性变化，引起回声幅度周期性变化。（2 2）运动船体与其尾流产生的两种回波干涉引）运动船体与其尾流产生的两种回波干涉引起的调制效应。起的调制效应。51水声学-声波在

42、目标上反射和散射课堂小测验三课堂小测验三 n在高频远场条件下，简单地用能量守恒关系在高频远场条件下，简单地用能量守恒关系推出半径为推出半径为a a的刚性大球目标强度的刚性大球目标强度TSTS值的表值的表达式。达式。n测量柱形目标的测量柱形目标的TSTS值时，发现值时，发现TSTS值随测量距值随测量距离而变，说明这种变化关系，解释其原因。离而变，说明这种变化关系，解释其原因。n实验室水池中测量水下目标的目标强度应注实验室水池中测量水下目标的目标强度应注意哪些事项？意哪些事项？52水声学-声波在目标上反射和散射n刚性球体的散射声场刚性球体的散射声场 q刚性不动球体的声散射刚性不动球体的声散射n目标

43、强度值目标强度值1）通过实验测量获得）通过实验测量获得2）通过理论计算获得）通过理论计算获得提示：常见声纳目标的几何形状基本接近于球形提示：常见声纳目标的几何形状基本接近于球形或柱形。或柱形。n刚性：在入射声波作用下球体不发生变形，声刚性：在入射声波作用下球体不发生变形，声波透不到球体内部，激不起球内部运动。波透不到球体内部，激不起球内部运动。n不动：球体不参与周围流体介质质点的运动。不动：球体不参与周围流体介质质点的运动。 53水声学-声波在目标上反射和散射n刚性球体的散射声场刚性球体的散射声场 q刚性不动球体的声散射刚性不动球体的声散射n散射场计算散射场计算 取坐标系的原点和刚性球的球心重

44、合，并取取坐标系的原点和刚性球的球心重合，并取 轴与入射平面波的传播方向一致，设刚性球的半轴与入射平面波的传播方向一致，设刚性球的半径为径为 ，如图所示。，如图所示。54水声学-声波在目标上反射和散射n刚性球体的散射声场刚性球体的散射声场 q刚性不动球体的声散射刚性不动球体的声散射n散射场计算散射场计算 取入射平面波声压为：取入射平面波声压为：设散射波声压为设散射波声压为 ，它满足波动方程：，它满足波动方程： 55水声学-声波在目标上反射和散射n刚性球体的散射声场刚性球体的散射声场 q刚性不动球体的声散射刚性不动球体的声散射n散射场计算散射场计算 由于入射声波关于由于入射声波关于 轴对称，散射

45、波也关轴对称，散射波也关于于 轴对称，则它与变量轴对称，则它与变量 无关，则有：无关，则有：利用分离变量法，设：利用分离变量法，设：56水声学-声波在目标上反射和散射n刚性球体的散射声场刚性球体的散射声场 q刚性不动球体的声散射刚性不动球体的声散射n散射场计算散射场计算 波动方程可分离成两个方程：波动方程可分离成两个方程：提示：上式为球贝塞尔方程，下式为勒让德方程，提示：上式为球贝塞尔方程，下式为勒让德方程，其解的形式都已知。其解的形式都已知。57水声学-声波在目标上反射和散射n刚性球体的散射声场刚性球体的散射声场 q刚性不动球体的声散射刚性不动球体的声散射n散射场计算散射场计算 根据勒让德方

46、程的解有（根据勒让德方程的解有（ 为分离变量时为分离变量时引入的常数，根据勒让德方程的性质，引入的常数，根据勒让德方程的性质， 必须必须是非负整数）：是非负整数）： 根据球贝塞尔方程的解有：根据球贝塞尔方程的解有：58水声学-声波在目标上反射和散射n刚性球体的散射声场刚性球体的散射声场 q刚性不动球体的声散射刚性不动球体的声散射n散射场计算散射场计算 考虑无穷远处辐射条件，系数考虑无穷远处辐射条件，系数 提示：提示： 波动方程的解即散射波声压为：波动方程的解即散射波声压为： 式中，式中， 为待定常数，由边界条件确定。为待定常数，由边界条件确定。 59水声学-声波在目标上反射和散射n刚性球体的散

47、射声场刚性球体的散射声场 q刚性不动球体的声散射刚性不动球体的声散射n散射场计算散射场计算 问题：问题： 常数常数 的确定（根据边界条件）的确定（根据边界条件） 对于刚性球体有：对于刚性球体有： 由于散射场声压为贝塞尔函数和勒让德函数的由于散射场声压为贝塞尔函数和勒让德函数的级数和的形式，固将入射波声压展开为：级数和的形式，固将入射波声压展开为： 60水声学-声波在目标上反射和散射n刚性球体的散射声场刚性球体的散射声场 q刚性不动球体的声散射刚性不动球体的声散射n散射场计算散射场计算 根据边界条件，待定系数为：根据边界条件，待定系数为：散射波声压的表达式为：散射波声压的表达式为： 61水声学-

48、声波在目标上反射和散射n刚性球体的散射声场刚性球体的散射声场 q刚性不动球体的声散射刚性不动球体的声散射n散射场计算散射场计算 对于散射波的远场，利用球汉克尔函数在对于散射波的远场，利用球汉克尔函数在大宗量条件下近似展开，远场散射波声压为：大宗量条件下近似展开，远场散射波声压为： ，其中：其中：62水声学-声波在目标上反射和散射n刚性球体的散射声场刚性球体的散射声场 q刚性不动球体的声散射刚性不动球体的声散射n散射场特点散射场特点1）散射波振幅正比于入射波振幅；）散射波振幅正比于入射波振幅；2）散射波是各阶球面波的迭加，具有球面波的某）散射波是各阶球面波的迭加，具有球面波的某些特征，如振幅随距

49、离一次方衰减；些特征，如振幅随距离一次方衰减；3）散射波具有明显的指向性；）散射波具有明显的指向性； 4）随频率的变化：）随频率的变化： A）低频，球前向散射较均匀，随频率增大，指）低频，球前向散射较均匀，随频率增大，指向性变得复杂；向性变得复杂；B）低频时，刚球背面散射波很）低频时，刚球背面散射波很弱，随着频率的增加，背部散射波逐渐增强。弱，随着频率的增加，背部散射波逐渐增强。63水声学-声波在目标上反射和散射n刚性球体的散射声场刚性球体的散射声场 q刚性不动球体的声散射刚性不动球体的声散射n散射场特点散射场特点4）随频率的变化）随频率的变化刚球远场散射波强度：刚球远场散射波强度：刚球目标强

50、度：刚球目标强度：64水声学-声波在目标上反射和散射n刚性球体的散射声场刚性球体的散射声场 q刚性不动微小球粒子对平面波的散射刚性不动微小球粒子对平面波的散射n微小粒子：是指微小粒子：是指 ，即或频率甚低或者粒，即或频率甚低或者粒子半径极小。子半径极小。 提示：微小粒子的散射波声压依然可以应用上提示：微小粒子的散射波声压依然可以应用上述刚性不动球体的散射场声压表示。述刚性不动球体的散射场声压表示。 在在 条件下，求和项中只有前两项起条件下，求和项中只有前两项起主要作用，微小粒子的散射波声压：主要作用，微小粒子的散射波声压：65水声学-声波在目标上反射和散射n刚性球体的散射声场刚性球体的散射声场

51、 q刚性不动微小球粒子对平面波的散射刚性不动微小球粒子对平面波的散射 整理得到散射波声压：整理得到散射波声压： 散射波声强：散射波声强： 目标强度：目标强度： 结论：具有明显的指向性和强烈的频率特性。结论：具有明显的指向性和强烈的频率特性。66水声学-声波在目标上反射和散射n声波在弹性物体上的散射声波在弹性物体上的散射 q平面声波在弹性球体上的散射平面声波在弹性球体上的散射n对于常见的声纳目标，都是由金属材料制成的对于常见的声纳目标，都是由金属材料制成的弹性体弹性体 n弹性体：入射声波能透入物体内部，并激发内弹性体：入射声波能透入物体内部，并激发内部声场部声场n与刚性体比较：与刚性体比较： 1

52、）弹性球体散射波强度随频率变化出现极大、）弹性球体散射波强度随频率变化出现极大、极小变化；而刚性球体散射波强度不存在明显极小变化；而刚性球体散射波强度不存在明显的频率效应的频率效应 ； 2）还存在其他方面的差异，研究这些差别，有）还存在其他方面的差异，研究这些差别，有助于声纳目标的检测和识别。助于声纳目标的检测和识别。67水声学-声波在目标上反射和散射n声波在弹性物体上的散射声波在弹性物体上的散射 q平面声波在弹性球体上的散射平面声波在弹性球体上的散射n散射场计算散射场计算 分析：与刚性球体的散射场计算过程作对比，分析：与刚性球体的散射场计算过程作对比，相同点：散射波声压满足相同的波动方程，解

53、相同点：散射波声压满足相同的波动方程，解法相同，形式解相同；不同点：确定形式解中法相同，形式解相同；不同点：确定形式解中的待定系数的边界条件不同。的待定系数的边界条件不同。 边界条件：边界条件： 1）法向应力连续）法向应力连续 2）法向位移连续或法向质点振速连续）法向位移连续或法向质点振速连续 3）切向应力为零）切向应力为零 68水声学-声波在目标上反射和散射n声波在弹性物体上的散射声波在弹性物体上的散射 q平面声波在弹性球体上的散射平面声波在弹性球体上的散射n散射场计算散射场计算 弹性球体散射波声压：弹性球体散射波声压：69水声学-声波在目标上反射和散射n声波在弹性物体上的散射声波在弹性物体

54、上的散射 q球面声波在弹性球体上的散射球面声波在弹性球体上的散射n散射场计算散射场计算 考虑点声源置于考虑点声源置于S处，它距球心的距离为处，它距球心的距离为 ，空间任意点空间任意点P处入射声场为：处入射声场为： 70水声学-声波在目标上反射和散射n声波在弹性物体上的散射声波在弹性物体上的散射 q球面声波在弹性球体上的散射球面声波在弹性球体上的散射n散射场计算散射场计算 若点源离弹性球较远，则根据汉克尔函数的渐若点源离弹性球较远，则根据汉克尔函数的渐近展开，有：近展开，有： 入射波声压：入射波声压： ， 散射波声压：散射波声压：71水声学-声波在目标上反射和散射n声波在弹性物体上的散射声波在弹

55、性物体上的散射 q球面声波在弹性球体上的散射球面声波在弹性球体上的散射n散射场计算散射场计算 考虑收发合置情况下的回波，则考虑收发合置情况下的回波，则远场条件下的回波表达式：远场条件下的回波表达式：引入形态函数：引入形态函数：72水声学-声波在目标上反射和散射n声波在弹性物体上的散射声波在弹性物体上的散射 q球面声波在弹性球体上的散射球面声波在弹性球体上的散射n散射场计算散射场计算 形态函数中，形态函数中， 为水中波数，为水中波数， 、 为纵波和横为纵波和横波波数。波波数。 结论：弹性球体散射声场比刚性球体复杂，与结论：弹性球体散射声场比刚性球体复杂，与球体组成材料的弹性参数有关。球体组成材料

56、的弹性参数有关。 形态函数是形态函数是Hickling在上世纪在上世纪60年代引入来讨年代引入来讨论散射声场与频率的关系的，散射声场表示为：论散射声场与频率的关系的，散射声场表示为： 73水声学-声波在目标上反射和散射n声波在弹性物体上的散射声波在弹性物体上的散射 q球面声波在弹性球体上的散射球面声波在弹性球体上的散射n形态函数比较形态函数比较 刚性球、声学软球、钢球和铝球：刚性球、声学软球、钢球和铝球：74水声学-声波在目标上反射和散射n声波在弹性物体上的散射声波在弹性物体上的散射 q弹性物体散射声场的一般特征弹性物体散射声场的一般特征n刚性球、声学软球、钢球和铝球形态函数比较刚性球、声学软

57、球、钢球和铝球形态函数比较1）弹性球（刚球和铝球）形态函数随频率有极）弹性球（刚球和铝球）形态函数随频率有极大、极小变化；大、极小变化；2）刚性球形态函数在低频段起伏振荡，随着频）刚性球形态函数在低频段起伏振荡，随着频率的增高，逐渐趋于率的增高，逐渐趋于1；3）声学软球形态函数在很低频段大于）声学软球形态函数在很低频段大于1，随着频，随着频率的增加很快降至率的增加很快降至1。 75水声学-声波在目标上反射和散射n声波在弹性物体上的散射声波在弹性物体上的散射 q弹性物体散射声场的一般特征弹性物体散射声场的一般特征n频率特性频率特性 1）宽脉冲入射信号）宽脉冲入射信号 散射强度随频率作极大、极小急

58、剧变化，回波散射强度随频率作极大、极小急剧变化，回波波形产生严重畸变。波形产生严重畸变。2）窄脉冲入射信号）窄脉冲入射信号 回波为一脉冲串，每个脉冲之间的间隔基本相回波为一脉冲串，每个脉冲之间的间隔基本相等，脉冲幅度逐渐衰减，波形基本不变。等，脉冲幅度逐渐衰减，波形基本不变。 波形畸变的解释：波形畸变的解释：A）回波来自物体表面的散射回波来自物体表面的散射波、透入物体内部经内表面反射、透射到达的波，波、透入物体内部经内表面反射、透射到达的波，入射波激励下的再辐射波；入射波激励下的再辐射波；76水声学-声波在目标上反射和散射n声波在弹性物体上的散射声波在弹性物体上的散射 q弹性物体散射声场的一般

59、特征弹性物体散射声场的一般特征n频率特性频率特性 波形畸变的解释：波形畸变的解释： B）长脉冲时，水听器可在同一时刻接收上述）长脉冲时，水听器可在同一时刻接收上述各种波迭加而成，它们经由不同途径到达接收各种波迭加而成，它们经由不同途径到达接收点（相位不同），迭加结果使得回波波形产生点（相位不同），迭加结果使得回波波形产生严重畸变；严重畸变； C）短脉冲时，上述各种波不会在同一时刻到）短脉冲时，上述各种波不会在同一时刻到达接收点，所以接收到的是一个脉冲串。由于达接收点，所以接收到的是一个脉冲串。由于各个脉冲到达接收点的时间不同，它们之间不各个脉冲到达接收点的时间不同，它们之间不会发生干涉迭加，不

60、产生大的畸变。会发生干涉迭加，不产生大的畸变。77水声学-声波在目标上反射和散射n声波在弹性物体上的散射声波在弹性物体上的散射 q弹性物体散射声场的一般特征弹性物体散射声场的一般特征n频率特性频率特性 回波强度随频率急剧起伏的解释：回波强度随频率急剧起伏的解释： 设入射波的频谱为设入射波的频谱为 ，则有：，则有： 根据远场回波表达式有：根据远场回波表达式有： 78水声学-声波在目标上反射和散射n声波在弹性物体上的散射声波在弹性物体上的散射 q弹性物体散射声场的一般特征弹性物体散射声场的一般特征n频率特性频率特性 回波强度随频率急剧起伏的解释：回波强度随频率急剧起伏的解释： 1）入射波为长脉冲时

61、，其频谱较窄，频率稍许变）入射波为长脉冲时，其频谱较窄，频率稍许变化时，化时， 和和 的相对位置可能发生很大的变化，的相对位置可能发生很大的变化，它们的乘积也相应有较大的变化，导致回波强度随它们的乘积也相应有较大的变化，导致回波强度随频率急剧变化；频率急剧变化； 2）入射波为短脉冲，其频谱较宽，所以频率稍许）入射波为短脉冲，其频谱较宽，所以频率稍许变化时，变化时， 和和 的相对位置产生不大的变化，的相对位置产生不大的变化，它们的乘积也相应有不大的变化，回波强度不会随它们的乘积也相应有不大的变化，回波强度不会随频率稍许变化产生急剧变化。频率稍许变化产生急剧变化。 79水声学-声波在目标上反射和散

62、射n声波在弹性物体上的散射声波在弹性物体上的散射 q弹性物体散射声场的一般特征弹性物体散射声场的一般特征n非镜反射效应非镜反射效应 1）Finney在实验室中发现，对于浸在水中弹性在实验室中发现，对于浸在水中弹性薄板，在声波入射角薄板，在声波入射角 满足如下关系：满足如下关系： 在入射方向上有强烈反射，它不满足镜反射规在入射方向上有强烈反射，它不满足镜反射规律，称为律，称为“非镜反射非镜反射”。 为板中弯曲波（反为板中弯曲波（反对称兰姆波）速度。对称兰姆波）速度。2）进一步研究表明，当声波入射角）进一步研究表明，当声波入射角 满足如下满足如下关系：关系： 也发生非镜反射，也发生非镜反射， 为板

63、中纵波速度。为板中纵波速度。80水声学-声波在目标上反射和散射n声波在弹性物体上的散射声波在弹性物体上的散射 q弹性物体散射声场的一般特征弹性物体散射声场的一般特征n空间指向性空间指向性 长柱声长柱声散射散射铝柱散射指铝柱散射指向性图案向性图案刚性柱散射刚性柱散射指向性图案指向性图案81水声学-声波在目标上反射和散射n壳体目标上的回波信号壳体目标上的回波信号q前言前言n声纳目标的结构更类似于壳体声纳目标的结构更类似于壳体n以弹性球壳为例讨论壳体目标回声信号以弹性球壳为例讨论壳体目标回声信号q稳态回波信号稳态回波信号n形态函数随形态函数随ka的变化的变化 充水钢球壳充水钢球壳 回声信号的回声信号

64、的 形态函数形态函数82水声学-声波在目标上反射和散射n壳体目标上的回波信号壳体目标上的回波信号q稳态回波信号稳态回波信号n形态函数随壳厚的变化形态函数随壳厚的变化 厚度变化时充水钢球壳厚度变化时充水钢球壳 回声信号的形态函数回声信号的形态函数83水声学-声波在目标上反射和散射n壳体目标上的回波信号壳体目标上的回波信号q稳态回波信号稳态回波信号n形态函数随壳厚的变化形态函数随壳厚的变化 内侧为真空时钢球壳回声信号的形态函数内侧为真空时钢球壳回声信号的形态函数84水声学-声波在目标上反射和散射n壳体目标上的回波信号壳体目标上的回波信号q稳态回波信号稳态回波信号n形态函数随壳内填充物的变化形态函数

65、随壳内填充物的变化 内侧为真空时钢球壳回声信号的形态函数内侧为真空时钢球壳回声信号的形态函数85水声学-声波在目标上反射和散射n壳体目标上的回波信号壳体目标上的回波信号q稳态回波信号稳态回波信号n壳体目标散射声场的空间指向性特性壳体目标散射声场的空间指向性特性 内侧为真空时钢球壳散射声场的空间指向性内侧为真空时钢球壳散射声场的空间指向性86水声学-声波在目标上反射和散射n壳体目标上的回波信号壳体目标上的回波信号q短脉冲入射时的回声信号短脉冲入射时的回声信号 短脉冲入射时充水球壳的回声脉冲短脉冲入射时充水球壳的回声脉冲87水声学-声波在目标上反射和散射n用赫姆霍茨积分方法求解散射声场用赫姆霍茨积

66、分方法求解散射声场 q前言前言n分离变量法只能应用表面规则形状物体分离变量法只能应用表面规则形状物体 n形状不甚规则的物体，经常应用赫姆霍茨积分形状不甚规则的物体，经常应用赫姆霍茨积分方法来求解散射声场方法来求解散射声场 n对于形状规则物体，边界是硬或软边界的简单对于形状规则物体，边界是硬或软边界的简单情况，能给出严格解析解；情况，能给出严格解析解；n对于非规则形状物体，边界条件复杂情况，则对于非规则形状物体，边界条件复杂情况，则应用数值积分法得到数值解，赫姆霍茨积分方应用数值积分法得到数值解，赫姆霍茨积分方法在实际工程中应用较多。法在实际工程中应用较多。 88水声学-声波在目标上反射和散射n

67、用赫姆霍茨积分方法求解散射声场用赫姆霍茨积分方法求解散射声场 q赫姆霍茨积分解赫姆霍茨积分解 设物体位于无限声场中，物体外表面为封闭曲设物体位于无限声场中，物体外表面为封闭曲面面S，它的外法线方向为，它的外法线方向为n；点源位于点；点源位于点A，计算声，计算声场中点场中点B的散射声场。则由赫姆霍茨积分公式得散的散射声场。则由赫姆霍茨积分公式得散射声场为：射声场为： 式中，式中， 为散射声场势函数。利用边界条件，将被为散射声场势函数。利用边界条件，将被积函数中未知量用已知量表示。设物体表面积函数中未知量用已知量表示。设物体表面S是刚是刚性的，则边界条件为：性的，则边界条件为：89水声学-声波在目

68、标上反射和散射n用赫姆霍茨积分方法求解散射声场用赫姆霍茨积分方法求解散射声场 q赫姆霍茨积分解赫姆霍茨积分解 上式中，上式中， 为入射波势函数。作为近似，在刚性物为入射波势函数。作为近似，在刚性物体表面上散射声场等于入射声场，即体表面上散射声场等于入射声场，即 考虑远场条件有：考虑远场条件有： 90水声学-声波在目标上反射和散射n用赫姆霍茨积分方法求解散射声场用赫姆霍茨积分方法求解散射声场 q赫姆霍茨积分解赫姆霍茨积分解 将以上两式代入散射声场积分公式：将以上两式代入散射声场积分公式： 如果考虑反向散射（收发合置），取如果考虑反向散射（收发合置），取 ，有，有 上两式为刚性物体的散射声场的积分

69、解。上两式为刚性物体的散射声场的积分解。 91水声学-声波在目标上反射和散射n用赫姆霍茨积分方法求解散射声场用赫姆霍茨积分方法求解散射声场 q费涅尔半波带近似法费涅尔半波带近似法 n赫姆霍茨积分解需要知道物体表面的曲面方程，赫姆霍茨积分解需要知道物体表面的曲面方程，运算繁琐。运算繁琐。n费涅尔半波带方法是一种近似方法，简化运算费涅尔半波带方法是一种近似方法，简化运算量。量。n赫姆霍茨积分解的物理意义赫姆霍茨积分解的物理意义 物体表面上各点在入射声波的激励下，作为物体表面上各点在入射声波的激励下，作为次级声源辐射次级声波，它们在接收点迭加成次级声源辐射次级声波，它们在接收点迭加成为散射声波，次级

70、声波的相位为为散射声波，次级声波的相位为 ，即，即由声波的往返路程决定。由声波的往返路程决定。92水声学-声波在目标上反射和散射n用赫姆霍茨积分方法求解散射声场用赫姆霍茨积分方法求解散射声场 q费涅尔半波带近似法费涅尔半波带近似法 考虑收发合置情况，它位于考虑收发合置情况，它位于B B点，设物体表面距点，设物体表面距B B点最近的点为点最近的点为C C，距离为，距离为 。以。以B B点为球心，点为球心， 以以 为半径，它与物体相切于点为半径，它与物体相切于点C C，然后半径每，然后半径每次增加次增加1/41/4波长，将物体表波长，将物体表面分割成许多环带，称为费面分割成许多环带，称为费涅尔半波带。相邻半波带的涅尔半波带。相邻半波带的散射波在散射波在B B点声程差为点声程差为 ，相位相差相位相差 。 93水声学-声波在目标上反射和散射n用赫姆霍茨积分方法求解散射声场用赫姆霍茨积分方法求解散射声场 q费涅尔半波带近似法费涅尔半波带近似法 第第 个半波带的散射声场为：个半波带的散射声场为： 如果物体表面共分为如果物体表面共分为N个波带，则总散射声场为：个波带，则总散射声场为： 当物体比波长大很多，且物体的曲率半径较大，则当物体比波长大很多，且物体的曲率半径较大，则N很大，相邻波带的很大，相邻波带的 变化不大，面积也很接变化不大，面积也很接近。近。 94水声学-声波在目标上反射和散射