水声学-海洋中的混响

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二、混响的统计特性
分布函数及平均起伏率 混响振幅的概率密度函数：
f
(E)
E
2 E
e
E2
2
2 E
起伏率：
1/ 2
E2 E E2
2
100%
：对于瑞利分布而言，起伏率为52%。
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二、混响的统计特性
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一、海底混响
海底散射强度 与声波频率的关系： 根据海底散射强度随频率变化，将海底粗糙度分 为三类。
有不大起伏的深海海底平原。粗糙度大体与波长相比拟， 散射强度随频率而增长；
多有水下山脉，海底不平。散射强度无明显频率关系， 可用Lambert定律描述；
介于以上两类海区。散射强度亦介于两类海区散射强度 随角度和频率的变化关系之间。
dB
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四、第七章小结
海洋混响基本概念 混响的分类 混响的形成 混响的特点 散射强度的定义 等效平面波混响级
体of Underwater Acoustic Engineering
db等效波束宽度声纳工作频率50khz相应的波长为003m又换能器为03m长的柱状换能器所以由表63查得弧度35lg10lg10underwateracousticengineeringheu21等效平面波混响级rldb80lg10lg40slrlunderwateracousticengineeringheu22体积混响的特点collegeunderwateracousticengineeringheu23混响瞬时值振幅相位collegeunderwateracousticengineeringheu24等效平面波混响级回声信号信混比collegeunderwateracousticengineeringheu25ts已知目标强度为ts的目标位于海底探测声呐与它之间的距离为r海底散射强度为sb探测声呐声源级为sl发射信号脉冲宽度为换能器等效联合指向性为设海水中的声速为吸收系数为求接收信号的信underwateracousticengineeringheu26ts半径a05米的刚性球放置在海底换能器离该球200米换能器等效收发联合指向性为02弧度并测得单位面积海底反向散射声强是入射声强的11000已知声源级sl200db发射信号脉冲宽度10ms海水中的声速为1500ms1求海底混响等效平面波混响级
混响预报 等效平面波混响级、回声信号信混比
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五、本章习题
已知目标强度为TS的目标位于海底，探测声呐与它之间 的距离为R，海底散射强度为Sb，探测声呐声源级为SL， 发射信号脉冲宽度为 ，换 能器等效联合指向性为 ， 设海水中的声速为 ，吸收c 系数为 ，求接收信号的信 混比。
RL
SL
40 lg
r
Sb
10 lg
c
2
r
海底散射强度
海底散射强度主要受底质、掠射角和频率影响。
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一、海底混响
海底散射强度 与声波频率的关系：
比较平滑的海底（泥浆底或砂底）：在很宽频率范 围内，随频率以3dB/倍频程增大；
R
TS
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THE END
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一、海底混响
海底散射强度
与海底底质和角度的关系：
：海底散射强度大于海水的体积散射和海面散射强度， 对于工作在近海底的主动声纳来讲，海底混响可能成为 主要干扰背景。
关于海底反向散射的理论解释
产生散射的主要原因是海底的起伏不平整性及表层的粗 糙度；
海底对声波的散射作用的本质是将投射到海底的声能量 在空间中进行了重新分配；
混响的相关特性 两个水听器接收到的散射波声压：
V1(t) Asin t
V2
(t)
Asin
t
D c
当散射体到水听器的距离 r 远大于水听器间距 l 时： D l sin
V2
(t)
A sin
t
l
sin c
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二、混响的统计特性
混响的相关特性 单个散射源的散射声场相关系数：
lim cos(klsin )
1 T sin 2 tdt
R
T T 0
cos(klsin )
lim 1 T sin 2 tdt
T T 0
混响的相关系数：
R总 cos(klsin )
R总
1
/2
cos(kl )d
强粗糙面上的散射问题可用兰伯特(Lambert)定律描述.
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二、混响的统计特性
分布函数及平均起伏率 混响是一个非平稳随机过程，随时间而衰减—平稳化处 理—补偿放大器补平平均强度—只改变平均值、没有改 变混响过程的相对起伏大小。 混响瞬时值：
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二、混响的统计特性
混响的频率分布
正弦填充脉冲声纳的混响在频率上与发射频率不完全相 合，在频率两侧都有频移；
发射脉冲有一定的频宽；发射脉冲宽度为 时，其频 宽近似为 1/ 。
混响强度预报
例题：设声纳工作频率为50kHz，声源级为120dB，发 射信号脉冲宽度1ms，换能器为0.3m长的线状换能器， 置于泥浆海底上方30m处，求离底斜距为180m处的海 底混响等效平面波混响级。
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四、第七章小结
海面混响 海面混响理论 海面混响的特点 海面散射强度与风速、掠射角的关系
海底混响 海底混响理论 海底混响的特点
混响的统计特性 混响瞬时值、振幅、相位
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四、第七章小结
I0 r4
rSb
c
2
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一、海底混响
海底混响的理论处理
特点：
海底散射声强度正比于发射声强、发射声信号脉冲 宽度、收-发组合指向性束宽；
与距离的三次方成反比，即随时间三次方衰减
海底混响的等效平面波混响级表达式：
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一、海底混响
海底散射强度 与海底底质和角度的关系：
在沿海各个站位上测量得 低频海底反向散射强度
到的海底反向散射强度
与掠射角的关系
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一、海底混响
海底混响的理论处理
类似于体积混响理论处理的推导过程，海底混响的有 效散射声强为：
Iscat
A
I0 r4
Sbb(0, )b(0, )ds
Sb 10lgSb ：海底反向散射强度
面元：
c / 2
ds RdRd
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n
V (t) a(ti )v(t ti ) i 1
：当发射信号的频谱不太宽时，假设每个散射波的相位 在 0 ~ 2 内随机取值，则混响瞬时值满足正态分布规律
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二、混响的统计特性
分布函数及平均起伏率 混响瞬时值概率密度：
/ 2
sin x x
x l
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二、混响的统计特性
混响的相关特性 相关系数随 l 的衰减变化：
特点： 相关系数随水听器间距 l 作振荡衰减； 相关系数与频率有关。
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二、混响的统计特性
混响的相关特性 将V1、V2相乘，取时间平均得：
lim 1 T
K T T
0 V1(t)V2 (t)dt
相关系数：
lim R
1 T T
T
0 V1 (t)V2 (t)dt
lim T
1 T
T 0
V12
(t
)dt
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第七章 海洋中的混响
第二十一讲 海底混响、混响的统计特性、 混响的预报
本讲主要内容
海底混响 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 分布函数及平均起伏率 混响的相关特性 频率分布
混响强度预报 第七章小结
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一、海底混响
海底混响的理论处理
用一个理想指向性图 替代发收组合的指向性束
宽：
Iscat
r c 2
r
2 0
I0 r4
RSbb(0, )b(0, )dRd
I0 r4
rSb
c
2
2
b(0, )b(0, )d
0
2
由
0 b(0,)b(0,)d 0 11d
海底散射声强： Iscat
R
TS
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五、本章习题
半径a=0.5米的刚性球放置在海底，换能器离该球200米， 换能器等效收发联合指向性为0.2弧度，并测得单位面积 海底反向散射声强是入射声强的1/1000，已知声源级 SL=200dB，发射信号脉冲宽度10ms，海水中的声速为 1500m/s。1）求海底混响等效平面波混响级；2）求回声 信号级；3）求接收信号的信混比。（声波按球面扩展， 不计海水吸收）
10
lg
10
lg
0.1
2
9.2
8.8
0.13
弧度
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三、混响强度预报
混响强度预报
解：
混响面积
A c r (0.75)(0.13)(180) 17.80
m2
2
等效平面波混响级RL
RL SL 40lg r Sb 10lg A 7.3
岩石、砂和岩石及淤泥、贝壳海底：与频率基本无 关。
解释：海底粗糙程度影响散射过程：粗糙度大于波长， 海底反向散射与频率无关；粗糙度小于波长时，散射强 度随频率增大。根据海底散射强度随频率变化，将海底 粗糙度分为三类。
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三、混响强度预报
混响强度预报
解：
分析：依海底等效平面波混响级公式，要求海底混 响级，首先要求解声源级、海底散射强度、换能器 组合束宽。
RL SL 40lg r Sb 10lg A
声源掠射角
声源
sin 30 /180
9.6
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三、混响强度预报
混响强度预报 解： 海底散射强度 由掠射角和泥浆海底条件，由图6-15的曲线查得：
等效波束宽度
Sb 35 dB
声纳工作频率50kHz，相应的波长为0.03m，又 换能器为0.3m长的柱状换能器，所以由表6-3查得
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一、海底混响
海底混响的理论处理 海底散射的几何关系如下图所示。收发合置换能器
距离海底高度为H，它们的指向性分别为b(,) 、b(,) 。 根据实际情况，H r ，所以 / 2 这使得反向散射过程 与换能器垂直指向性基本无 关，故指向性可近似为 b(0,) 和 b(0,) 。
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f (V )
V2
1
e 2
2 V
2 v
混响振幅的分布规律：
V (t) E(t) cos[t (t)]
：可以证明，凡是幅度几乎相同，而相位是 0 ~ 2 均匀 分布的振动迭加后得到的信号，其振幅服从瑞利分布。
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