水声学第八章 水下噪声[精]
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
鱼雷和水雷
• 是目前水下作战的主要兵器
• 鱼雷多种多样
• • • • 制导方式 投放方式 爆炸方式 超高速
• 水雷多种多样
• • • • 引爆引信 布放方式 主动攻击水雷 水鱼雷
• 水下作战的主要手段
• 潜艇、鱼雷、水雷、蛙人等
• 水下战的主要内容
• 潜艇战与反潜战 • 鱼雷攻击与防护 • 水雷战与反水雷
?拥有常规潜艇数量最多的国家在我们亚洲朝鲜拥有60艘?二战期间潜艇共击沉作战舰艇381艘其中战列舰3艘航空母舰17艘巡洋舰32艘驱逐舰122艘还有其它作战舰艇207艘击沉各种运输船5000余艘?二战中各种舰艇共击沉航空母舰38艘仅潜艇就击沉17艘就击沉艘?被潜艇击沉的潜艇80艘?在第二次世界大战中德国u47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?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余艘美国美国最新核动力攻击潜艇海狼号俄罗斯?俄罗斯的弹道导弹核潜艇共发展了四代分别为台风级didiidiv级目前在役的有17艘台风级弹道导弹核潜艇是世界上排水量最大的核潜艇其水下排水量26500吨航水下航速26节可携带1620枚ssn23或ssn20型弹道核导弹每枚可携载10个分弹头射程可达900010000公里俄罗斯d级弹道导弹核潜艇英国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?英国是世界上第三英国最新战略核潜艇警戒号法国?法国海军的战略导弹核潜艇有三代第一代无畏级第二代不屈级第三代胜利级
水下噪声
远处航船的辐射噪声—水平指向性。
注意：
工程上通常将海洋环境噪声视为各向同性的，便于信号处理。
水声学 第7章 水下噪声 12
7.2 海洋环境噪声
海洋环境噪声也称自然噪声，是水声信道的一种干扰背景。 研究环境噪声的目的： 研究噪声场的时空统计特性与环境因素之间的依赖关系，找出 其规律，预报NL值，为声呐设备设计、研制提供必要的数据；
（3）平稳随机过程： p1，t p1，t 结论：平稳随机过程的概率密度函数与时间无关。
水声学 第7章 水下噪声 3
7.1 噪声的基本概念
1、噪声描述
短时间内水中噪声可视为平稳随机过程，且噪声声压服从高 斯分布，称为高斯噪声，其概率密度函数为：
p
其均值和方差：
环境噪声与环境条件密切相关，如风速等自然条件。
水声学ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第7章 水下噪声
14
7.2 海洋环境噪声
1、深海中的环境噪声源
从低频到高频次序讨论噪声源及其特性：
（1）潮汐和波浪的海水静压力效应 潮汐和海面波浪是引起海洋内部海水静压力变化的原因， 是低频噪声源。 （2）地震扰动 地震扰动是海洋中的极低频噪声源。 地震扰动在海水中产生的压力：
7.2 海洋环境噪声
3、自然噪声间歇源及其变化特性
（1）间歇源的噪声源 一种暂时存在的噪声源，如能发声的海洋生物、降雨等。 海洋生物噪声：
甲壳类、鱼类和海生哺乳类—特殊鸣声、嘈杂声等；
降雨噪声： 提高自然噪声级，与降雨率和降雨面积有关。
水声学
第7章 水下噪声
水声学
学科内容
水声换能器
研究领域
水声参量阵
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。 随着海洋的开发，水声学在海洋资源的调查开发、对海洋动力学过程和环境监测、增进人类对海洋环境的认识等 方面的应用还将不断地扩展。
现代水声学的研究课题涉及面很广，主要有：新型水声换能器；水中非线性声学；水声场的时空结构；水声 信号处理技术；海洋中的噪声和混响、散射和起伏，目标反射和舰船辐射噪声；海洋媒质的声学特性等。特别是 水声学正在与海洋、地质、水生物等学科互相渗透，而形成海洋声学等研究领域。
混响的能量规律的理论分析以声波在海洋中的传播理论和散射理论的结合为出发点，主要涉及混响强度同信 号参量和环境因素的以及衰减规律。一般以简化的理论模型来分析混响强度，它引入两个基本假设：①混响强度 是同时到达接收点的各散射元波强度之和；②在不存在多途效应时，单位散射空间的散射波强度可表为与传播和 散射有关的两个因子之积。这个理论模型不仅适用于近程混响，现有的浅海远程混响理论实际上也是以它为出发 点的。
水声学
声学分支学科
目录
01 历史发展
03 水声传播媒质
02 学科内容 04 理论研究
05 背景干扰
07 信号处理
目录
06 信号场 08 分支学科
水声学是指研究水下声波的产生、辐射、传播、接收和量度,并用以解决与水下目标探测及信息传输有关的各 种问题的一门声学分支学科。在海水中声波的衰减远比电磁波为小，故声波是海水中探测目标和传递信息的有效 工具,因而水声学的发展对提高现代海军的反潜作战能力起着重要作用。同时水声学在民用如导航、海底地质考察 和石油勘探、渔业方面均有广泛应用。
背景干扰
水声学——精选推荐
⽔声学⽔声学1. 试写出混响⼲扰背景的主动声呐⽅程，说明各符号的物理意义。
2. 试写出噪声⼲扰背景的主动声呐⽅程，说明各符号的物理意义。
3. 试写出被动声呐⽅程，说明各符号的物理意义。
4. 海⽔中，引起声传播损失的原因为何？5. 海⽔中，引起声吸收的原因为何？6. 舰船航⾏噪声有哪些主要噪声源，舰船航⾏噪声的频谱如何？7．海洋混响是如何形成的？按形成原因如何分类?8．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？9．射线声学的适⽤条件为何？试表述射线声学的两个基本⽅程。
10．简述实验测量⽔下物体⽬标强度（TS值）的“⽐较法”11．海洋中什么样的声速分布能形成表⾯声道。
为什么声波在表⾯声道中能远距离传播？12．⽐较主动声纳和被动声纳的优缺点。
13．海洋中什么样的声速分布能形成深海声道。
为什么声波在深海声道中能远距离传播？14．何谓点声源？15．如果波阵⾯为球⾯扩张，试写出海⽔中声传播损失的⼀般表⽰式。
16．如果波阵⾯为柱⾯扩张，试写出海⽔中声传播损失的⼀般表⽰式。
17．半径为a的刚性球体的⽬标强度为何？简述潜艇的⽬标强度随潜艇⽅位⾓的变化规律。
18．请问⽤⽔声学中的乌德公式能计算什么值？19．简述实验测量⽔下物体⽬标强度（TS值）的“应答器”法。
20．请介绍⼀种实验测量⽔中声速的⽅法。
21．近代声纳设备的⼯作频率向低频发展，试分析这会有什么好处以及会带来什么问题？22．试描述海洋混响的物理现象。
23．螺旋桨噪声产⽣的机理为何？定性给出潜艇的螺旋桨噪声与航速和潜深的关系。
24．机械噪声产⽣的机理为何？机械噪声的特点为何？25．何谓简正波的截⽌频率？某阶简正波出现于波场中的条件为何？26．定性解释‘下午效应’。
27．等声速梯度的海洋环境下，声线轨迹是何种⼏何形状？28．如果在表⾯声道中，发射⼀个脉冲声信号；问：在远处接收，此信号有何变化？为什么？29．试定性描述海⾯附近的⼀个点声源的声场特点。
《水声学》部分习题答案
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，
rR<rn，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
rR rn
距离r
6 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
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解：早晨时声呐作用距离远，因为此时可能存在表面声道，而下午一般不会形成 表面声道。即使不出现表面声道时，早晨的负梯度也小于下午的负梯度，所以早 晨的作用距离远于下午，这就是下午效应。 9 画出深海声道声速分布，应用射线理论说明声波在深海声道中远距离传播的
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第 4 章 典型传播条件下的声场
1 邻近海面的水下点源声场中的声压振幅随距离变化具有哪些规律？ 2 表面声道的混合层中的声线传播具有那些特点？ 3 什么是反转深度？什么是临界声线和跨度？ 4 什么是会聚区和声影区？二者之间声强大小如何？会聚增益是如何定义的？
声线曲率半径 R = c0 ，所以水平传播距离 g
x = R 2 − (R − d )2 = 2Rd − d 2
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6
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一般情况下，声速垂直梯度 g 为远小于 1 的量 所以曲率半径较水深大得多 x ≈ 2Rd = (2c0d / g)1/ 2
解：1）声速绝对梯度 g = dc = 1500 −1450 = −0.5s −1
(整理)《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。
声信号级噪声掩蔽级R6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。
CCC2 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。
（1）说明原因；（2）解释什么叫物理衰减？什么叫几何衰减？（3）写出海洋中声传播损失的常用TL 表达式，并指明哪项反映的主要是几何衰减，哪项反映的主要是物理衰减；（4）试给出三种不同海洋环境下的几何衰减的TL 表达式。
水下振动噪声及控制技术绪论PPT课件
• 随着近代工业的迅猛发展，噪声污染越 来越严重，已成为一种公害。控制噪声 污 染 、 保 护 环 境 已 成 为第人6页们/共的56页共 识 。
噪声的评价方法
声压、声强和声功率
声波引起空气质点的振动，使大气压力产生压强的波 动称为声压，亦即声场中单位面积上由声波引起的压力增 量为声压，其单位为N/m2，简称帕（帕斯卡），符号为Pa。 通常都用声压来衡量声音的强弱。
• 暂时听阈偏移，亦称听觉疲劳。 • 听觉疲劳时，听觉器官并未受到器质性损害。 • 如果人们长期在强烈的噪声环境中工作，日积月累，内膜器官不断受噪声
刺激，恢复不到暴露前的听阈，便可发生器质性病变，成为永久性听阈偏 移，这就是噪声性耳聋。
第32页/共56页
听力损失
国际标准化组织(ISO)于1964年规定，在500Hz、1000Hz、 2000Hz三个倍频程内听阈提高的平均值在25dB以上时，即 认为听力受到损伤，又叫轻度噪声性耳聋。按照听力损失 的大小，对耳聋性程度进行分级，见表2-1。
噪声分析的基本知识
音调是人耳对声音的主观感受。（宫 商 角 徵 羽） 试验证明，音调的高低主要由声源振动的频率决定。 由于振动的频率在传播过程中是不变的，所以声音的频 率指的就是声源振动的频率。 声音按频率高低可分为次声、可听声、超声。
第20页/共56页
噪声分析的基本知识
• 次声是指低于人们听觉范围的声波，即频率低于 20Hz；可听声是人耳可以听到的声音，频率为2020000Hz；
• 当声波的频率高到超过人耳听觉范围的极限时，人 们观察不出声波的存在，这种声波称为超声波。
• 噪声控制中研究的是可听声，在噪声控制这门学科 中，通常把500Hz以下的称为低频声，
主动声纳方程期末总结-水声学讲义
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第六章 声波在目标上的反射和散射
本章主要内容
目标强度参数定义 刚性大球目标强度计算理论推导 常见声纳目标的目标强度值和特性 目标强度测量方法 目标回波组成及其特征 壳体目标的回波信号特征
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作业点评
聚集因子F是如何定义的，它有什么物理意义？ 举出二个F>1的场合。
解：聚集因子 F Ix, z/ I0 ，其中I是非均匀介
质中的声强，I0是按球面波衰减的声强，若 F>1，表示该处衰减小于球面波规律，反之， 则表示该处衰减大于球面波规律。会聚区和焦 散线上F>1。
声信号级
回声信号级 混响掩蔽级 噪声掩蔽级
rR rn
距离r
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作业点评
第四章
声线弯曲满足的基本条件是什么？并定性说明它们 之间的规律。
海水中声速值从海面的1500m/s均匀减小到100m深处 的1450m/s。求（1）速度梯度；（2）使还表面的水平 声线达到100m深处时所需要的水平距离；（3）上述 声线到达100m深处时的角度。
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第六章 声波在目标上的反射和散射
本章主要内容
刚性球体散射声场计算及其特性 弹性球体散射声场计算 弹性球体散射声场特性 求解散射声场的理论方法
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第7章水下噪声
7.2 海洋环境噪声
1、深海中的环境噪声源
Wenz根据湍流理论和实验关系，推导的湍流压力谱。
7.2 海洋环境噪声
1、深海中的环境噪声源
（4）波浪非线性作用引起的低频噪声 海面波浪运动产生的压力随深度增加迅速变小； 两个反方向传播的行波波浪相遇，可能相互作用形成驻波， 产生的压力不随深度增加而变小，其频率是形成它的波浪频率 的两倍； 波浪非线性作用引起的噪声是低频噪声源。
p ppdp
2 p 2 p 2 pdp
常识：一般将水声干扰噪声视为高斯噪声。
7.1 噪声的基本概念
1、噪声描述
一般，表征噪声统计特性的统计量：概率密度函数、数学期 望、方差、相关函数、功率谱。
由随机过程理论可知，噪声自相关函数的傅立叶变换即为功 率谱密度函数：
第7章 水下噪声
概述
噪声定义： 指在特定条件下不需要的声音。
水下噪声： （1）海洋环境噪声和目标（舰船、潜艇、鱼雷等）的自噪声
声呐系统的主要干扰背景之一，限制装备性能。 （2）目标（舰船、潜艇、鱼雷等）辐射噪声
被动声呐系统的声源，通过接收该噪声实现目标检测。 水下噪声研究的意义（水声对抗与反对抗）： （1）提高被动声呐设备的检测和识别能力； （2）减振降噪处理，提高自身隐蔽性和安全性。
7.2 海洋环境噪声
5、深海环境噪声指向性
深海环境噪声具有指向性：低频噪声来自远处，高频噪声 源来自顶部的海面。
海面辐射噪声具有 cos2 的指向特性（噪声源和海面上虚源 干涉效应引起的）。
7.3 舰船和鱼雷辐射噪声
舰船、潜艇和鱼雷的辐射噪声，是被动声呐探测、分类识别 和跟踪目标的信号，是被动声呐方程中的声源级SL。 舰船辐射噪声的危害： （1）破坏了舰船和潜艇的隐蔽性； （2）可能引爆某些水中兵器； （3）干扰本舰的水声设备（自噪声）。 舰船辐射噪声是水中兵器研制的重要依据 舰船、鱼雷辐射噪声特点：
华北理工水声学讲义07水下噪声
第7章 水下噪声本讲主要内容1、噪声的基本概念（了解）2、海洋环境噪声（了解）3、海洋环境噪声的指向性（重点）4、舰船辐射噪声的声源级和噪声谱（了解）5、舰船辐射噪声源及其一般特性（重点）6、辐射噪声源概要（了解）7、舰船、潜艇、鱼雷的辐射噪声级（了解）8、辐射噪声的测量（重点）一、噪声的基本概念1、噪声的定义：是指在特定条件下不需要的声音。
2、水下噪声：它们是声呐系统的主要干扰背景之一，限制装备性能。
3、噪声描述噪声是一种随机过程描述噪声的统计量有：概率密度函数、概率分布函数。
一般水中噪声被视为平稳随机过程，若噪声的声压概率密度函数表示为：为高斯分布，相应的噪声称为高斯噪声。
其均值和方差：常识：一般将水声干扰噪声视为高斯噪声。
一般，表征噪声统计特性的统计量：概率密度函数、数学期望、方差、相关函数、功率谱。
由随机过程理论可知，噪声自相关函数的傅立叶变换即为功率谱密度函数：由随机过程理论可知，噪声自相关函数的傅立叶变换即为功率谱密度函数：功率谱是均匀的噪声，则称之为白噪声。
4、噪声的频谱分析噪声声压是一个随机量，与时间量之间不存在确定关系，因此分析噪声声压幅值的频谱没有意义；随机过程的功率谱函数是一个确定的统计量，反映了该过程的各频率分量的平均强度。
()()222p e 21p σμ--πσ=Φ()()()()⎰⎰∞∞-∞∞-Φμ-=μ-=σΦ==μdp p p p pdp p p 222()()()()()⎰⎰∞∞-ωτ--∞→ττ=ωτ-⋅=τd e R S dt t p t p T 21lim R j T T T根据信号频谱曲线形状划分：1）线谱：数学上能够用傅氏级数来表示，水声中周期、准周期信号的频谱就是线谱信号；2）连续谱：频谱分析用傅氏变换来表示，水声中瞬态非周期信号的频谱就是连续谱。
声强平均频谱密度： 声强频谱密度函数：带宽内的总声强：提示：连续谱某确定频率分量上的声强贡献无限小。
《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。
第7章 水下噪声
（1）间歇源的噪声源 一种暂时存在的噪声源，如能发声的海洋生物、降雨等。 海洋生物噪声：
甲壳类、鱼类和海生哺乳类—特殊鸣声、嘈杂声等；
降雨噪声： 提高自然噪声级，与降雨率和降雨面积有关。
7.2 海洋环境噪声
3、自然噪声间歇源及其变化特性
长岛海峡东端海深为36米海域测得的降雨自然噪声谱
7.2 海洋环境噪声
1、深海中的环境噪声源
（7）热噪声 海洋分子热噪声限制水听器高频灵敏度，等效热噪声谱级：
NL 15 20lg f DI E
DI—为指向性指数，单位dB； E—为转换效率，单位dB；
f—频率，单位kHz。
7.2 海洋环境噪声
2、深海环境噪声谱
20世纪60年代，Wenz
湍流区内部压力变化的声效应。
7.2 海洋环境噪声
1、深海中的环境噪声源
Wenz根据湍流理论和实验关系，推导的湍流压力谱。
7.2 海洋环境噪声
1、深海中的环境噪声源
（4）波浪非线性作用引起的低频噪声
海面波浪运动产生的压力随深度增加迅速变小；
两个反方向传播的行波波浪相遇，可能相互作用形成驻波， 产生的压力不随深度增加而变小，其频率是形成它的波浪频率 的两倍；
—低风速时，噪声源为远处航船 和风暴；高风速时，噪声源为海 面噪声源。
7.2 海洋环境噪声
5、深海环境噪声指向性
深海环境噪声具有指向性：低频噪声来自远处，高频噪声 源来自顶部的海面。 海面辐射噪声具有 cos 2 的指向特性（噪声源和海面上虚源 干涉效应引起的）。
7.3 舰船和鱼雷辐射噪声
舰船、潜艇和鱼雷的辐射噪声，是被动声呐探测、分类识别 和跟踪目标的信号，是被动声呐方程中的声源级SL。
第7章 水下噪声
—低风速时，噪声源为远处航船 和风暴；高风速时，噪声源为海 面噪声源。
7.2 海洋环境噪声
5、深海环境噪声指向性
深海环境噪声具有指向性：低频噪声来自远处，高频噪声 源来自顶部的海面。 海面辐射噪声具有 cos 2 的指向特性（噪声源和海面上虚源 干涉效应引起的）。
7.3 舰船和鱼雷辐射噪声
舰船、潜艇和鱼雷的辐射噪声，是被动声呐探测、分类识别 和跟踪目标的信号，是被动声呐方程中的声源级SL。
I p 2 ( p)dp
2
时间平均表示：
1 T /2 2 I lim p (t )dt T T T / 2
2
噪声声压有效值：
1 pe I lim T T
T /2
T / 2
p 2 (t )dt
7.1 噪声的基本概念
2、噪声频谱分析
p，t dp
（3）平稳随机过程： p1，t p1，t 结论：平稳随机过程的概率密度函数与时间无关。
7.1 噪声的基本概念
1、噪声描述
一般水中噪声被视为平稳随机过程，若噪声的声压概率密度 函数表示为： p 2 1 2 p e 2 2 为高斯分布，相应的噪声称为高斯噪声。其均值和方差：
p p pdp
p
2 2
2 高斯噪声。
7.1 噪声的基本概念
1、噪声描述
一般，表征噪声统计特性的统计量：概率密度函数、数学期 望、方差、相关函数、功率谱。 由随机过程理论可知，噪声自相关函数的傅立叶变换即为功 率谱密度函数：
7.2 海洋环境噪声
3、自然噪声间歇源及其变化特性
不同降雨率的降雨噪声谱理论估计值
水下噪声
远处航船的辐射噪声—水平指向性。
注意：
工程上通常将海洋环境噪声视为各向同性的，便于信号处理。
水声学 第7章 水下噪声 12
7.2 海洋环境噪声
海洋环境噪声也称自然噪声，是水声信道的一种干扰背景。 研究环境噪声的目的： 研究噪声场的时空统计特性与环境因素之间的依赖关系，找出 其规律，预报NL值，为声呐设备设计、研制提供必要的数据；
水声学 第7章 水下噪声 7
7.1 噪声的基本概念
2、噪声频谱分析
水声学
第7章 水下噪声
8
7.1 噪声的基本概念
2、噪声频谱分析
声强平均频谱密度： S i
I i f i
声强频谱密度函数： S f lim I i dI f i 0 f df i 带宽内的总声强： I S f df
水声学 第7章 水下噪声
Knudson海洋环境噪声谱
20
7.2 海洋环境噪声
1、深海中的环境噪声源
（7）热噪声 海洋分子热噪声限制水听器高频灵敏度，等效热噪声谱级：
NL 15 20lg f DI E
DI—为水听器指向性指数，单位dB； E—为水听器转换效率，单位dB；
f—频率，单位kHz。
水平方向和垂直方向上的相关系数第一个零点分别位于0.8和 0.3附近；
海面粗糙度形成噪声 场具有 cos 2 指向特性。
水声学
第7章 水下噪声
32
7.2 海洋环境噪声
4、海洋环境噪声振幅分布和空间相关性
（3）相关延时与噪声源 如果把两相隔开的水听器的输 出信号进行相关分析，则相关峰 位置的延时值表示了信号到达两 个水听器的时差，相关峰的幅值、 形状表示了两个信号的相关特性。
水声学
• 陆地上的信息获取：
•光 •声 • 无线电
• 电磁波是最有效的信息载体
• 探测——雷达 • 导航与定位——GPS • 通信——有线、无线、卫星通信
水下的探测、定位与导航、通 信
• 声波是唯一能在海洋中远距离传输信息 的信息载体
• 声波的衰减 1分贝/公里，10kHz 频率， （声波的衰减与频率的平方成正比），利用 海洋中的波导效应，声波可以传播的更远。 • 电磁波的衰减 4500分贝/公里（每米能量 衰减百分之九十），所以海洋中是漆黑的， 即使蓝绿激光，能穿透的距离也只有百米量 级，并且是水质清澈条件下。
（2005年摄）青岛海边
历史故事
• 泰坦尼克号
历史故事
大西洋潜艇战役片断
大西洋潜艇战役片断
大西洋潜艇战役片断
大西洋潜艇战役片断
一、 水声学的基本内涵
• 海洋是人类生命的摇篮
• 生命的源泉，生命的起源，科学探索，深海生命现象
• 海洋是人类赖以生存的宝库
• 海洋资源之多少？几乎人类生存所需要的一切资源，食品、 能源、矿物、金属、石油、天然气….. • 探测？勘探方法？开采？
• 水声学的早期研究可以追溯很遥远，因 为水声学毕竟是声学的一个重要分支
• 水声学的诞生需要许多条件，一是需求， 二是基础。
• 水声学发展史上的著名事件
• 海洋探测和海军的需求是水声学发展的两大 基本推动力
• 1490年，达.芬奇 摘记中提出用长 管听远处航船 • 1827年，瑞士物 理学家 D.Colladon和法 国数学家C.Sturm 合作，在日内瓦 湖测量了水中的 声速。
• 拥有常规潜艇数量最多的国家在我们亚洲（朝 鲜拥有60艘）
二战期间，潜艇共击沉作战舰艇381艘，其中 战列舰3艘，航空母舰17艘，巡洋舰32艘，驱 逐舰122艘，还有其它作战舰艇207艘，击沉 各种运输船5000余艘 二战中各种舰艇共击沉航空母舰38艘，仅潜艇 就击沉17艘 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
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海洋环境噪声的指向性
舰船和鱼雷的辐射噪声（了解）
舰船辐射噪声的声源级和噪声谱（重点） 舰船辐射噪声源及其一般特性
机械噪声 螺旋桨噪声 水动力噪声
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3
本章主要内容
舰船和鱼雷的辐射噪声（了解）
辐射噪声源概要 舰船、潜艇、鱼雷的辐射噪声级 辐射噪声的测量
高斯噪声
若噪声的声压概率密度函数表示为：
p
1
p2
e 22
2
上述概率密度函数为高斯分布，相应的噪声称为高斯
噪声。其均值和方差为：
ppdp 2 p2pdp
提示：水下噪声研究中经常将某一类干扰假定为高斯 噪声。
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因此有
INSf
N 1 L l0 g f 1l0 g S /I0
提示：水下噪声是多种噪声源的综合迭加，每种噪 声源的激励不尽相同，因此，它可能是线谱，也可 能是连续谱，甚至是两种的迭加。
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噪声的基本概念
水下噪声的指向性特性 水下噪声具有指向性 原因：噪声源具有指向性、噪声源空间分布、海 洋传播条件等。 提示：工程上将噪声视为各向同性的，便于处理。 常识：海面噪声（风浪噪声）—垂直指向性； 远处航船的辐射噪声—水平指向性。
潮汐和海面波浪是海洋内部海水静压力变化的 原因，它们是低频噪声源。
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海洋环境噪声
深海中的环境噪声源 地震扰动 地震是海洋中的极低频噪声源。 海洋湍流 湍流产生噪声的方式： 湍流使水听器、电缆等颤动或作响——自噪声 （不是自然噪声）； 湍流压力变化辐射噪声——四极子源，随距离 迅速衰减，不是主要源；湍流区内部压力的声 效应。海洋湍流是海洋中的低频噪声源。
舰船、潜艇和鱼雷的自噪声（了解）
舰船自噪声源及其一般特性 自噪声的传播路径 自噪声级 舰船自噪声的测量
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本章主要内容
舰船噪声控制简介（了解）
舰船噪声控制方法分类 机械噪声的控制 螺旋桨噪声的控制 水动力噪声的控制
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噪声的基本概念
根据信号频谱曲线形状划分： 线谱：数学上能够用傅氏级数来表示，水声中周 期、准周期信号的频谱就是线谱信号； 连续谱：频谱分析用傅氏变换来表示，水声中瞬 态非周期信号的频谱就是连续谱。
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噪声的基本概念
噪声的频谱分析
声强平均频谱密度
Si
Ii fi
声强频谱密度函数
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海洋环境噪声
深海中的环境噪声源 行船 行船是50Hz~500Hz频率范围内的主要噪声源， 与风和天气无关。 海面波浪 海面波浪噪声是500Hz~
25000Hz频率范围内的噪声 源，与海况直接相关。
Kundson海洋环境噪声谱
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海洋环境噪声
lim pe I
1 T/2p2(t)dt T T T/2
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噪声的基本概念
噪声的频谱分析 噪声声压是一个随机量，与时间量之间不存在确 定关系，因此分析噪声声压幅值的频谱没有意义； 随机过程的功率谱函数是一个确定的统计量，反 映了该过程的各频率分量的平均强度。
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噪声的基本概念
噪声是一种随机过程
一般，表征噪声统计特性的统计量：概率密度函数、 数学期望、方差、相关函数、功率谱。
白噪声
由随机过程理论可知，噪声自相关函数的傅立叶变 换即为功率谱密度函数：
Rlim1 T ptpt
T2T T
dt
S Rejd
Wenz谱级图：在一般 情况下，它能够比较细致 地描写出环境噪声的普遍 规律性，被认为最具代表 性的深海噪声谱曲线。
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海洋环境噪声
深海环境噪声谱 深海环境噪声谱的例子
如右图，谱由斜率不同的 五部分组成，解释如下：
1）1Hz以下，这段谱至今 还不为人所知。估计该噪 声来源于海水静压力效应 或是地球内部的地震扰动。
SflimIi dI
f fi0 i df
带宽内的总声强：I f2 Sfdf f1
提示：连续谱某确定频率分量上的声强贡献无限小。
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噪声的基本概念
N/I0
假设水听器工作带宽内噪声谱为 S(f ) 、且其响应 是均匀的，则有：
深海中的环境噪声源 热噪声 海洋分子的热噪声限制水听器的高频灵敏度， 等效热噪声谱级：
N 1 L 1 2l5 f 0 g D E I
式中，DI为指向性指数，单位dB； E为转换效率，单位dB； f 为频率，单位kHz。
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海洋环境噪声
深海环境噪声谱
第八章 水下噪声
本章主要内容
噪声的基本概念（了解）
噪声是一种随机过程 噪声的频谱分析 水下噪声的指向性特性
海洋环境噪声（了解）
深海中的环境噪声源 深海环境噪声谱 自然噪声的间歇源及自然噪声的变化特性 海洋环境噪声的振幅分布和空间相关
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本章主要内容
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海洋环境噪声
海洋环境噪声也称自然噪声，研究环境噪声的 目的：解决NL及其时空统计特性与环境因素之间的 依赖关系，找出其规律，并由此作出必要的预报， 为声纳设备设计、制作提供必要的数据。 深海中的环境噪声源 从低频到高频次序讨论噪声源及其特性： 潮汐和波浪的海水静压力效应
功率谱是均匀的噪声，则称之为白噪声。
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噪声的基本概念
噪声是一种随机过程
噪声声压有效值 p e
定义：等于介质阻抗为单位值时平均声强 I 的平
方根。
如果假设噪声的平均值为零，介质阻抗为单位值，则 它的方差便等于平均声强：
I2p2(p)dp
I2lim 1T/2p2(t)dt T T T/2