水声学原理2
水声学原理
水声学原理
水声学原理是一种重要的研究领域，它是研究声波在水中的传播和衰减的一种科学方法。
水声学原理被广泛应用于海洋学、测深、海洋科学仪器仪表的设计、潜水器的设计、海洋探测和海洋环境研究等。
水声学原理研究需要考虑的因素有水体属性（温度、盐度、频率、测深范围）、水中声波的传播特性和衰减、海洋环境因素（温度、盐度、流量、深度等）以及潜水器的设计、性能和安全性等。
水中的声波的传播速度和衰减系数取决于水体的属性，比如温度、盐度、频率、测深范围等。
这些因素都会影响水声学的研究。
此外，温度、盐度的变化也会影响水声学的研究，因为它们会影响水中声波的传播特性和衰减。
潜水器的设计也是水声学研究的重要内容。
潜水器的设计需要考虑到水声学原理，比如声音探头的设计和安装，声音传播和衰减的研究，以及潜水器的性能和安全等。
水声学原理的研究对海洋科学仪器仪表的设计和海洋探测也有重要意义。
水声学原理可以帮助研究人员更深入地研究海洋环境，从而更好地了解海洋探测和海洋环境研究所需的信息。
总之，水声学原理是一个广泛的研究领域，它可以为海洋学、测深、
海洋科学仪器仪表的设计、潜水器的设计、海洋探测和海洋环境研究提供重要的理论依据。
水声学原理 (2)
水声学underwater acoustics简史水声换能器和参量阵水声换能器水声换能器的进展水声参量阵声波在海洋中的传播和声场数值预报传播损失水下声道理论方法深海中的声传播浅海中的声传播声场数值预报水声场的背景干扰噪声海洋中的混响信号场的起伏和散射海面波浪引起的声起伏湍流引起的声起伏内波引起的声起伏目标反射和舰船辐射噪声水下目标反射舰船辐射噪声水声信号处理-声学的一个分支学科。
它主要研究声波在水下的产生、传播和接收，用以解决与水下目标探测和信息传输过程有关的声学问题。
声波是已知的唯一能够在水中远距离传播的波动,在这方面远比电磁波(如无线电波、光波等)好,水声学随着海洋的开发和利用发展起来，并得到了广泛的应用。
简史1827年左右，瑞士和法国的科学家首次相当精确地测量了水中声速。
1912年“巨人”号客轮同冰山相撞而沉没，促使一些科学家研究对冰山回声定位，这标志了水声学的诞生。
美国的R.A.费森登设计制造了电动式水声换能器(500～1000Hz)，1914年就能探测到2海里远的冰山。
1918年，P.朗之万制成压电式换能器，产生了超声波,并应用了当时刚出现的真空管放大技术,进行水中远程目标的探测，第一次收到了潜艇的回波，开创了近代水声学，也由此发明了声呐。
随后，水声换能器的革新，关于温度梯度影响声传播路径的机理、声吸收系数随频率变化等水声学研究的成就，使声呐得以不断改进，并在第二次世界大战期间反德国潜艇的大西洋战役中起了重要作用。
第二次世界大战以后,为提高探测远距离目标(如潜艇)的能力,水声学研究的重点转向低频、大功率、深海和信号处理等方面。
同时，水声学应用的领域也越加广泛，出现了许多新装置，例如:水声制导鱼雷,音响水雷，主、被动扫描声呐,水声通信仪，声浮标，声航速仪,回声探测仪,鱼群探测仪,声导航信标,地貌仪,深、浅海底地层剖面仪，水声释放器以及水声遥测、控制器等。
水声作为遥测海洋的积分探头，在长时间内大面积连续监测海洋的运动过程以及海洋资源概念也已初步形成。
《水声学》课程配套习题参考答案
《水声学》部分习题参考答案绪论1略2略3略4略5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？解：根据水文条件及声呐使用场合，画出回声信号级、混响掩蔽级和噪声掩蔽级随距离变化的曲线，如下图，然后由回声信号曲线与混响掩蔽级、噪声掩蔽级曲线的交点所对应的距离来确定混响是主要干扰，还是噪声为主要干扰，如下图，r R<r n，所以混响是主要干扰。
声信号级回声信号级混响掩蔽级噪声掩蔽级距离rr R r n6工作中的主动声呐会受到哪些干扰？若工作频率为1000Hz，且探测沉底目标，则该声呐将会受到哪些干扰源的干扰。
解：工作中的主动声呐受到的干扰是：海洋环境噪声、海洋混响和自噪声，若工作频率为1000Hz，干扰来自：风成噪声、海底混响、螺旋桨引起的自噪声及水动力噪声。
7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。
（海水吸收不计，声呐工作于开阔水域）解：对于受混响干扰的主动声呐，提高声源级并不能增加作用距离，因为此时信混比并不改变。
在声呐发射声功率增加一倍，其余条件不变的情况下，作用距离变为原距离的42倍，即R R 412 。
第一章 声学基础1 什么条件下发生海底全反射，此时反射系数有什么特点，说明其物理意义。
解：发生全反射的条件是：掠时角小于等于全反射临界角，界面下方介质的声速大于界面上方介质的声速。
发生全反射时，反射系数是复数，其模等于1，虚部和实部的比值给出相位跳变角的正切，即全反射时，会产生相位跳变。
2 略3 略第二章 海洋声学特性1 海水中的声速与哪些因素有关？画出三种常见的海水声速分布。
解：海水中的声速与海水温度、密度和静压力（深度）有关，它们之间的关系难以用解析式表达。
z浅海负梯度C表面声道Cz 深海声道Cz2 略3 略4 略5 略6 声波在海水中传播时其声强会逐渐减少。
水声学原理知识点总结
水声学原理知识点总结【1】水声学原理的基本概念1.1. 声波的产生与传播声波是一种机械波，是在介质中震动传递的波动。
声波通常是由物体振动引起的，当物体振动时，周围的空气分子或水分子也随之振动，形成声波。
在水中，声波的传播速度一般比在空气中要快。
1.2. 水声频率与声波速度水声波的频率通常在20 Hz-200 kHz之间，与空气中的声波频率范围相似。
不同频率的声波在水中的传播速度也有所不同，通常音速约为1500 m/s。
1.3. 水声学的应用领域水声学在海洋工程、海洋资源开发、水下通信、声纳探测、水下定位等领域有广泛的应用，其中声纳技术是水声学应用的重要方面。
【2】声波在水中的传播2.1. 声波的传播方式声波在水中的传播方式与在空气中的传播方式类似，可以分为纵波和横波。
其中纵波是介质中质点沿波的传播方向振动的波动，而横波则是介质中质点振动方向与波的传播方向垂直的波动。
2.2. 水声波的衰减水中声波在传播过程中会受到水的吸收和散射等因素的影响，导致声波的衰减。
较高频率的声波在水中的衰减更为显著，这也是水声通信和声纳探测中需要考虑的重要因素。
2.3. 水声波的折射和反射声波在水中传播时，会发生折射和反射现象。
当声波通过不同密度的介质界面时，会因为介质密度的不同而发生折射现象；在与固体或液体的界面发生交界时，声波会发生反射。
【3】水声信号的特点3.1. 水声信号的特点水声信号与空中声信号相比有一些特殊的特点，如传播距离远、传播速度快、传播路径复杂、受环境干扰大等。
3.2. 水声通信的特点水声通信由于其传播路径的复杂性和环境干扰的影响，通常需要考虑信号传播延迟、传播路径损耗、噪声干扰等问题。
3.3. 声纳探测的特点声纳探测是利用声波在水中传播的特性来进行目标探测和定位，需考虑水中声波传播的复杂性、目标散射特性等因素。
【4】水声传感器技术4.1. 水声传感器的种类水声传感器包括水中听音器、水中发射器、水下通信装置等。
水声学原理
水声学原理
水声学是研究水中声波传播和水中声学现象的学科，它涉及到声波在水中的传播特性、声波的产生和接收、水中声场的特征等内容。
水声学原理是水声学研究的基础，对于理解水声学的相关知识具有重要意义。
首先，我们来看一下水声学原理中的声波传播特性。
声波是一种机械波，它是由介质的微小振动引起的，能够传播能量和信息。
在水中，声波的传播速度约为1500米/秒，远远快于空气中的声波传播速度。
这是因为水的密度比空气大，声波在水中传播时受到的阻力较小，传播速度较快。
此外，水中的声波传播距离也比空气中的远，这是由于水的吸收和散射特性导致的。
其次，声波的产生和接收也是水声学原理中的重要内容。
声波的产生可以通过声源来实现，比如声纳、声呐等设备可以产生声波并将其传播到水中。
而声波的接收则需要利用水下声学传感器来实现，这些传感器可以将声波转化为电信号，并进行相应的处理和分析。
通过声波的产生和接收，我们可以获取水下的信息，比如水下地形、水下目标等。
最后，水中声场的特征也是水声学原理中的重要内容。
水中声场是指水中的声波分布情况，它受到水下地形、水下目标等因素的影响。
水中声场的特征可以通过声纳、声呐等设备进行测量和分析，从而获取水下环境的信息。
水中声场的特征对于水下通信、水下导航等应用具有重要意义。
总结一下，水声学原理涉及到声波传播特性、声波的产生和接收、水中声场的特征等内容。
通过对水声学原理的研究，我们可以更好地理解水下环境，并应用于水下通信、水下探测等领域。
希望本文能够对水声学原理有所了解，并对相关领域的研究和应用有所帮助。
水声学原理
7
德国ATLAS公司研制的ASA92 －25主动拖曳线声呐
美国DTI公司研制的合 成孔径声呐
英国、法国联合研制的 舷侧阵声呐TSM2253
美国Lockheed Martin 公司研制的被动测距声 呐PUFFS
英国、法国联合研制的 投吊声呐
德国ATLAS公司研制的 拖曳线列阵8
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
9
声压、声强和声功率用级和分贝（dB）来量度。他们是：
声压级： 声强级： 声功率级：
L p 20 log( p p0 ) dB LI 10 log(I I0 ) dB LW 10 log(W W0 ) dB
参考值
10
1.6.2声压级等于声强级:
L I
10
log
I I
0
10
log
p2
c
p2 0
c
20 log
p p
0
L
p
注意参考值不同产生的声级差别:
1971年以前曾用： =20μPa＝2×10－4达因/厘米2，换算到现在标准要加26分贝。 ＝1 达因/厘米2＝1μb（微巴）＝10－5μPa，换算到现在的标准 要加100分贝。
•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。
3
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。
水声学原理
e
jk
r r
dS
2
r r
S
College of Underwater Acoustic Engineering
10
轴线上声压变化
注意：轴线声压随距离起伏变化，呈现很强的相干效应。
远场声压
pr
,
, t
j
k0cu a a 2
2r
2
J1 ka sin
kasin
e
j
t
kr
注意：活塞远场声压与球面 波一样与距离成反比，声场 具有方向性。
12
方向性因子和方向性指数
R
k
2a2
1
2 J1 2k
2k a
a
1
DI T
20 lgka
20
lg
2a
College of Underwater Acoustic Engineering
13
4、声波的接收方向特性
接收方向性函数
定义：设离接收系统参考中心的远场处球面上有一点源， 接收系统的输出电压V与接收中心的方位有关，则接收 系统方向性函数为：
L
3dB
2 arcsin 0.42
L
College of Underwater Acoustic Engineering
8
注意：连续直线阵永远不会出现栅瓣。
方向性因子：
R
2
D 2 cosd
2
kL 2sin kL 4 cos kL
0
kL kL
kL3
R 2L
和方向性函数： DI T
10 lg 2L
-3dB束宽：由主极大的幅值下降0.707倍处两边的夹角 或半功率辐射点之间的夹角。
水声学原理
水声学原理
水声学原理是研究声波在水中传播和声学现象的学科。
在水中，声波的传播速度较大气中要快约1500米/秒。
这是因为水的密
度和弹性模量高于空气，因此声波在水中的传播速度更快。
另外，水声学研究还探究音频信号在水中反射、折射、散射和吸收等现象。
声波在水中的传播遵循一些基本的原理。
当声源产生声波时，波源会向外释放能量，并使水质点发生膨胀和压缩，形成一个声压波。
这个声压波以固定的速度传播，并遵循波动方程。
根据波长和频率的关系，可以得出声波在水中的传播速度。
声波在水中传播时，会遇到不同的介质界面，如水面、海底和不同密度的水层。
当声波遇到界面时，会发生反射、折射和散射等现象。
反射是指波向原来的方向反弹回去，折射是指波在入射介质和出射介质之间发生偏折，散射是指波在遇到界面或障碍物时发生的辐射改变方向的现象。
这些现象对声波的传播方向和强度会产生影响。
在水声学中，还研究声波在水中的吸收现象。
水分子对声波会吸收部分能量，并将其转化为热能。
声波的频率越高，吸收现象越明显。
这种吸收现象是水中声能衰减的主要原因之一。
水声学原理的研究对于海洋声学、声纳技术、水下通信等领域都具有重要的应用价值。
通过深入理解和探索水声学原理，可以改进和优化水下声波传播系统，提高其性能和效率。
海洋声学基础——水声学原理-吴立新
海洋声学基础——水声学原理绪论各种能量形式中，声传播性能最好。
在海水中，电磁波衰减极大，传播距离有限，无法满足海洋活动中的水下目标探测、通讯、导航等需要。
声传播性能最好，水声声道可以传播上千公里，使其在人类海洋活动中广泛应用，随海洋需求增大，应用会更广。
§0-1节水声学简史01490年，意大利达芬奇利用插入水中长管而听到航船声记载。
11827年，瑞士物理学家D.colladon法国数学家c.starm于日内瓦湖测声速为1435米每秒。
21840年焦耳发现磁致伸缩效应1880年居里发现压电效应31912年泰坦尼克号事件后，L.F.Richardson提出回声探测方案。
4第一次世界大战，郎之万等利用真空管放大，首次实现了回波探测，表示换能器和弱信号放大电子技术是水声学发展成为可能。
（200米外装甲板，1500米远潜艇）5第二次世界大战主被动声呐，水声制导鱼雷，音响水雷，扫描声呐等出现，对目标强度、辐射噪声级、混响级有初步认识。
（二战中被击沉潜艇，60%靠的是声呐设备）6二、三十年代——午后效应，强迫人们对声音在海洋中的传播规律进行了大量研究，并建立起相关理论。
对海中声传播机理的认识是二次大战间取得的最大成就。
7二战后随着信息科学发展，声呐设备向低频、大功率、大基阵及综合信号处理方向发展，同时逐步形成了声在海洋中传播规律研究的理论体系。
81、1945年，Ewing发现声道现象，使远程传播成为可能，建立了一些介质影响声传播的介质模型。
2、1946年，Bergman提出声场求解的射线理论。
3、1948年，Perkeris应用简正波理论解声波导传播问题。
4、50-60年代，完善了上述模型（利用计算技术）。
5、1966年，Tolstor 和Clay 提出声场计算中在确定性背景结构中应计入随机海洋介质的必要性。
§0-2 节 水声学的研究对象及任务1、 水声学：它是声学的一个重要分支，它基于四十年代反潜战争的需要，在经典声学的基础上吸收雷达技术及其它科学成就而发展起来的综合性尖端科学技术。
水声学原理
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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p p0
10 log f 1Hz
参考值应该理解为：1 Pa/ 1Hz
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。
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。
4
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。
9
声压、声强和声功率用级和分贝（dB）来量度。他们是：
声压级： 声强级： 声功率级：
L p 20 log( p p0 ) dB LI 10 log(I I0 ) dB LW 10 log(W W0 ) dB
《水声学原理》期末复习试题2含答案
班级：学号：第1页 共2页所有试题答案均需写在答题册上，写在本试卷上无效。
一、简单题（每题5分，共50分）1．何谓声纳参数？任意选择下列声纳参数之一：TS、NL-DI+DT、RL+DT，解释其物理意义。
2．海水中的声速主要受哪些因素影响？实际工程中为什么可以应用温度测量代替声速测量以获得海水中的声速？3．引起声强衰减的原因有哪些？哪些属于几何衰减？哪些属于物理衰减？4．均匀浅海波导中的简正波是如何形成的？有何特征？5．命题：在浅海波导中，声波频率越低，吸收衰减就越小，传播距离就一定越远。
该命题对吗？用所学知识解释之。
6．天气晴好，同一台声纳在早晨的作用距离远还是下午的作用距离远，为什么？7．邻近海面水下点源声场声压振幅随距离的变化关系是什么？并解释之8．实验室测量目标强度的方法有哪些？目标强度测量应满足哪些条件？9．海洋混响可分为哪几类？每类混响强度随时间的衰减规律是什么？10．舰船辐射噪声与舰船自噪声的异同点是什么？二、（10分）设海水中有负声速梯度，且其绝对值为常数g ，声源处的声速为0c 。
试证明该介质中的声线轨迹为一段圆弧，且水平发出的声线穿过的水层厚度为d 时，它在水平方向前进的距离r 近似为()2102g d c 。
三、（10分）简述比较法测量目标强度的原理，并推导出待测目标的目标强度TS 值的表达式。
四、（10分）声速分布如下左图所示，声源位于1z 处，以1α出射的声线在深度0z 处发生反转。
已知s c 、a 、0z 、1z 和2z ，求水平距离x 。
哈尔滨工程大学本科生考试试卷（ 年 第 学期）课程编号： 课程名称：第4页 共 4页标准答案和评分标准一、简答题（每题5分，共50分）1．何谓声纳参数？任意选择下列声纳参数之一：TS、NL-DI+DT、RL+DT，解释其物理意义。
答：将影响声纳设备工作的因素统称为声纳参数（3分）。
TS：目标强度，定量反映目标声反射本领的大小；NL-DI+DT：噪声隐蔽级，在噪声干扰下主动声纳或被动声纳正常工作所需的最低信号级；RL+DT：混响隐蔽级，在混响干扰下主动声纳正常工作所需的最低信号级（2分）。
工程水声学原理
1.1海洋中为什么使用声？答：在人们迄今所熟知的各种能量形式中，在水中以声波的传播性能最好。
无论是光波还是电磁波，他们在水中的传播衰减都非常大，因而在海水中的传播距离十分有限，远不能满足人类海洋活动的需要。
1.2声波在水中得以应用的根本？ 答：R=ct ，它能将距离与时间进行互换。
1.3海洋中声传播的特点、规律、研究方法。
答：突出特点：由于海洋环境非常复杂，海洋中的声传播非常复杂。
规律：短距离，三维传播，球面扩展，海洋环境的影响较小，采用确定性研究方法；长距离上，二维传播，柱面扩展，海洋环境影响很大应优先考虑，用统计方法研究。
1.4水声学主要研究课题？答：主要研究携有某种信息的声波在水中的产生、传播和接收。
水声物理研究声波在海水中的传播规律，水声工程研究声波的产生和接收，包括水声系统设计和水声技术两部分。
2.1一维线性波动方程及其一般形式与含义答：一维线性波动方程2222210p p xc t∂∂∂∂-=，一般形式为222210p c tp ∂∂∇-=，其含义是将声波随空间的变化与声波随时间的变化联系起来。
2.2何为简谐波，谐波解？答：随时间t 作正弦或余弦规律的运动，一般称为简谐振动，产生的波是简谐波。
谐波解为()(,)j t kx p t x e ω-=。
2.3 Helmholtz 方程：22()()0p x k p x ∇+=。
2.4自由空间中的声：()(,)j t kx a p t x p e ω-= 质点振速：()(,)j t kx a u t x u e ω-= ， 00ap a c u ρ=；声阻抗率：p uZ =，特征阻抗：00c ρ声强：200111220a Tp a a Tc I pudt p u ρ===⎰；声功率：2004ap c W IdS πρ==⎰2.5声压与声强的对数表示 声压级：20lg refp p SPL = dB re p ref =1μP a声强级：10lgrefI I SIL = dB re I ref =6.76×10-19W/m 2 。
海洋声学基础讲义-吴立新精编版
海洋声学基础——水声学原理绪论各种能量形式中，声传播性能最好。
在海水中，电磁波衰减极大，传播距离有限，无法满足海洋活动中的水下目标探测、通讯、导航等需要。
声传播性能最好，水声声道可以传播上千公里，使其在人类海洋活动中广泛应用，随海洋需求增大，应用会更广。
§0-1节水声学简史01490年，意大利达芬奇利用插入水中长管而听到航船声记载。
11827年，瑞士物理学家D.colladon法国数学家c.starm于日内瓦湖测声速为1435米每秒。
21840年焦耳发现磁致伸缩效应1880年居里发现压电效应31912年泰坦尼克号事件后，L.F.Richardson提出回声探测方案。
4第一次世界大战，郎之万等利用真空管放大，首次实现了回波探测，表示换能器和弱信号放大电子技术是水声学发展成为可能。
（200米外装甲板，1500米远潜艇）5第二次世界大战主被动声呐，水声制导鱼雷，音响水雷，扫描声呐等出现，对目标强度、辐射噪声级、混响级有初步认识。
（二战中被击沉潜艇，60%靠的是声呐设备）6二、三十年代——午后效应，强迫人们对声音在海洋中的传播规律进行了大量研究，并建立起相关理论。
对海中声传播机理的认识是二次大战间取得的最大成就。
7二战后随着信息科学发展，声呐设备向低频、大功率、大基阵及综合信号处理方向发展，同时逐步形成了声在海洋中传播规律研究的理论体系。
81、1945年，Ewing发现声道现象，使远程传播成为可能，建立了一些介质影响声传播的介质模型。
2、1946年，Bergman提出声场求解的射线理论。
3、1948年，Perkeris应用简正波理论解声波导传播问题。
4、50-60年代，完善了上述模型（利用计算技术）。
5、1966年，Tolstor和Clay提出声场计算中在确定性背景结构中应计入随机海洋介质的必要性。
§0-2 节水声学的研究对象及任务1、水声学：它是声学的一个重要分支，它基于四十年代反潜战争的需要，在经典声学的基础上吸收雷达技术及其它科学成就而发展起来的综合性尖端科学技术。
水声学原理课堂习题2(附答案)
1 波动方程的定解条件有哪些？2 均匀浅海声道中的简正波是如何形成的？说明简正波的特性。
解：简正波的形成原因：与z 轴夹角满足特定关系的上行波和下行波的迭加形成某一阶次的简正波。
简正波在垂直方向是与驻波、水平方向是行波，每阶简正波有各自的简正频率，简正波的相速度与阶次有关，不同阶次的简正波其相速度不等，称为频散。
3 已知水面船作匀速直线运动，船底的换能器以夹角θ向海底发射声波，频率为f 0，收得海底回声信号的频率为f r ，求该船的航行速度v 。
解：考虑多卜勒效应，回声信号频率⎪⎭⎫ ⎝⎛+=c V f f r θcos 210 ()θc o s 200f C f f V r⋅-=4 为何在水下噪声研究中将舰船噪声分为舰船辐射噪声和舰船自噪声？写出舰船辐射噪声的噪声源，并说明它们的频率特性及在辐射噪声中起的作用。
解：（1）舰船噪声对声呐作用有两种：一个作为它舰被动声呐探测目标的声源，另一个作为本舰声呐的干扰。
这表现在声呐方程中：前者为被动声呐方程的声源级（SL ），后者表现为干扰噪声（NL ）的一部分。
并且舰船辐射噪声和舰船自噪声的性质也不同。
因而舰船噪声分为舰船辐射噪声和舰船自噪声。
（2）舰船辐射噪声源有：机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声三种。
（3）舰船噪声的谱特性：连续谱上迭加线谱。
5 开阔水域中扫雷舰拖拽一宽带噪声源、声源谱级160dB ，被扫音响水雷对200-300Hz 的噪声敏感，环境噪声谱级90dB ，接收机检测阈DT=10dB ，海水吸收系数α，求作用距离（给出表达式）。
解：被动声呐方程SL-TL-(NL-DI)=DTSL=160+10lg(300-200)=180dB NL=90+10lg100=110 DI=0 DT=10 TL=SL-DT-(NL-DI)=60dB, 20lgR+αR=606 对于舰船自噪声来说，水动力噪声具有特殊的重要性，在工程上可采取哪些措施降低水动力噪声。
水声学原理 (2)
水声学underwater acoustics简史水声换能器和参量阵水声换能器水声换能器的进展水声参量阵声波在海洋中的传播和声场数值预报传播损失水下声道理论方法深海中的声传播浅海中的声传播声场数值预报水声场的背景干扰噪声海洋中的混响信号场的起伏和散射海面波浪引起的声起伏湍流引起的声起伏内波引起的声起伏目标反射和舰船辐射噪声水下目标反射舰船辐射噪声水声信号处理-声学的一个分支学科。
它主要研究声波在水下的产生、传播和接收，用以解决与水下目标探测和信息传输过程有关的声学问题。
声波是已知的唯一能够在水中远距离传播的波动,在这方面远比电磁波(如无线电波、光波等)好,水声学随着海洋的开发和利用发展起来，并得到了广泛的应用。
简史1827年左右，瑞士和法国的科学家首次相当精确地测量了水中声速。
1912年“巨人”号客轮同冰山相撞而沉没，促使一些科学家研究对冰山回声定位，这标志了水声学的诞生。
美国的R.A.费森登设计制造了电动式水声换能器(500～1000Hz)，1914年就能探测到2海里远的冰山。
1918年，P.朗之万制成压电式换能器，产生了超声波,并应用了当时刚出现的真空管放大技术,进行水中远程目标的探测，第一次收到了潜艇的回波，开创了近代水声学，也由此发明了声呐。
随后，水声换能器的革新，关于温度梯度影响声传播路径的机理、声吸收系数随频率变化等水声学研究的成就，使声呐得以不断改进，并在第二次世界大战期间反德国潜艇的大西洋战役中起了重要作用。
第二次世界大战以后,为提高探测远距离目标(如潜艇)的能力,水声学研究的重点转向低频、大功率、深海和信号处理等方面。
同时，水声学应用的领域也越加广泛，出现了许多新装置，例如:水声制导鱼雷,音响水雷，主、被动扫描声呐,水声通信仪，声浮标，声航速仪,回声探测仪,鱼群探测仪,声导航信标,地貌仪,深、浅海底地层剖面仪，水声释放器以及水声遥测、控制器等。
水声作为遥测海洋的积分探头，在长时间内大面积连续监测海洋的运动过程以及海洋资源概念也已初步形成。
上海交大范军 水声学原理
上海交大范军水声学原理水声学原理是研究水中声波传播及其相互作用的学科。
声波是一种机械波，它的传播需要介质。
在水中，声波的传播速度远比空气中的声波快，而且可以传播更远的距离。
水声学的研究内容包括水下声波传播、水中声信号处理、水下声学传感器等。
在水声学中，声波是通过分子间的碰撞传递能量的。
当声源在水中产生声波时，声波会以球面波的形式向四周传播。
声波在传播过程中会发生折射、反射、散射等现象，这些现象是由水中介质的性质决定的。
在水声学中，声波的传播速度与水的压强、温度、盐度等因素有关。
一般来说，水的压强越大，声波的传播速度越快；水的温度越高，声波的传播速度也会增加；而水的盐度对声波的传播速度影响较小。
在水声学中，声波的传播还会受到水中的物体和海底地形的影响。
当声波遇到物体时，会发生折射和反射。
折射是指声波在介质之间传播时由于介质的折射率不同而改变传播方向的现象。
反射是指声波在遇到物体表面时被反射回来的现象。
这两个现象使得声波在水中的传播路径发生弯曲，从而影响声波在水中的传播距离和方向。
水中的散射现象也会对声波的传播产生影响。
散射是指声波在遇到介质中的不均匀性或散射体时，发生方向改变的现象。
散射会使声波在水中形成复杂的传播路径，使声波的能量分散并减弱。
水声学的研究对于海洋勘探、水下通信、水下声纳等领域具有重要的应用价值。
例如，在海洋勘探中，可以利用声波的传播特性来获取海底地形和海洋中的物体信息；在水下通信中，可以利用声波传输信息，实现水下通信和定位；在水下声纳中，可以利用声波来检测和定位水中的目标。
水声学原理是研究水中声波传播及其相互作用的学科。
通过研究水声学原理，可以深入了解声波在水中的传播规律，并应用于海洋勘探、水下通信、水下声纳等领域，为人类的海洋活动提供支持和保障。
水声学原理第一章2
水声学原理第一章2
水声学概述 水声传播原理 水下声场 声呐原理及应用 总结与展望
contents
目 录
01
水声学概述
水声学是一门研究水下声波的产生、传播、接收和利用的学科，其研究对象包括声波在水下的传播规律、声呐技术以及水下声学现象等。
总结词
水声学是声学的一个分支，专门研究声波在水下介质中的传播规律。它涉及到声波在水下环境中的产生、传播、散射、吸收和反射等物理过程，以及水下声学现象的机制和特性。水声学的研究对象包括声波在水下的传播规律、声呐技术以及各种水下声学现象等。
声呐的基本原理和组成
声呐信号的发射和接收
声呐信号的发射
声呐发射机产生一定频率和强度的声波，通过换能器将电信号转换为声波向水中发射。
声呐信号的接收
声呐接收机接收到反射回来的声波后，通过换能器将声波转换为电信号，然后进行处理和分析。
VS
声呐的探测性能受到多种因素的影响，如水深、水温、盐度、水中的悬浮物等。不同的声呐型号和应用场景需要选择合适的参数和配置。
详细描述
水声学的定义和研究对象
总结词
水声学的发展历程可以追溯到20世纪初期，随着科技的不断进步，水声学在探测、通信、海洋生物学和地球物理学等领域得到了广泛的应用和发展。
详细描述
水声学的发展历程可以追溯到20世纪初期，当时人们开始系统地研究声波在水下的传播规律。随着科技的不断进步，水声学在探测、通信、海洋生物学和地球物理学等领域得到了广泛的应用和发展。如今，水声学已经成为一门高度发达的学科，为人类在海洋领域的探索和发展提供了重要的技术支持。
应用领域
声呐广泛应用于水下探测、海洋科学研究、水下考古、海底地形测量等领域。在军事上，声呐也被用于潜艇探测、水下目标识别和反潜作战等方面。
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拉普拉斯算符
直角坐标系: 直角坐标系: 球坐标系: 球坐标系:
1 2 1 1 2 2 = 2 r + 2 sin θ + 2 2 θ r sin θ 2 r r r r sin θ θ
p = P P0
质点振速: 质点振速:由于声波扰动引起的介质质点运动 速度的变化量: 速度的变化量: = U U 0 变化量 u
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2,波动方程导出
假设条件: 假设条件:
介质静止,均匀,连续的; 介质静止,均匀,连续的; 介质是理想流体介质; 介质是理想流体介质; 小振幅波. 小振幅波.
根据前面的假设有:
ρ1 = (ρ0u) t
绝热压缩定律: ②状态方程——绝热压缩定律:介质的压缩和膨胀 状态方程 绝热压缩定律 过程是绝热过程
dP = c dρ
2
声波的传播速度: 声波的传播速度:
c=
1
βs ρ0
β 式中, 为绝热压缩系数——单位压强变化引起的体积 式中, s为绝热压缩系数——单位压强变化引起的体积 相对变化. 相对变化.
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第一章思考题: 第一章思考题: 已知噪声是某主动声纳的主要干扰, 1,已知噪声是某主动声纳的主要干扰,如果声纳的声
源级增加一倍,问声纳作用距离能增大吗?如果能增大, 源级增加一倍,问声纳作用距离能增大吗?如果能增大, 请计算增大了多少,如果不能,请说明原因.( .(声波按 请计算增大了多少,如果不能,请说明原因.(声波按 球面波扩展衰减,不计介质吸收) 球面波扩展衰减,不计介质吸收)
流体介质中,声波表现为压缩波 流体介质中,声波表现为压缩波 ),即纵波 (Compressional Wave),即纵波 ), 在固体中既有纵波也有横波( 在固体中既有纵波也有横波(切变 纵波也有横波 波-Shear Wave) )
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解:
对于受噪声干扰的主动声纳, 对于受噪声干扰的主动声纳,提高声源级能增加 声纳的作用距离. 声纳的作用距离.
SL-2TL+TS-(NL-DI)=DT SL'-2TL'+TS-(NL-DI)=DT
两式相减得到 r '= 4 2r
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发射换能器发射40kW的声功率,且方向性 的声功率, 发射换能器发射 的声功率 指数为15dB,其声源级 为多少? 为多少? 指数为 ,其声源级SL为多少 声源级定义: 解:声源级定义: SL = 10 log I I0 无指向性声源的声强: 无指向性声源的声强: I = Pa ND 4π 设指向性声源的轴向声强为: 设指向性声源的轴向声强为: I D ID 由题意知: 由题意知: DI T = 10 log DI T ′ ′ DI T = I ND 指向性声源的轴向声强为: 指向性声源的轴向声强为: ′ ′ I D = DI T I ND = DI T Pa / 4π 声源级: 声源级:SL = 10 log I D = 10 log P + 10 log 1 + DI a T I0 4πI 0
1 + (kr )
2
e i
1 tg = kr
说明:近距离,声压和振速的相位差很大; 说明 远距离,声压和振速的相位接近相等. 注意:声阻率和声抗率 注意 ( H 02 ) (kr ) 柱面波: 柱面波: Z = iρ c 0 H 1(2 ) (kr )
,
说明:具有与球面波声阻抗率相似的性质. 说明 注意:柱面波和球面波在远场近似为平面波,即 注意
2 2 2 2 = 2 + 2 + 2 x y z
1 1 柱坐标系: 柱坐标系: = + 2 r + 2 2 r r r r z
2 2 2
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——介质单位质量具有的声扰动冲量 速度势——介质单位质量具有的声扰动冲量 p ψ = ∫ dt
o
ρ 2 c2
x
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2,取下列声压作为参考级, 1微帕声压的 取下列声压作为参考级, 取下列声压作为参考级 大小为: 达因/厘米 微帕) 大小为: (10-5达因 厘米2 =1微帕) 微帕 取参考声压为1微帕时,其大小为0dB; 取参考声压为1微帕时,其大小为0dB; 0dB 取参考声压为0.0002达因 厘米2 时,其大小 达因/厘米 取参考声压为 达因 为-26dB; ; 取参考声压为1达因 达因/厘米 取参考声压为 达因 厘米2 时,其大小为 -100dB; ;
平面声波声能量具有无损耗,无扩展的传递特性.
能流密度:单位时间内通过垂直声传播方向的单位 能流密度: 能流密度
面积的声能
Caution:正负表示能流流出或流入体元. : 平均声能流密度或声波强度:通过垂直声传播方 平均声能流密度或声波强度: 平均声能流密度或声波强度
向的单位面积的平均声能流
1 T I= pudt T 0
第二章 声学基础
第三讲 理想流体介质中的小振幅波
第一章知识要点
声纳参数的定义,物理意义
SL,TL,TS,NL,DI,DT,RL,DIT
组合声纳参数的物理意义
SL-2TL+TS NL-DI+DT RL+DT (SL-2TL+TS)-(NL-DI+DT)
主动声纳方程的选择问题(如何判断干扰) 声纳方程的两个重要的基本用途
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3.
给定水下声压 p 为100 Pa ,那么声强 I 是 I 多大, 比较, 多大,与参考声强r 比较,以分贝表示的声 强级是多少?(取声速C=1500m/s,密度为 ?(取声速 强级是多少?(取声速 , 1000kg/m3) 声强: 解:声强: 2 6 2 p (100 ×10 ) 15 W/m2 I= = = 6.67 ×10 ρc 1000 ×1500 1000× 声强级: 声强级 15 I 6.67 ×10 SIL = 10 log = 10 log = 40 dB 19 I0 6.67 ×10
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1,声学基础知识 ,
声波:机械振动状态在介质中传播 声波:机械振动状态在介质中传播 状态在介质 形成的一种波动形式 分类: 分类:
20Hz以下的振动称为次声 以下的振动称为次声 以下的振动称为 高于20kHz的振动称为超声 的振动称为超声 高于 的振动称为 20Hz至20kHz的声振称为音频声 至 的声振称为音频声 的声振称为
说明:平面波声压和振速处处同相(正向波) 说明 或反向(反向波),声强处处相等,其声阻抗 率与频率无关.
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球面波
(kr )2 Z = ρ0c 2 1 + (kr )
+ iρ 0 c 1 + (kr ) kr
2
=
ρ 0 ckr
ρ0
声压,质点振速与速度势的关系: 声压,质点振速与速度势的关系:
振速: 振速: 声压: 声压: Caution: :
u = Ψ
Ψ p = ρ0 t
1 2Ψ 2Ψ = 2 2 c t
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3,声场中的能量 ,
声能:由于声波传播而引起的介质能量的增量称 声能 为声能;显然声能是介质运动的机械能. 声场总能量:动能+位能 声场总能量 声能密度: 声能密度: 1 2 p2 E 体积 V0 内的总声能为: = Ek + Ep = 2 ρ0 u + 2 2 V0 ρc
4.
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第一章作业
什么是声纳?声纳可以完成哪些任务? 什么是声纳?声纳可以完成哪些任务? 请写出主动声纳方程和被动声纳方程? 请写出主动声纳方程和被动声纳方程?在声纳方程中各 项参数的物理意义是什么? 项参数的物理意义是什么? 声纳方程的两个重要的基本用途是什么? 声纳方程的两个重要的基本用途是什么? 环境噪声和海洋混响都是主动声纳的干扰, 环境噪声和海洋混响都是主动声纳的干扰,在实际工作 中如何确定哪种干扰是主要的? 中如何确定哪种干扰是主要的?
∫
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4,介质特性阻抗和声阻抗率 ,
介质的特性阻抗: 介质的特性阻抗 ρ0c 声阻抗率: 声压与振速 声阻抗率:声场中某点声压 振速 声压 振速之比 Z = p u
复数(声压与振速存在相位差). ,它为一个复数 复数 平面波 Z = ± ρ 0 c 平面波:
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③运动方程——牛顿第二定律 牛顿第二定律
u ρ0 = p t ρ1 = (ρ0u) 连立方程: 连立方程: t
可得: 可得: 波动方程
dP = c2dρ 1 P = (ρ0u) 2 c t 2
1 p p= 2 2 c t