水声学原理PPT 第一章1
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水声学原理：第1章 与声学相关的海洋特性
1.1 声学介质—海洋
• 声速剖面
– 表面声信道 • 表面声道可以看作声道轴上移到水面，通常出现在 热带和温和区域（tropical and moderate zones）。
水声学原理
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1.1 声学介质—海洋
• 声速剖面
– 表面声信道 • 在南极和北极地区、热带海区的地中海、秋季和冬 季的浅海，声速持续增大并非常靠近海底。 • 北冰洋典型声速剖面如下图所示。表面层较薄、声 速最低，声速梯度大，为
水声学原理
15
1.1 声学介质—海洋
• 声速剖面
– 深海声信道 • 黑海与波罗的海，有时声道轴之下声速的增加是由 于深层暖流所引起的温度随深度的升高。 • 如果声道轴以下介质的声速只受静压力控制，则该 声信道称为hydrostatical。 • 如果声道轴以下由于高盐度暖水团的出现导致声速 升高，则称该声信道为thermal。 • 典型的thermal水下声信道发生在波罗的海和黑海。
水声学原理
a (4 5) 10 5 m1
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1.1 声学介质—海洋
• 声速剖面
– 双轴声信道 • 表面声道和深海声道同时存在时出现这种声道。 • 声线1保持在表面声道中传播；声线2主要在深海声 道中传播；
水声学原理
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1.1 声学介质—海洋
• 声速剖面
– 双轴声信道 • 双轴声道可在葡萄牙半岛沿岸的北大西洋中观测到。 上面的声轴深度在450-500m，底下的声轴深度在 2000m。此声速分布的形成是由于地中海高盐暖水 团入侵至大西洋1200m深水层的缘故。
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(1 ix)
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水声学原理
x ki / kr
《水声学绪论》PPT课件
息传输的有效载体
1.4 声波在水下传播最有效
ATOC-海洋气候声层析
ATOC实验-低频声源
ATOC实验-声波传播路径
2、水声学开展简史
2.1 水声学开展历史
• 水声学起源 1490年，达.芬奇摘记中提出用长管听远
处航船
• 水声学第一次定量测量 1827年，瑞士物理学家
D.Colladon 和法国数学家 C.Sturm合作，在日内瓦湖测
2.1 水声学开展历史
• 1925年， 研制出用于船舶导航水声设备——回声测深仪。 • 第二次世界大战促进了水声技术的飞速开展。
2.1 水声学开展历史
• 二战以后的水声技术与水声学
• 传感器技术 • 拖曳线列阵技术 • 水声信号处理技术 • 水声物理学研究 • 减振降噪与隐身技术
2.1 水声学开展历史
水声物理研究
水声物理研究
水声系统
• 水声换能器 • 水声基阵
水声换能材料 水声换能器设计原理与方法 水声换能器工艺 声基阵成阵技术 水声换能器校准计量
英国国家物理实验室
耦合腔校准系统
中频校准水池定位系统
高压消声水池
湖上试验场及其安装设备和测量系统
4、水声学的主要应用
军事领域
2.1 水声学开展历史
Powerful high frequency ultrasonic echo-sounding device was developed by emminent French physicist Paul Langévin and Russian scientist Constantin Chilowsky. They called their device the 'hydrophone'. The transducer of the hydrophone consisted of a mosaic of thin quartz crystals glued between two steel plates with a resonant frequency of 150 KHz. Between 1915 and 1918 the hydrophone was further improved in classified research activities and was deployed extensively in the surveillance
1.4 声波在水下传播最有效
ATOC-海洋气候声层析
ATOC实验-低频声源
ATOC实验-声波传播路径
2、水声学开展简史
2.1 水声学开展历史
• 水声学起源 1490年，达.芬奇摘记中提出用长管听远
处航船
• 水声学第一次定量测量 1827年，瑞士物理学家
D.Colladon 和法国数学家 C.Sturm合作，在日内瓦湖测
2.1 水声学开展历史
• 1925年， 研制出用于船舶导航水声设备——回声测深仪。 • 第二次世界大战促进了水声技术的飞速开展。
2.1 水声学开展历史
• 二战以后的水声技术与水声学
• 传感器技术 • 拖曳线列阵技术 • 水声信号处理技术 • 水声物理学研究 • 减振降噪与隐身技术
2.1 水声学开展历史
水声物理研究
水声物理研究
水声系统
• 水声换能器 • 水声基阵
水声换能材料 水声换能器设计原理与方法 水声换能器工艺 声基阵成阵技术 水声换能器校准计量
英国国家物理实验室
耦合腔校准系统
中频校准水池定位系统
高压消声水池
湖上试验场及其安装设备和测量系统
4、水声学的主要应用
军事领域
2.1 水声学开展历史
Powerful high frequency ultrasonic echo-sounding device was developed by emminent French physicist Paul Langévin and Russian scientist Constantin Chilowsky. They called their device the 'hydrophone'. The transducer of the hydrophone consisted of a mosaic of thin quartz crystals glued between two steel plates with a resonant frequency of 150 KHz. Between 1915 and 1918 the hydrophone was further improved in classified research activities and was deployed extensively in the surveillance
水声学原理
6
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。
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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。
(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。
水声学原理PPT--绪论1
2017/10/23
俄罗斯D级弹道导弹核潜艇
水声学基础——序论 16
1. 水声学研究的意义 英国
英国最新战略核潜艇-警戒
英国是世界上 第三个拥有核 武器的国家， 英国的核力量 全部为海基， 目前拥有战略 导弹核潜艇4艘， 每艘可携带16 枚“三叉戟” 弹道核导弹， 每枚可携载14 枚分弹头，射 程达12000公 里
哈尔滨船舶工程学院出版社，1990
2017/10/23 水声学基础——序论 5
课程特点
该课程与以往所学课程在课程内容与教学方 法上均有不同，主要表现在：
1. 注重数学建模； 2. 在数理方程与特殊函数的基础上进行讨论，理论上 有难度；
3. 注重试验，在试验的基础上进行总结，得出普遍性 的理论结果；
2017/10/23 水声学基础—Leabharlann 序论 2课程内容序论
第一章
第二章
声学基础
海洋的声学特性
第三章
第四章
海洋中的声传播
典型传播条件下的声场
第五章
第六章 第七章
2017/10/23
声波在目标上的反射和散射
海洋中的混响 水下噪声
水声学基础——序论 3
课程成绩
平时到课：10 平时作业：20
考试成绩：70
被潜艇击沉的潜艇80艘
在第二次世界大战中，德国“U-47”号潜艇于1939年 10月潜入英国位于苏格兰北部的海军基地，在港内击
沉了英国的排水量达33000多吨的大型战列舰“皇家
橡树”号，创造了军事史上的奇迹
2017/10/23 水声学基础——序论 13
1. 水声学研究的意义 美国
美国是世界上 潜艇技术领先、 数量最多的国 家，共拥有潜 艇70余艘，全 部为核动力潜 艇，其中，战 略导弹核潜艇 近20艘、攻击 型核潜艇50余 艘
俄罗斯D级弹道导弹核潜艇
水声学基础——序论 16
1. 水声学研究的意义 英国
英国最新战略核潜艇-警戒
英国是世界上 第三个拥有核 武器的国家， 英国的核力量 全部为海基， 目前拥有战略 导弹核潜艇4艘， 每艘可携带16 枚“三叉戟” 弹道核导弹， 每枚可携载14 枚分弹头，射 程达12000公 里
哈尔滨船舶工程学院出版社，1990
2017/10/23 水声学基础——序论 5
课程特点
该课程与以往所学课程在课程内容与教学方 法上均有不同，主要表现在：
1. 注重数学建模； 2. 在数理方程与特殊函数的基础上进行讨论，理论上 有难度；
3. 注重试验，在试验的基础上进行总结，得出普遍性 的理论结果；
2017/10/23 水声学基础—Leabharlann 序论 2课程内容序论
第一章
第二章
声学基础
海洋的声学特性
第三章
第四章
海洋中的声传播
典型传播条件下的声场
第五章
第六章 第七章
2017/10/23
声波在目标上的反射和散射
海洋中的混响 水下噪声
水声学基础——序论 3
课程成绩
平时到课：10 平时作业：20
考试成绩：70
被潜艇击沉的潜艇80艘
在第二次世界大战中，德国“U-47”号潜艇于1939年 10月潜入英国位于苏格兰北部的海军基地，在港内击
沉了英国的排水量达33000多吨的大型战列舰“皇家
橡树”号，创造了军事史上的奇迹
2017/10/23 水声学基础——序论 13
1. 水声学研究的意义 美国
美国是世界上 潜艇技术领先、 数量最多的国 家，共拥有潜 艇70余艘，全 部为核动力潜 艇，其中，战 略导弹核潜艇 近20艘、攻击 型核潜艇50余 艘
水声学原理第一章ppt课件
平面波对应的声强）。
5
为了提高主动声纳的作用距离，将发射器做 成具有一定的发射指向性，如下图所示。
解释原因：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。
6
发射指向性指数DIT：
DI T
10 lg
ID I ND
式中：
ID为指向性发射器在声轴上测得的声强度； IND为无指向性发射器辐射的声强度。 含义：
的回波强度。
11
4、海洋环境噪声级NL （Noise Level）
Question：海洋内部是安静的吗？
海洋环境噪声是由海洋中大量的各种各样的噪声源发出的 声波构成的，它是声纳设备的一种背景干扰。
环境噪声级NL是度量环境噪声强弱的量
定义：
NL 10lg I N
I0
式中I0为参考声强度,IN是测量带宽内（或1Hz频带内）的
QUESTION：何为水听器灵敏度?
14
水听器灵敏度Sh
定义：
水听器处的声压为p，装置的开路终端电 压是V，则水听器的灵敏度为：
Sh 20 lg( v / p) dB/V
例子：已知水听器的灵敏度为-200dB/V，假设入 射平面波的声压级为80dB，问其输出端的开路电 压为几伏？
15
无指向性水听器产生的均方电压： 设水听器的灵敏度为单位值，噪声场为 各向同性的，单位立体角内的噪声功率 为Ii，无指向性水听器产生的均方电压 为：
目标反射本领有差异：在同样入射声波的照射下，不同 目标的回波是不一样的。它除了与入射声波特性（频率、 波阵面形状）有关，还与目标的特性（几何形状、材料 等）有关。 目标强度TS定量描述目标反射本领的大小
定义：
5
为了提高主动声纳的作用距离，将发射器做 成具有一定的发射指向性，如下图所示。
解释原因：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。
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发射指向性指数DIT：
DI T
10 lg
ID I ND
式中：
ID为指向性发射器在声轴上测得的声强度； IND为无指向性发射器辐射的声强度。 含义：
的回波强度。
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4、海洋环境噪声级NL （Noise Level）
Question：海洋内部是安静的吗？
海洋环境噪声是由海洋中大量的各种各样的噪声源发出的 声波构成的，它是声纳设备的一种背景干扰。
环境噪声级NL是度量环境噪声强弱的量
定义：
NL 10lg I N
I0
式中I0为参考声强度,IN是测量带宽内（或1Hz频带内）的
QUESTION：何为水听器灵敏度?
14
水听器灵敏度Sh
定义：
水听器处的声压为p，装置的开路终端电 压是V，则水听器的灵敏度为：
Sh 20 lg( v / p) dB/V
例子：已知水听器的灵敏度为-200dB/V，假设入 射平面波的声压级为80dB，问其输出端的开路电 压为几伏？
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无指向性水听器产生的均方电压： 设水听器的灵敏度为单位值，噪声场为 各向同性的，单位立体角内的噪声功率 为Ii，无指向性水听器产生的均方电压 为：
目标反射本领有差异：在同样入射声波的照射下，不同 目标的回波是不一样的。它除了与入射声波特性（频率、 波阵面形状）有关，还与目标的特性（几何形状、材料 等）有关。 目标强度TS定量描述目标反射本领的大小
定义：
(完整版)水声学原理(第一章)
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。
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
1.4、水声技术的发展历史
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
▪ 从窃窃私语到大型喷气式飞机起飞的声功率差十个数量级； ▪ 人耳的听阈在频率1kHz时是20μPa（微帕），痛阈是20Pa， 相差六个数量级； ▪ 在水中，一艘老式潜艇的辐射总声功率达到数瓦，而新型的 低噪声潜艇不到1微瓦，相差六、七个数量级。 ❖人耳（仪器）的响应近似与声压或声强的对数成比例。
5
1.5 声呐简介
声呐（声纳）-SONAR(Sound Navigation and Ranging)
凡是利用水下声信息进行探测、识别、定位、导航和通讯的系统，都通称为声呐系 统。声呐的主要应用是军用声呐。按工作方式可以分为：主动声呐和被动声呐。 按安装平台分可以分为： ❖潜艇声呐：潜艇上的电子设备是声呐。一般核潜艇装有10～15部声呐。主要有： 艏部主、被动综合声呐；被动测距声呐；舷侧阵声呐；拖曳线列阵声呐。 ❖水面舰声呐：舰艏声呐；变深拖曳声呐；拖曳线列阵声呐。 ❖机载声呐和浮标：吊放声呐；声呐浮标。 ❖海洋水声监视系统：岸站（岸边海底固定式声呐）；预警系统 ❖水声对抗器材：鱼雷报警声呐；声诱饵；干扰器；气幕弹 ❖水中兵器自导：鱼雷声自导；水雷声引信； ❖其它：通讯仪、鱼探仪、多普勒测速仪、浅地层剖面仪等。
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-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，T olstor 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ppt 第一章
n 1 jk cQ j t k r jk s di in p r , , t 0 0 e e 4 r i 0
e
jkdi sin
当 0 （垂直 OX轴方向）时，各点源同相叠加，合成声压最大：
jk cnQ t k r 0 0 j p r ,0 ,t e 4 r
sin i 当 d 时， 声压振幅出现极大值1， 对应极大值的方向： i arcsin
d
d i i 0 , 1 ,
2019/2/16 第一章 声学基础 9
2、等间距均匀点源离散直线阵的声辐射
其中，i 0 对应的方向为主极大值方向（主瓣）； i 1 对应的方向为第一副极大值方向（栅瓣）， 依此类推。 注意：不出现副极大值的条件 d 当 大值（旁瓣），对应次极大值的方向：
22 k a ka F c 2 2S j c 2 2S u r a 1 k a 1 k a
k r c k r i k r 0 Z c i c e Rj X 0 0 2 2 2 1 k r 1 k r 1 k r
第一章 声学基础
第二讲 主要内容
1. 均匀脉动球源的声辐射(了解) 2. 等间距均匀点源离散直线阵的声辐射 (重点) 3. 均匀连续直线阵的声辐射(了解)
4. 无限大障板上平面辐射器的声辐射 (了解) 5. 声波的接收方向特性(重点)
2019/2/16 第一章 声学基础 1
1、均匀脉动球源的声辐射
1 ka
j( exp a ka )
令
Q4 au a 0
2
1、均匀脉动球源的声辐射
第一章水声学绪论
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✧水声学的迅速发展：始于第二次世界大战初期✧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。
✧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。
✧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。
✧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。
✧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ngeven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。
✧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。
✧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。
水声学原理(第一章)(课件)
6 0
0
0
应当指出的是，虽然结构噪声级与振动级的定义相同， 但实际测量和评价方法有区别的。因为结构噪声要反映 连续弹性体的振动特性，所以用一个点的振动级是无法 描述的。通常要用结构的整个辐射面上大量测点的统计 平均来描述。
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
1.6 声学量的度量、分贝和级
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 从窃窃私语到大型喷气式飞机起飞的声功率差十个数量级； 人耳的听阈在频率1kHz时是20μ Pa（微帕），痛阈是20Pa， 相差六个数量级； 在水中，一艘老式潜艇的辐射总声功率达到数瓦，而新型的 低噪声潜艇不到1微瓦，相差六、七个数量级。 人耳（仪器）的响应近似与声压或声强的对数成比例。
其它物理场：磁场、水压场、尾流场、温度场，也是可以检测，但可检测距离大
致与源本身尺度同一量级，不能在水中远距离传递信息。
2
1.2、声呐与雷达的异同
声呐与雷达的工作原理相似。但由于信息载体－声波与电磁波的差异决定了 声呐和雷达有重要差别。
a.电磁波速度30万公里/秒,声波在水中1.5公里/秒。决定： •工作频率差别大。雷达频率约GHz（ 1 0 •分辨率差。声图象模糊。
统。声呐的主要应用是军用声呐。按工作方式可以分为：主动声呐和被动声呐。 按安装平台分可以分为：
潜艇声呐：潜艇上的电子设备是声呐。一般核潜艇装有10～15部声呐。主要有： 艏部主、被动综合声呐；被动测距声呐；舷侧阵声呐；拖曳线列阵声呐。
水面舰声呐：舰艏声呐；变深拖曳声呐；拖曳线列阵声呐。
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应当指出的是，虽然结构噪声级与振动级的定义相同， 但实际测量和评价方法有区别的。因为结构噪声要反映 连续弹性体的振动特性，所以用一个点的振动级是无法 描述的。通常要用结构的整个辐射面上大量测点的统计 平均来描述。
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
1.6 声学量的度量、分贝和级
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 从窃窃私语到大型喷气式飞机起飞的声功率差十个数量级； 人耳的听阈在频率1kHz时是20μ Pa（微帕），痛阈是20Pa， 相差六个数量级； 在水中，一艘老式潜艇的辐射总声功率达到数瓦，而新型的 低噪声潜艇不到1微瓦，相差六、七个数量级。 人耳（仪器）的响应近似与声压或声强的对数成比例。
其它物理场：磁场、水压场、尾流场、温度场，也是可以检测，但可检测距离大
致与源本身尺度同一量级，不能在水中远距离传递信息。
2
1.2、声呐与雷达的异同
声呐与雷达的工作原理相似。但由于信息载体－声波与电磁波的差异决定了 声呐和雷达有重要差别。
a.电磁波速度30万公里/秒,声波在水中1.5公里/秒。决定： •工作频率差别大。雷达频率约GHz（ 1 0 •分辨率差。声图象模糊。
统。声呐的主要应用是军用声呐。按工作方式可以分为：主动声呐和被动声呐。 按安装平台分可以分为：
潜艇声呐：潜艇上的电子设备是声呐。一般核潜艇装有10～15部声呐。主要有： 艏部主、被动综合声呐；被动测距声呐；舷侧阵声呐；拖曳线列阵声呐。
水面舰声呐：舰艏声呐；变深拖曳声呐；拖曳线列阵声呐。
水声学基础第一章
14
2.2 水声学基本内涵
水声学是围绕水声技术、水声对抗技术和水声工程 的基本需求来开展科学研究的 – 水声技术
利用声波作为信息载体来实现水下探测、定位、导航 和通信的原理与方法
– 水声对抗技术
在军事上，对抗水下声探测、定位、导航和通信的技 术措施与手段
– 水声工程
水声技术和对抗技术的工程目标实现
i.e.
2017/3/28
c(T, p, S) = fl = 1500 m/s
21
Speed of Sound in Water
Medium Effects: Elasticity and Density
Variable Effects of: Salinity
Salinity
Pressure
– 因此…
SPL = 20 log ( P / 1 mPa )
2017/3/28 8
小测验
两个噪声源的声压级均为 60 dB. 两个噪声源共同辐射噪声的声压级是 多少? 60 + 60 = 120 ……… 对吗 …??
错!
60dB + 60dB = 63dB 具体如下…
2017/3/28 9
Combining Sound Pressure Levels (SPL) 两个相同的噪声源
水声学是本专业主要特色课程之一
教材：
刘伯胜、雷家煜，水声学原理，哈尔滨工程大学出 版社，2009.
主要参考资料：
R. J.尤立克著，洪申译，水声原理，哈尔滨船舶工程学院 出版社，1989. 汪德昭、尚尔昌，水声学（第二版），科学出版社，2013. P.C. Etter, Underwater acoustic modeling and
水声学基础PPT课件
第43页/共92页
2.2 海水中的声吸收
3、非均匀液体中的声衰 减一般海水含有各种杂质，如气泡、浮游生物、悬浮
粒子以及湍流形成温度不均匀区域等，它将增加海水
的声传播损失。 含有气泡群的海水具有非常高的声吸收：
第22页/共92页
2.1 海水中的声速
声速描述 在水声学中，经常将声速表示成为确定性的声速垂
直分布与随机不均匀声速起伏的线性组合：
c cz c
第23页/共92页
2.1 海水中的声速
声速垂直分布分类 深海声道声速分布：
特点：在某一深
度处有一声速最
Zm
小值。
c0 c
Zm
Z
Z
第24页/共92页
c0 c
k
实际吸收系数的测量值远大于经典吸收系数理论
值，两者差值称为超吸收。Why?
第37页/共92页
2.2 海水中的声吸收
2、纯水和海水的超吸收
纯水超吸收
1947年，Hall提出 水的结构弛豫理论，成 功解释了水介质的超吸 收原因。 •曲线A—Hall理论计算 •曲线B—经典声吸收
第38页/共92页
在主跃变层（负）和深 海等温层（正）之间， 有一声速极小值。
第15页/共92页
2.1 海水中的声速 请解释一下深海声速梯度分布？
第16页/共92页
2.1 海水中的声速
海洋中声速的基本结构 温度的季节变化、日变化和纬度变化： （1）季节变化：
百慕大海区温度随月份的变化情况，夏季既有表面 等温层，又有表面负梯度层；冬季有很深的表面混合 层。季节变用表面声道和深海声道，柱面波传播 ，相当于全反射海底和全反射海面组成的理想波导中
的传播条件。 TL 10lgr
2.2 海水中的声吸收
3、非均匀液体中的声衰 减一般海水含有各种杂质，如气泡、浮游生物、悬浮
粒子以及湍流形成温度不均匀区域等，它将增加海水
的声传播损失。 含有气泡群的海水具有非常高的声吸收：
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2.1 海水中的声速
声速描述 在水声学中，经常将声速表示成为确定性的声速垂
直分布与随机不均匀声速起伏的线性组合：
c cz c
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2.1 海水中的声速
声速垂直分布分类 深海声道声速分布：
特点：在某一深
度处有一声速最
Zm
小值。
c0 c
Zm
Z
Z
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实际吸收系数的测量值远大于经典吸收系数理论
值，两者差值称为超吸收。Why?
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2.2 海水中的声吸收
2、纯水和海水的超吸收
纯水超吸收
1947年，Hall提出 水的结构弛豫理论，成 功解释了水介质的超吸 收原因。 •曲线A—Hall理论计算 •曲线B—经典声吸收
第38页/共92页
在主跃变层（负）和深 海等温层（正）之间， 有一声速极小值。
第15页/共92页
2.1 海水中的声速 请解释一下深海声速梯度分布？
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2.1 海水中的声速
海洋中声速的基本结构 温度的季节变化、日变化和纬度变化： （1）季节变化：
百慕大海区温度随月份的变化情况，夏季既有表面 等温层，又有表面负梯度层；冬季有很深的表面混合 层。季节变用表面声道和深海声道，柱面波传播 ，相当于全反射海底和全反射海面组成的理想波导中
的传播条件。 TL 10lgr
水声学原理第一章 ppt课件
致与源本身尺度同一量级，不能在水中远距离传递信息。
2
水声学原理第一章
声呐与雷达的工作原理相似。但由于信息载体－声波与电磁波的差异决定了 声呐和雷达有重要差别。
a.电磁波速度30万公里/秒,声波在水中1.5公里/秒。决定：
•工作频率差别大。雷达频率约GHz（ 1 0 9 Hz） 声呐频率约kHz（ 1 0 3 Hz）
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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。
1012米。
应当指出的是，虽然结构噪声级与振动级的定义相同， 但实际测量和评价方法有区别的。因为结构噪声要反映 连续弹性体的振动特性，所以用一个点的振动级是无法 描述的。通常要用结构的整个辐射面上大量测点的统计 平均来描述。
12
水声学原理第一章
物理量的乘除运算变成加减运算。
例如在声学测量中，用灵敏度等于S 伏/μPa的水听器接收，经 过放大倍数等于K的放大器放大后得到电压V伏。水听器输入端的声压
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。
俄罗斯标准＝20μPa 由于空气声和水声参考值的不同，舱室内声级为L分贝的噪声若 无损耗地传到水下将变成L＋26分贝的水噪声。
2
水声学原理第一章
声呐与雷达的工作原理相似。但由于信息载体－声波与电磁波的差异决定了 声呐和雷达有重要差别。
a.电磁波速度30万公里/秒,声波在水中1.5公里/秒。决定：
•工作频率差别大。雷达频率约GHz（ 1 0 9 Hz） 声呐频率约kHz（ 1 0 3 Hz）
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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。
1012米。
应当指出的是，虽然结构噪声级与振动级的定义相同， 但实际测量和评价方法有区别的。因为结构噪声要反映 连续弹性体的振动特性，所以用一个点的振动级是无法 描述的。通常要用结构的整个辐射面上大量测点的统计 平均来描述。
12
水声学原理第一章
物理量的乘除运算变成加减运算。
例如在声学测量中，用灵敏度等于S 伏/μPa的水听器接收，经 过放大倍数等于K的放大器放大后得到电压V伏。水听器输入端的声压
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。
俄罗斯标准＝20μPa 由于空气声和水声参考值的不同，舱室内声级为L分贝的噪声若 无损耗地传到水下将变成L＋26分贝的水噪声。
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2、波动方程导出
运动方程： p ， u 由连立三个方程 连续性方程： u , 状态方程： p ，
② 思路：
p
2
1 p
2
c t
2
2
波动方程
2013-7-17
第一章 声学基础
24
2、波动方程导出
③ 运动方程:(连续介质中的牛顿第二运动定律)
在连续介质中，有声波作用时，各处压缩是不同的，因此各点压强不等，取介 质中任意一小体积元素看，各面受力不平衡，可以建立该体积元的运动方程式。
声波就是质点运动的传播。质点运动或流体运动制 约于物质守恒定律和牛顿定律，这是声波的基础。
2013-7-17 第一章 声学基础 6
1、声学基础知识
① 声波的基本原理
声波频段的划分：(根据人耳的听觉，划分为三个频段)
• 20Hz以下的振动称为次声
• 高于20kHz的振动称为超声 • 20Hz至20kHz的声振称为音频声
2013-7-17 第一章 声学基础 3
1、声学基础知识
① 声波的基本原理
声波的物理本质 ：声波是弹性介质(气体、液体和固 体)中传播的一种(或多种)机械扰动(振动)(变化)(如 压力、应力、质点位移、质点速度的扰动)。
2013-7-17
第一章 声学基础
4
1、声学基础知识
① 声波的基本原理
质点：在弹性介质中，分子以很大速度做随机运动， 在运动中产生随机碰撞，不可能跟踪每个分子的运动。 因此提到质点运动，不是谈个别分子的运动，而是指 若干分子的平均运动。声学中的质点就是这个“集 体”。质点尺寸比分子间距大得多（高几个数量级）， 但是比试验中遇到的物体又小得多（低几个数量级）。 质点理学的质点与数学中的点不同。质点是连续流体 中的一个点，静止，在受力时可以运动
③ 声波的主客观评价
•响度级：根据听力正常的听着判断为等响 的1000Hz纯音（来自正前方的平面波的） 声压级，单位方（phon）
2013-7-17
第一章 声学基础
19
1、声学基础知识
声学方法； 物理学三个重要分析方法： 光学方法； 粒子轰击方法。
④ 声学的研究方法
声学方法与光学方法比较：
u y
t 依据牛顿第二定律： F m u y p ma x y z Fy xy z t y u y p u y p 即 y x y z x y z t y t u y p 0 由小振幅条件： 0 得 y t
单位时间内 介质从左面流入体积元的质量： u y x z
质点的振动速度和波的传播速度是两个不同的
概念。
2013-7-17 第一章 声学基础 17
1、声学基础知识
③ 声波的主客观评价
•主观评价：人听声音时感觉它的大小强弱（响度）， 高低尖粗（音调）、以及它的质量（音色） •客观评价：声压、声强、频率等
2013-7-17
第一章 声学基础
18
1、声学基础知识
2013-7-17
第一章 声学基础
12
1、声学基础知识
② 声波的描述
质点振速（矢量）：由于声波扰动引起的介质质
点运动速度的变化量： u U U 0
质点位移：介质质点离开其平衡位置的距离量：
u d dt
密度和压缩量 密度改变量： 1 0 压缩量s为介质密度的相对变化量：
s 0 0 1 0
2013-7-17 第一章 声学基础 13
1、声学基础知识
② 声波的描述
声阻抗率：在声场中声波的传播受到介质的阻尼 作用，用声特性阻抗Zs描述介质对声传播的阻抗
Zs P U
P——介质中一点的有效声压；U——介质中该 点有效质点振速 单位：CGS制：dyn.s/cm3 MKSA制：N.s/m3
2013-7-17
第一章 声学基础
5
1、声学基础知识
① 声波的基本原理
声波的产生 ：声源在弹性介质中的振动引起介质中出 现声波
产生声波的条件是: · 有作机械振动的物体——声源； · 有能够传播机械震动的介质——弹性介质。
比如说俯在钢轨上能听到远方驶来的列车的声音，潜入 水中能听到远处行驶的机动船的声音等等
p ref 2 10 4 ubar (用于听觉及空气中声级和噪声测量）
p ref 1Pa
2013-7-17
（MKSA制）
第一章 声学基础 15
1、声学基础知识
② 声波的描述 常识：
人耳对频率为 1kHz 声音的可听闻为 0dB ；
微风轻轻吹动树叶的声音约 14dB ； 在房间中高声谈话声 ( 相距 1m 处 ) 约 68dB ～ 74dB ； 交响乐队演奏声 ( 相距 5m 处 ) 约 64dB ； 飞机强力发动机的声音 ( 相距 5m 处 ) 约 140 dB ；
一声音比另一声音声压大一倍时大 6dB，人耳对声音强弱
的分辨能力约为 0.5dB 。
2013-7-17 第一章 声学基础 16
1、声学基础知识
② 声波的描述 注意：
声场的建立是在声源的激励下，介质中的所有 质点都按照声源激励的运动形式“复制”的运动，声 或者说是能量的传播；
波的传播并非介质质点本身的传播，而只是振动形式，
2013-7-17 第一章 声学基础 11
1、声学基础知识
② 声波的描述
常识：
微风吹动树叶声：0.001 µbar； 房间内大声讲话：1 µbar ； 在100m处收到的船播航行噪声：10～100 µbar ； 交响乐演奏时（5～10m处）声压为3 µbar； 在空气中，人对1000Hz声音的听域约为2×10-4 µbar
第一章 声学基础
第一讲 主要内容
• 声学基础知识（了解） • 波动方程的导出（了解） • 声场中的能量关系（了解） •
平面声波 波动方程的解（重点）球面声波 柱面声波
• 平面波在两种不同均匀介质界面上的 反射和折射（重点） • 群速度和相速度
2013-7-17 第一章 声学基础 1
1、声学基础知识
2013-7-17
第一章 声学基础
14
1、声学基础知识
② 声波的描述
声功率：声源在一单位时间内辐射出的声能量。 单位：W 声强：垂直于波振面上的单位面积上的声功率。 单位：W/m2 声压级：以对数单位对声压计量单位 Peff SPL 20 lg ( dB ) Pref
常用的基准声压：p ref 1ubar （用于水中换能器校准和液体声压级测量）
横波与纵波：
• 流体介质中，声波表现为压缩波（Compressional Wave），即纵波 • 在固体中既有纵波也有横波（切变波-Shear Wave )
2013-7-17 第一章 声学基础 7
1、声学基础知识
① 声波的基本原理
声波的分类：
• 按频率可分为：次声、可听声和超声
• 按波阵面几何形状可分为：
介质连续 各向同性 介质是理想流体介质 无内摩擦 无热传导
p P 声压 p比静压 P 小很多 0 0 小振幅波 位移 比波长 小很多 | u | c0 质点振速 | u | 比声速 c0小很多
2013-7-17 第一章 声学基础 23
平面声波、柱面声波和球面声波
• 按质点振动情况可分为：纵波和横波
2013-7-17
第一章 声学基础
8
1、声学基础知识
② 声波的描述
声速：振动在介质中传播有时间滞后，即声波在 介质中传播有一定速度，称为声速。 声场：声波所及的区域。
r 时称为远场， r 时称为近场。
2013-7-17
z
F1 ( p P0 ) xz F2 ( p p P0 ) xz
Fy F1 F2 p x z
2013-7-17 第一章 声学基础
z
F1
x
y
F2
y
x
p y
x y z
25
2、波动方程导出
③ 运动方程:
体积元的质量：m=
xyz
2013-7-17 第一章 声学基础 21
④ 声学的研究方法
1、声学基础知识
⑤ 声学的研究范围
美国著名声学家 林赛（R.Brunce Lindsay）1964 年提出的声学范 围图，基本是20 世界上半叶声学 总结
2013-7-17
第一章 声学基础
22
2、波动方程导出
① 假设条件：
介质静止、均匀、连续
相似处： 声波和光波都是波 动，使用两种方法时， 都运用了波动过程所应 服从的一般规律，包括 量子概念(声的量子称为 声子)。
2013-7-17
不同处： (a)光波是横波，声波在气体中和液体中是纵 波，而在固体中有纵波，有横波，还有纵横 波、表面波等，情况更为复杂； (b)声波比光波的传播速度小得多； (c)一般物体和材料对光波吸收很大，但对声 波却很小，声波在不同媒质的界面上几乎是 完全反射。
声学是研究声音的产生、传播、接 收、作用和处理再现的一门学科。
常识:
•现代声学研究的范围：10-4～1014Hz •人所能听到的声音范围：低频的范围在 16~32Hz之间，人与人之间颇有出入，但高频 出入更大，而且随着年岁增加，高频极限不断 降低。现在标准一般定在20～20KHz之间
第一章 声学基础
第一章 声学基础
9
1、声学基础知识
② 声波的描述
声压：声压是由于声场的存在而使介质产生的压 强变化（它是压强）。
p ( x, y , z , t ) P ( x, y , z , t ) P0 ( x, y , z , t )(Pascal)