第三章 水声测量
第3章超短基线水声定位系统
有
R T c R T c
以水平位置精度与斜距之比来衡量定位精度时有
斜距相对 定位精度
X a 12 R 2d
响应器方式
带有深度的应答器/响应器方式
2 2019/4/9
一类是根据声线入射角和已知 超短基线系统的几种定位解算方式 深度进行位置解算
（ （ 测 ） 量 信 声 标 线 方 入 式 射 角 ） （ 单 程 距 离 和 角 度 ） (c)
另一类则是根据测量的距离和 声线入射角进行定位解算。
r
X Y
2 a
2 a
8
2019/4/9
3.3 入射角与距离算法 （应答器或响应器方式）
目标斜距 若使用应答器代替信标
1 R cTT , R 2
通过相位测量得到角度， 直接求出位置坐标
hR cos mx X cos a mx Xa
1 cos2 mx cos2 my
1 mx
，
Xa
3.2 入射角和深度方式（非同步信标 h cos mx 2 信标方式）位置解算 1 cos cos2
con my Ya 1 tan X tan con mx a
1
1 13 tan 21
c 2 T 2 d 2 2 2 2 12 c T d 2 d
2 2 总的均方误差 类似地，可得到 x y
13 2 Y 2d
工作报告之水中声速测量实验报告
水中声速测量实验报告【篇一：实验报告声速的测定】实验报告声速的测定-驻波法测声速2013301020142吴雨桥13级弘毅班物理科学与技术学院本实验利用超声波采用驻波法来测定空气中的声速。
【实验目的】(1)学会用驻波法测定空气中的声速。
(2)了解压电换能器的功能，熟悉低频信号发生器和示波器的使用。
(3)掌握用逐差法处理实验数据。
【实验器材】声波驻波仪、低频信号发生器、数字频率计、毫伏表、示波器、屏蔽导线。
【仪器介绍】声波驻波仪如图所示，在量程为50cm的游标尺的量爪上，相向安置两个固有频率相同的压电换能器。
移动游标及借助其微动装置就可精密地调节两换能器之间的距离l。
压电换能器是实现声波（机械振动）和电信号相互转换的装置，它的主要部件是压电陶瓷换能片。
当输给一个电信号时，换能器便按电信号的频率做机械振动，从而推动空气分子振动产生平面声波。
当它受到机械振动后，又会将机械振动转换为电信号。
压电换能器s1作为平面声波发射器，电信号由低频信号发生器供给，电信号的频率读数由数字频率计读出；压电换能器s2作为声波信号的接收器被固定于游标尺的附尺上，转换的电信号由毫伏表指示。
为了在两换能器的端面间形成驻波，两端面必须严格平行。
【实验原理】两列振幅相同传播方向相反的相干波叠加形成驻波，它不受两个波源之间距离等条件的限制。
驻波的强度和稳定性因具体条件的不同有很大差异。
只有当波源的频率和驻波系统的固有频率相等时，驻波振幅才达到最大值，该现象称为驻波共振。
t 等于任一温度时，声波在理想气体中的传播速度为v=v0 1+??273.15式中v0=331.45m???1，它为0℃时的声速，t为摄氏温度。
由上式可以计算出t等于任意温度时，声波在理想气体中的传播速度。
【实验内容】(1)仪器接线柱连接。
用屏蔽导线将压电换能器s1的输入接线柱与低频信号发生器的输出接线柱连接，用屏蔽导线将压电换能器s2的输出接线柱与毫伏表的输入接线柱连接，再将低频信号发生器的输出端与数字频率计的输入端相连。
声学和水声学测量技术应用
发送部分电路图
声学和水声学测量技术应用
接收部分
★前置放大电路
考虑到水声信道对声信号的衰减较大，必须在接收前端加以前置 放大器。考虑到方案的易实现，前置放大电路采用TL084中的运 算放大器模块构成放大电路。
声学和水声学测量技术应用
接收部分电路图
声学和水声学测量技术应用
带通滤波电路
★考虑到实用性及可靠性的折中，带通滤波器的设计采用双二阶滤波
器电路 ，电路图为
声学和水声学测量技术应用
检波电路
★信号滤波后必须经过检波和低通的处理才可作为初步控制输入
比较器，考虑到半波整流电路性能不高，这里采用线性检波电路 完成检波功能，电路图如下：
声学和水声学测量技术应用
比较电路
★检波后信号接入比较器中进行比较，比较器采用芯片LM311，
声学和水声学测量技术应用
水声换能器发射响应的测量
实验目的
★ 掌握水声换能器发射电压响应的测量方法
声学和水声学测量技术应用
实验原理
★发射响应：在单位输入电压或电流下换能器的声源级
★发射电压响应：Sv是发射换能器在指定方向上，离其有效中心参
考距离上产生的自由场表现声压Pf与加在换能器输入端的电压V 的比值
折射等不同的路径到达接收器的。在水声信道中，多途主要是由于 所辐射的信号经海面、海底单次或多次反射在接收点随机叠加而形 成的，在此过程中，声波的折射决定着声线的走向。
★多途结构：多途和直达脉冲有的是彼此分离的，有的和直达的迭
合在一起，多途的幅度总体上有随时间减少的趋势，但有的却大于 直达的。
★多途特征
t=50μs。故一周期内采样T/t=880个数据，其中应有m=τ/t=79 个“1”。
声学测量之水声工程46页PPT
1、合法而稳定的权力在使用得当时很 少遇到 抵抗。 ——塞 ·约翰 逊 2、权力会使人渐渐失去温厚善良的美 德。— —伯克
3、最大限度地行使权力总是令人反感 ；权力 不易确 定之处 始终存 在着危 险。— —塞·约翰逊 4、权力会奴化一切。——塔西佗
5、虽然权力是一头固执的最灵繁的人也看不见自己的背脊。——非洲 2、最困难的事情就是认识自己。——希腊 3、有勇气承担命运这才是英雄好汉。——黑塞 4、与肝胆人共事，无字句处读书。——周恩来 5、阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根
水声测量原理五种典型噪声
水声测量原理五种典型噪声
水声测量是利用声波在水中传播的特性来获取相关信息的一种技术方法。
以下是水声测量中常见的五种典型噪声：
1. 海底地震噪声：由于地球内部的地震活动产生的地震波向水体传播引起的噪声，频率范围广泛，能够遍及整个水柱。
2. 海洋动力噪声：由于海洋水体的风浪、潮汐等运动引起的噪声，频率范围通常在几十赫兹到几千赫兹之间。
3. 海洋生物噪声：由于海洋中生物活动产生的声音引起的噪声，如鱼类的鳞片摩擦、鲸鱼的歌声等。
频率范围较低，通常在几十赫兹到几千赫兹之间。
4. 人为噪声：由于船只、渔船、潜水器等人为活动引起的噪声，频率范围较宽，通常在几十赫兹到几千赫兹之间。
5. 水声仪器本身的噪声：由于水声仪器及其传感器本身的电子噪声引起的噪声，可以通过合理的设计和隔离来降低。
以上是水声测量中的五种典型噪声，根据噪声的特点和频率范围的不同，科研人员在测量过程中会采取相应的去噪处理措施，以减小噪声对测量结果的干扰。
水声实验
-20
-30
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
-40
-45
-15
2.4
1.6
0.9
0.7
2.8
TL
距离 20
30
34.2 40
45
50
55
60
65
Vp（V） 5
4
4
3
2.6
2.4
2.2
2
1.8
距离 70
Vp（V） 1.6
L=151.4cm B=121.7cm H=88.7cm D=34.2cm Q=15 τ≤min()
声源级和传播损失
p(r) SL 20 log
P0
A
r
20 log 20 log
P0r0
r0
式中 P0 1Pa , r0 1m 。由上式可见，右边第一项为常数，它表示声源 强度等于离源中心 1m 处得声压级。可见，在声压和距离的双对数坐
标系统中，上式为一直线，并且距离每增加一倍，声压级减少 6dB。
一、实验内容：
心,否则发射器和接收器间距必须比有效声中心和转轴间距大 100 倍。发射器和
接收器的间距要满足远场条件。
将频率为待测水听器相应工作频率 f 的电信号加到辅助发射器上,且保持发
射声场恒定不变。转动待测水听器,记下各个方向上水听器的输出电压。
信号源
示波器
功率放大器
测量放大器
发射换能器
实验水槽 水听器
图 1 测量系统连接示意图
根据声压随球面波衰减及 SL 的定义式可得到 SL 的测量式如下 SL(R) PL(R) 20lg(R)
20 lg(电压有效值 ) 203 - 20lg(测放) 20lg(R)
水声换能器测量规程
水声换能器测量规程全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：水声换能器是一种用于测量水下声音并将其转换为电信号的设备，常用于海洋科学研究、水声通信、海洋资源勘探等领域。
水声换能器的测量精度直接影响到数据的准确性和可靠性，在进行水声换能器的测量过程中需要严格遵守一定的规程，以确保测量结果的准确性。
本文将介绍一份关于水声换能器测量规程的具体内容，希望能够帮助读者了解水声换能器测量的主要步骤和注意事项。
一、测量前的准备1. 确定测量的目的和测量范围，明确需要测量的参数和技术要求。
2. 准备好水声换能器以及相关的测量设备和配件，确保设备能够正常工作。
3. 对测量地点进行认真的现场勘测，了解水声环境、水声传播特性等相关信息。
4. 对测量人员进行培训，确保他们熟悉水声换能器的使用方法和操作规程。
二、测量过程的实施2. 将水声换能器置于需要测量的位置，调节传感器的方向和角度，确保能够准确接收水下声音信号。
3. 开始进行测量，记录下测量开始时间和测量参数等相关信息。
4. 在测量过程中要及时调整水声换能器的位置和参数，确保测量数据的准确性。
5. 测量结束后，停止测量并记录下测量结束时间，保存测量数据并进行分析。
三、测量结果的处理和分析1. 对测量数据进行处理和分析，计算出所需的参数和结果。
2. 对测量结果进行比对和验证，确保结果与实际情况一致。
3. 将测量结果进行归档和备份，以备日后查看和参考。
四、注意事项和安全措施1. 在进行测量时要注意保护水声换能器和相关设备，避免碰撞和损坏。
2. 在测量地点要注意安全，避免发生意外和事故。
3. 在测量过程中要保持仪器的稳定性，避免数据误差。
4. 在遇到问题和困难时要及时与专业人员沟通，寻求帮助和解决方案。
水声换能器测量规程是保证测量准确性和可靠性的重要措施，只有严格遵守规程，才能够得到准确的测量结果。
希望本文能够对读者在进行水声换能器测量时有所帮助，提高测量工作的效率和质量。
【2007字】第二篇示例：水声换能器是一种将水中的声波信号转换为电信号的装置，广泛应用于海洋科学研究、海洋勘测、水声通信等领域。
第三章 海洋的声学特性
第三章 海洋的声学特性本章从声学角度讨论海洋、海洋的不均匀性和多变性，弄清声信号传播的环境，有助于海中目标探测、声信号识别、通讯和环境监测等问题的解决。
3.1 海水中的声速声速：海洋中重要的声学参数，也是海洋中声传播的最基本物理参数。
海洋中声波为弹性纵波，声速为：s c ρβ1=式中，密度ρ和绝热压缩系数s β都是温度T 、盐度S 和静压力P 的函数，因此，声速也是T 、S 、P 的函数。
1、声速经验公式海洋中的声速c （m/s ）随温度T （℃）、盐度S （‰）、压力P （kg/cm 2）的增加而增加。
经验公式是许多海上测量实验的总结得到的，常用的经验公式为：较为准确的经验公式：STP P S T c c c c c ∆∆∆∆++++=22.1449式中，4734221007.510822.2104585.56233.4T T T T c T ---⨯-⨯+⨯-=∆()()2235108.735391.1-⨯--=-S S c S ∆4123925110503.310451.3100279.11060518.1P P P P c P ----⨯-⨯+⨯+⨯=∆()[][][]TP T T P T T T P PTP P T S c STP 31021012382546214310745.110286.910391.210644.6103302.110796.21009.21096.11061.210197.135----------⨯-⨯+⨯-+⨯-⨯+⨯-+⨯-⨯-⨯+⨯--=∆上式适用范围：-3℃<T<30℃、33‰<S<37‰、()2525/109801/10013.1m N P m N ⨯<<⨯个大气压。
35‰；经常用深度替代静压力，每下降10m 水深近似增加1个大气压的压力。
声速c 的数值变化虽然微小，但它对长距离传播声线的分布、射程、传播时间等量的影响很大，因此需要有准确的声速数值。
水声计量测试技术
水声计量测试技术水声计量测试技术1. 引言水声计量测试是一种常用的技术，用于测量水声传播和声波参数。
它在海洋学、海洋地质学、水声通信等领域具有广泛的应用。
本文将深入探讨水声计量测试技术的原理、方法和应用，并分享对这一技术的观点和理解。
2. 水声计量测试技术的原理水声计量测试技术基于声波在水中传播的特性，通过测量水中的声波信号来推断水质、水温、水深等参数。
其原理可以简单概括为声波的发射、传播和接收三个步骤。
2.1 声波的发射水声计量测试通常使用声源（例如声纳）发射特定频率或宽频带的声波信号。
声源的选择取决于测试需求，常见的包括压电式声纳和鱼雷型声纳。
这些声源能够将电能转化为声能，并向水中传播。
2.2 声波的传播一旦声波信号被发射到水中，它们会沿着特定路径传播。
声波在水中传播的速度取决于水的温度、盐度和压力等因素。
根据声纳原理，测试者可以根据声波的传播时间和距离计算出水的声速，进而推断温度和盐度等参数。
2.3 声波的接收接收声波信号的装置通常与声源相对应，可以是水中的接收器、浮标式接收器或固定式接收器。
这些装置能够将声波信号转化为电能，并进一步处理和测量声波参数。
3. 水声计量测试技术的方法水声计量测试技术可以通过不同的方法来实现。
以下介绍两种常用的方法。
3.1 移动测量方法移动测量方法是指使用移动平台上的设备，在水中进行点对点的测量。
这种方法适用于需要获取特定位置声波参数的情况，如测量海底地形和水下物体的距离。
测试者可以通过控制设备的位置和时间来获取准确的测量结果。
3.2 固定测量方法固定测量方法是指在水中选取合适的位置，固定设备进行长时间的连续测量。
这种方法适用于长期跟踪水域的声学变化，如监测水下生物活动和水质变化。
测试者可以将多个固定位置的测量结果进行比较，以获取更全面的数据。
4. 水声计量测试技术的应用水声计量测试技术在许多领域具有广泛的应用。
4.1 海洋学领域水声计量测试技术在海洋学研究中被广泛应用。
水声探测技术实验指导书三-五
实验三海洋环境噪声的测量及频谱分析本实通过对现有舰船辐射噪声采集数据进行处理，得到某一实验过程海洋环境噪声的分布规律，并将所得结果作图表示。
一、实验目的1、了解以舰船辐射噪声为代表的海洋环境噪声的基本特性。
2、掌握基本的时-频处理方法。
3、以实测数据为例，通过上机操作，达到一定的实际训练。
二、实验仪器计算机三、实验原理1、海洋噪声的来源海洋噪声的来源是多方面的，总的归纳起来有几大类：(1) 动力噪声：由、涌、浪引起低频压力脉动，水中引起的压力起伏，以及海浪拍岸的噪声，雨噪声等。
(2) 冰下噪声：由冰层运动引起的碰撞、摩擦和破裂的噪声，以及不平整的冰层表面与大气、海流相互作用的噪声。
(3) 生物噪声：由海洋动物所引起的各式各样的声音。
(4) 地震噪声:由地震、火山爆发以及海啸产生的噪声。
(5) 工业噪声：由人类的各种活动所引起的噪声。
如船舶航行的噪声，港口作业噪声，海底作业噪声等。
以上这些噪声源各有其自己的频谱特性。
通过频谱分析，不但可以了解声源信息，如根据海洋噪声探测海上风浪的情况，还可以根据海洋噪声场的特性，提高水声器材的抗干扰性能。
因此，有必要进一步了解水下噪声场的谱特性。
2、船舰噪声的谱特性舰船在水中运动时，将辐射噪声，其来源有下列三个方面：(1) 机械噪声：主机、辅机和各种空调设备产生的机械振动，它通过船壳辐射到海中。
(2) 螺旋桨噪声：螺旋桨转动产生水介质空化引起的空化噪声、及它的划水声和涡流声。
(3) 水动力噪声：水流过船壳产生的摩擦声及附件产生共振辐射的声音。
在多数情况下，机械噪声和螺旋桨噪声是主要的。
图5-1是典型的舰船噪声图谱。
在低频段，谱级随频率增高而增大。
在100~1000Hz之间出现一个峰值，主要是由于空化噪声产生的，峰值位置取决于舰船的航速。
在此频段以后，以大约每倍频程6dB的坡度下降。
另外还可以看到，在低频段出现一些线谱，它是机械噪声和螺旋桨“叶片速率”的谱线，早高频端这些谱线被连续谱掩盖，所以从图上看不到。
声学测量之水声工程
3声学测量的特点 1.环境因素影响大； 2.测量信号复杂； 3.测量空间多样； 4.测量精度低、量值传递误差大； 5.测量频域范围宽； 6.外场实验困难； 7.测量结果多用分贝表示。
4参考文献 * 《水声计量技术》 郑士杰 * 《水下电声测量技术》 阎福旺 * 《声学测量实验》 贾志富 * The Journal of the Acoustical Society of American （JASA） * 声学学报 * 应用声学 * 声学技术 * 电声技术 * 振动与冲击
声学测量
主讲教师：陈洪娟、张虎 授课学时：16
声学测量：
研究声学测量技术的科学。 包括: ——测量方法 ——测量仪器
第 1章 第 2章 第3章
声学测量的基本问题 测量换能器 声学测量基本方法（水声测量）
第一章
声学测量的基本问题
（一）绪论 （二）基本预备知识
（三）声学量的级及其基准值
（四）实验
（一）绪论
6、两个声压绝对值之比与其声压级差值的关系
7.分贝误差
（1）绝对误差：
绝对误差△x＝测量值-真值=X′-x （物理量单位）
（2）相对误差（百分比误差）：
相对误差δx =绝对误差△x /真值x =（测量值-真值）/真值 =X′ /x-1（%） （3）分贝误差： δLx=20lg（1+ δx ）
8、分贝加减法则 （1）声压级的合成——分贝的加法
其中： I 0 为声强基准值，在水中为1pw/m2。
分贝（为什么采用？）
• 人类的耳朵能感应声压的范围很大； • 人类的听觉反应是基于声音的相对变化而非绝对的 变化； • Nhomakorabea算方便；
• 直观。
5、表示方法
大学物理实验-空气、液体介质的声速测量
（1315实验室） 空气、液体介质的声速测量声波是一种在弹性媒质中传播的机械波，频率低于Hz 20的声波称为次声波；频率在kHz 20~Hz 20的声波可以被人听到，称为可闻声波；频率在kHz 20以上的声波称为超声波。
超声波在媒质中的传播速度与媒质的特性及状态因素有关。
因而通过媒质中声速的测定，可以了解媒质的特性或状态变化。
例如，测量氯气（气体）、蔗糖（溶液）的浓度、氯丁橡胶乳液的比重以及输油管中不同油品的分界面，等等，这些问题都可以通过测定这些物质中的声速来解决。
可见，声速测定在工业生产上具有一定的实用意义。
同时，通过液体中声速的测量，了解水下声纳技术应用的基本概念。
【实验目的】1．了解压电换能器的功能，加深对驻波及振动合成等理论知识的理解。
2．学习用共振干涉法、相位比较法和时差法测定超声波的传播速度。
【实验原理】在波动过程中波速V 、波长λ和频率f 之间存在着下列关系：λ∙=f V ，实验中可通过测定声波的波长λ和频率f 来求得声速V 。
常用的方法有共振干涉法与相位比较法。
声波传播的距离L 与传播的时间t 存在下列关系：t V L ∙= ，只要测出L 和t 就可测出声波传播的速度V ，这就是时差法测量声速的原理。
1．共振干涉法（驻波法）测量声速的原理:当二束幅度相同，方向相反的声波相交时，产生干涉现象，出现驻波。
对于波束1：)/X 2t cos(A F 1λ∙π-ω∙=、波束2：()λ∙π+ω∙=/X 2t cos A F 2，当它们相交会时，叠加后的波形成波束3：()t cos /X 2cos A 2F 3ω∙λ∙π∙=，这里ω为声波的角频率，t 为经过的时间，X 为经过的距离。
由此可见，叠加后的声波幅度，随距离按()λ∙π/X 2cos 变化。
如图1所示。
压电陶瓷换能器1S 作为声波发射器，它由信号源供给频率为数千周的交流电信号，由逆压电效应发出一平面超声波；而换能器2S 则作为声波的接收器，正压电效应将接收到的声压转换成电信号，该信号输入示波器，我们在示波器上可看到一组由声压信号产生的正弦波形。
第一章水声测量资料
2、表达式
Lx log r (x x0 )
3、单位
声学量级的单位视对数底而定。 (1)若取以10为底的常用对数，则其单位为“贝”（B）,
但实际使用中常取其1/10作为级的单位，即分贝 （dB）。
X Lx lg( x x0 )(B) 10lg(x / x0)dB
(2)若取以e为底的自然对数，则其单位为奈培（Np）
第1章 声学测量的基本问题 第2章 测量换能器 第3章 声学测量基本方法（水声测量）
第一章 声学测量的基本问题
（一）绪论 （二）基本预备知识 （三）声学量的级及其基准值 （四）实验
（一）绪论
1.声学测量技术的发展状况 2.声学测量的内容 3.声学测量的特点 4.参考文献 5.声学测量系统
2声学测量的内容
倍频程是频程的单位
（3）ISO规定
a、1/1倍频程：n=1 b、1/3倍频程：n=1/3 c、十倍频程：
fH fL = 2
1
fH fL 23
fH fL =10
d、三者之间的关系：
十 倍 频 程（1个） 1/1 倍 频 程（3个）
1/3倍频程(3个)
1Hz
2Hz
4Hz
8Hz 10Hz
21/3Hz
为了保护听力，声音不能超过90dB；为了保证工作和学习， 声音不能超过70dB ;为了保证休息和睡眠，声音不能超过 20dB。 • 计算方便。
把某些乘除运算变成了加减运算 。 • 直观。
不管是振幅类还是平方类量，变成分贝后它们的量级是一致 的，可以直接进行比较、计算。
5、表示方法
例如： 在空气中某一点声压级值为80dB，则记作
纵波、横波、行波、驻波、平面波、 柱面波、球面波；
水声换能器测量规程
水声换能器测量规程全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：水声换能器测量规程是海洋科学研究中非常重要的一部分，它能够帮助研究人员准确测量海洋中的声波信号，从而帮助我们更好地了解海洋环境及其中的生物和物理过程。
水声换能器测量规程一般包括测量前的准备工作、测量过程的操作要点以及数据处理和分析等内容。
下面我们就来详细介绍水声换能器测量规程的相关内容。
一、测量前的准备工作1. 确定测量目的：在进行水声换能器测量前，首先要明确测量的目的和范围。
确定测量目的有助于我们选择合适的测量参数和工作模式，确保测量结果的准确性和可靠性。
2. 确定测量设备：选择合适的水声换能器是非常重要的一步。
根据测量的具体要求和场地环境，选择合适的水声换能器类型和规格，确保测量设备能够满足实际测量需求。
3. 测量设备的校准：在进行水声换能器测量前，需要对测量设备进行校准。
通过校准可以确保测量设备的精度和准确性，提高测量结果的可靠性。
4. 确定测量位置：根据测量目的和要求，选择合适的测量位置。
在选择测量位置时，需要考虑水声传播特性、背景噪声水平以及其他环境因素，确保测量结果的准确性。
5. 测量环境的评估：在进行水声换能器测量前，需要对测量环境进行评估。
评估测量环境可以帮助我们了解环境的特点和影响因素，为测量过程中的数据处理和分析提供参考依据。
二、测量过程的操作要点1. 测量参数的设定：在进行水声换能器测量时，需要设定合适的测量参数。
测量参数包括频率范围、采样率、增益等，根据测量的具体要求和目的，选择合适的测量参数设置。
2. 测量设备的安装：在进行水声换能器测量前，需要将测量设备正确安装在测量位置上。
安装时需要确保水声换能器与水面或海床的接触良好，避免测量误差。
3. 测量数据的采集：在进行水声换能器测量时，需要正确采集测量数据。
采集数据时需要注意数据传输的稳定性和完整性，避免数据丢失或错误。
4. 测量过程的监控：在进行水声换能器测量时，需要及时监控测量过程中的运行状态。
水声学原理：第3章 水下目标的回波特性
Pi (t) exp[ ik(D ct)]dt
引入变量 x ka ，回声脉冲为：
Pe (T )
P0 c (2 )1/ 2
ar0
g(x) f (x, x0 , x1, x2 ) exp( ixT )dx
x0 kr0 xR x1 k1a
x2 k2a T ct / a
哈尔滨工程大学
水声学原理
第3章 水下目标的回波特性
3 水下目标的回波特性
• 主要内容
– 目标回波特性概述 – 目标反射问题 – 目标回波的亮点模型 – 标准潜艇的回波特性
哈尔滨工程大学
水声学原理
2
硕士学位课程
3.1 目标回波特性概述
• 无源或安静目标，回波探测方式是唯一有效的 • 入射声波激励下产生的一种物理过程 • 19世纪，Rayleigh在《The theory of sound》中讨
(2 n0 ) fn
n0
i(原点主值 )
dv e iv csin v
f (v)
收敛很快的散射场表示：
Ps Pg Pc
Pg 、Pc ：几何反射波、蠕波
Pc
(8
/
k1r)1/ 2 ei(k1r
/ 4)
J 1
1
sin vJ
B(vJ D(vJ
) )
c c
os os
(v (v
J J
) )(
：入射波与散射波的夹角
哈尔滨工程大学
水声学原理
6
硕士学位课程
3.2 目标反射问题
• 刚性小球的瑞利散射
– 固定不动的硬球 e 1 g 1
T I s a 2 (ka)4 1 1 cos 2
I i r1
3 2
如何利用水声测深仪进行水深测量
如何利用水声测深仪进行水深测量水声测深仪是一种用来测量水体深度的仪器。
它利用声波在水中传播的原理，通过测量声波的传播时间来确定水深。
水声测深仪的使用广泛，包括海洋科研、水下勘测、航海导航等领域。
本文将从水声测深仪的原理、测量方法、应用领域等方面进行讨论。
在水声测深仪的测量中，最重要的是理解其工作原理。
水声测深仪通过发射声波信号到水中，当声波遇到水底的时候，会被水底反射回来，通过测量声波的往返时间，就可以计算出水深。
同时，水声测深仪还可以通过测量声波的传播速度来间接计算出水的温度、盐度等参数。
因此，水声测深仪不仅可以测量水深，还可以提供其他与水质相关的信息。
水声测深仪的测量方法多种多样。
常见的方法包括单点测量和连续测量。
单点测量是指在某一个位置进行一次测量，这种方法适用于需要获取特定位置水深信息的场景。
而连续测量是指在船只或船舶上安装水声测深仪，连续地对水深进行测量，可以得到一条水深曲线，这种方法适用于需要获取大范围水深信息的场景。
此外，水声测深仪还可以根据需要进行深度调校，提高测量的准确性。
水声测深仪的应用领域非常广泛。
首先是海洋科研领域，水声测深仪可以提供海洋底质、水深分布等信息，对研究海洋生态系统、海洋地质等具有重要意义。
其次是水下勘测领域，水声测深仪可以帮助勘测人员进行水下地形的勘测和测绘，为工程建设、海洋资源开发等提供基础数据。
此外，水声测深仪在航海导航中也扮演着重要角色，可以提供船只航行所需的水深信息，保障航行安全。
虽然水声测深仪在水深测量中具有很多优点，但也存在一些限制和注意事项。
首先，水声测深仪的测量范围受限，一般在几百米至几千米之间。
其次，水声测深仪对水质的要求较高，如水质浑浊、气泡、悬浮物等因素都会影响测量精度。
此外，水声测深仪在浅水或者复杂地形的情况下，可能会出现多次反射导致的测量误差。
因此，在使用水声测深仪进行测量时，需要对环境条件和水声测深仪的使用要求进行合理评估和配置。
第三章 水声测量
水声测量
一、测量条件 二、脉冲声技术
三、实验
一、测量条件
1.基本概念
2.自由场的建立
3.测量距离的确定
1.基本概念
（1）自由场 （2）远场
（3）近场
（1）自由场 均匀各向同性的媒质中，边界影响可以不计时的声场.
（2）远场 自由声场中，离声源远处瞬时声压与瞬时质点振速同 相的声场。
（3）近场
Hp
t d 1500
（4）比较法数据记录与处理方法
①水听器自由场电压灵敏度比较校准
L M 20 log
X
e0 x e0 p
20 log
dx dp
L M ( dB )
0
L M 20 log
X
e0 x e0 p
L M ( dB )
0
f
e0 p
e0 x
dx
dp
LM
0
LM
X
LM
将频率为待测水听器相应工作频率f的电信号加到辅助发射 器上,且保持其发射声场恒定不变。转动待测水听器,记下各个 方向上水听器的输出电压。如果用自动记录仪,转动时不能太快。 手动时,要注意角度误差和极值位臵(如果回转系统有回差,要朝 一个方向转)。
（2）实验室指向性测量系统
GFG3015 YE5871
对于均匀圆形活塞换能器
r a
r
代表一定误差下对幅度的要求； （二项式展开舍去高次项）
a
2
代表一定误差下对相位的要求； （正弦函数用小角度代替）
近似于圆形或方形活塞
r 面积/波长 r 最大线度尺寸
对于其他情况
r 最大线度尺寸L r
L2/λ
海洋地球物理探测3—海洋水声探测
三、大洋盆地
大洋盆地是海洋的主体
---深海盆地：是大洋盆地的主要部分，是深度4000-5000m的 开阔水域，它约占海洋总面积的45%。 ---深海平原：是深海盆地中最平坦的部分。它的坡度小于 1/1000，平均深度4877m。 ---海底山：深海平原中地形比较突出、范围又不太大的孤立高地。
总面积约1900万平方公里， 占海洋总面积的5%以上。
Ⅱ：活动型大陆边缘
最大特征是具有强烈而频繁的地震和火山活动；集中分布在 太平洋东西两侧，又称太平洋型大陆边缘；
活动型大陆边缘与现代板块的汇聚型边界相一致，是全球最 强烈的构造活动带。
特征：都以深邃的海沟与大洋底分界。
海沟：由板块的俯冲作用形成，位于深水（大于6000m）的狭长 洼地；可作为俯冲带的标志；
加利福尼亚湾
红海
印
阿拉伯海 安达曼海
度
蒂文海 阿拉弗拉海
洋
波斯湾 大澳大利亚湾
孟加拉湾
波罗的海
北海
大
地中海
西
黑海 加勒比海
洋
墨西哥海 比斯开湾
几内亚海
格陵兰海
北
楚科奇海
东西伯利亚海
冰
拉普贴夫海
喀拉海
洋
巴伦支海
挪威海
面积
(104km2)
230.4 159.0 77.0 101.0 360.0 40.0 48.0 34.8 43.5 69.5 479.1 230.0 132.7
大陆
海洋
海平面
大陆架 大陆坡 大陆隆 大陆边缘
(完整版)水声重点(更新版).doc
（以下内容来自老师给的ppt ）第 1 章 -声纳及声纳方程1、声源级SL描述主动声纳所发射声信号的强弱：SL 10lg II 是发射器声轴方向上离声源中心1m 处的声强I0 r 12、发射指向性指数DITDI T I D10 lg IND理解 : I P a 4 W m2r 1SL 10lg P a 170.77 SL 10lg P a 170.77 DI T 3、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：TL10 lgII 1 r4、目标强度TS定量描述目标反射本领的大小：TS10 lg IrIi r 15、海洋环境噪声级NL是度量环境噪声强弱的量：注意： I N是测量带宽内或1Hz 频带内的噪声强度。
6、等效平面波混响级RL定量描述混响干扰的强弱。
IRL10 lgI 07、接收指向性指数DI R接收系统抑制背景噪声的能力。
无指向性水听器产生的噪声功率DI R 10 lg 指向性水听器产生的噪声功率8、检测阈DT设备刚好能正常工作所需的处理器输入端的信噪比值(SNR)。
信号功率DT10 lg9、主动声纳方程（噪声背景）：（SL-2TL+TS）-（NL-DI）＝ DT主动声纳方程（混响背景）：（SL-2TL+TS）-RL＝DT被动声纳方程（SL-TL） -（NL-DI）＝ DT10、回声信号级： SL-2TL+TS加到主动声纳接收换能器上的回声信号的声级噪声掩蔽级： NL-DI+DT工作在噪声干扰中的声纳设备正常工作所需的最低信号级混响掩蔽级： RL+DT工作在混响干扰中的声纳设备正常工作所需的最低信号级回声余量： SL-2TL+TS（-NL-DI+DT）主动声纳回声级超过噪声掩蔽级的数量优质因数： SL（-NL-DI+DT）对于被动声纳，该量规定最大允许单程传播损失；对于主动声纳，当 TS=0 时，该量规定了最大允许双程传播损失品质因数：SL-（ NL-DI）声纳接收换能器测得的声源级与噪声级之差思考题：1．什么是声纳？声纳可以完成哪些任务？;答: 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？答:1. 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； 2. DIT 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。
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对于其他情况
r r
最大线度尺寸L L2/λ
声场误差小于0.5dB
（2）等效声中心的确定
①问题的提出
Δd
0 0`
d0 d
pd Δd
0 0`
d0 d
pd
Δd
0 0`
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
d0 d
pd
②确定方法
pd——远场中某处声压；
d——以参考点为起点的测量距离；
Δd——参考点与实际声中心的偏差。
A/Pd
A/P2
A/P1
2 2
c
接近远场区（分析近场公式）
r》a 时，
k p 2 cu0 sin r 2 a 2 r 2
a2 a4 r 2 a2 r 3 2r 8r
若
时，即
则
k a2 a 2 p 2 cu0 sin 2 cu0 sin 4r 2 r
第三章
水声测量
一、测量条件 二、脉冲声技术
三、实验
一、测量条件
1.基本概念
2.自由场的建立
3.测量距离的确定
1.基本概念
（1）自由场 （2）远场
（3）近场
（1）自由场 均匀各向同性的媒质中，边界影响可以不计时的声场.
（2）远场 自由声场中，离声源远处瞬时声压与瞬时质点振速同 相的声场。
（3）近场
（1）电串漏信号：
电或电磁的信号，经非声学途径传播，是发 射与接收系统直接 电耦合所至，可能是接地 线不妥当或水听器屏蔽不好。
（2）直达信号：
经声传播时间延迟后到达，由于电子设备和 换能器滤波特性，致使直达脉冲信号形状产生畸 变。
（3）反射信号：
由于各种反射途径均比直达声程远，因此各 种反射波均在直达声后面出现。
（2）实验室自由场条件： · 消声水池 · 非消声水池采用脉冲声技术
3.测量距离的确定
（1）远场判据
（2）等效声中心的确定
(1)远场判据
① 理论推导
以活塞发射器和点接收器组成的系统为例，推导远场距离判据。
p dp
s
kc j u 0 e j t kr ds 2r
p
2
, p 0 2 cu0
圆面活塞中心点处声压 根据a与λ之间关系 可以确定可大可小。
r
b
在活塞法线上声压幅值极大极小点处
k 2
k 2
p
r
2
2
a 2 r n
n=0,1,2·· ·
p=0
1 r a r n 2
2
n=0,1,2·· ·
p=max
r
在法线上将会出现声压极大、极小值的交替分布现象
离发射面最远处声压极大值点对应于n=0
即
r0
a
2
4
这表明，最后一个最大值的位臵恰好是边缘声线和 轴向声线程差为 的点，超过此点，活塞面上任何两 个元波到达法线上点的程差都小于 ，声压幅值变为 单调的减小，于是声场逐渐进入弗朗霍夫尔区。在此点 附近，声压幅值变化很缓慢，类似于平面波。
Q f0
Q——发射换能器的品质因数； fo——发射换能器的谐振频率。
（Ⅳ）为与连续信号测量相比拟，使换能器各部分之间完 成相互作用
2l c
l——沿声波传播方向上水听器的尺寸；
（Ⅴ）为保证声信号不发生畸变，测试设备等带宽应为
f
2
（2）脉冲周期的选择
2 T T60 3
T60——水池混响时间。
（ii）近场特性
k p 2 cu0 sin 2
r a r
2 2
a
活塞面中心点处,r=0时
ka a p 0 2 cu0 sin 2 cu0 sin 2
a 2n
2
, p0 0
a ( 2n 1)
工作原理
∆t
∆t
∆t
∆t
∆t
2、实现方法
（1）脉冲宽度（τ）的选择
（I）避免边界影响
1 c
d2 H2 d
1 c
d 2 B2 d
1 L d c
（Ⅱ）换能器尺寸大于声波长时，避免换能器之间的反射 影响
2d c
（Ⅲ）为与连续信号测量相比拟，使换能器达到稳态条件
k a2 a 2 p 2 cu0 sin 2 cu0 sin 4r 2 r
当
很小时， sin
所以
若
ka 2 sin 4r
ka 2 4r
ka p cu0 2r
2
u 0 a 2 2 J 1 (k asin ) j (t kr ) p ( r , t ) j e 2r k asin
O` o
Δd
d1
d2
d
二、脉冲声技术
1、原理 2、实现方法
1、原理
利用正弦填充矩形脉冲信号或不同于连续单频 信号的短促脉冲信号激励发射换能器，并控制接收 系统使其只在脉冲声信号从发射器直达水听器的那 一段时间内接收和测量（直达信号），而在此段时 间之前到达的脉冲电信号（电串漏信号）或此段时 间之后到达的脉冲声信号（反射信号）将被接收系 统拒绝接收，这样即可将被测有用信号与不希望的 噪声信号在时域上分离开来，从而形成时间域上的 自由场。
1 声压幅值按照 r
球面波规律衰减。
②结论
活塞发射器和点接收器组成的系统的远场 距离判据为：
③经验公式
对于均匀圆形活塞换能器
ra
a r
2
代表一定误差下对幅度的要求； （二项式展开舍去高次项）
代表一定误差下对相位的要求； （正弦函数用小角度代替）
近似于圆形或方形活塞
r r
面积/波长 最大线度尺寸
式中：
r
u0
——活塞发射器表面振动幅度
r
——活塞上面元到观察点的距离
c ——水中声速
——水的密度
ds ——面元面积
（i）远场特性
u 0 a 2 2 J 1 (k asin ) j (t kr ) p ( r , t ) j k asin e 2r
式中：a—活塞发射器半径；
自由声场中，声源附近瞬时声压与瞬时质点振速不同
相的声场。
2.自由场的建立 （1）天然水域
（2）实验室
（1）天然水域自由场条件
· 水域应有足够的空间，以便从边界反射回来的干扰能用 脉冲声技术、消声边界或长距离传输等方法消除； · 应有很低的噪声环境，以保证测量所需的信噪比； · 在水介质中要避免有可能引起折射和散射的任何因素， 诸如流、温度梯度、海洋生物、气泡和污物等； · 要有良好的气候条件，以保证测量的顺利进行和便利； · 在高频和超声频范围测量时，水深通常小于20m；对 1kHz以下的频率，水深应大于20m。