水声学原理第一章

声纳参数
定义：将影响声纳设备工作的因素称为 声纳参数。
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1、声源级SL （Source Level）
声源级SL：用来描述主动声纳所发射
的声信号的强弱（反应发射器辐射声功
率的大小）
定义：
SL 10 lg I I 0 r1
式中，I为发射器声轴方向上离声源声中心1米处 的声强，I0为参考声强（均方根声压为1微帕的
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；
DIT越大，声能在声轴方向集中的程度越高； DIT越大，就有利于增加声纳的作用距离。
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已知声功率时，如何计算SL？
声源级与声功率的关系：
假设介质无声吸收，声源为点声 源，辐射声功率为Pa（W），距声源声 中心1米处声强度为：
m
4 Iib
, d
mI i
b
4
, d
其中，b是归一化的声束图函数， 、 是空
间方位角。则接收指向性指数DI为：
DI 10 lg RN RD

10
lg

4

4 b , d
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Caution：
•参数DI只对各向同性噪声场中的平面波信 号（是完全相关信号）有意义； •具有其它方向特性的信号和噪声场，需用 参数阵增益来代替DI。
其中，指向性水听器的轴向灵敏度等于无指向性水听器 的灵敏度。
QUESTION：何为水听器灵敏度?
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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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对于几何形状简单的换能器阵，可用阵尺寸来表示它的 DI值。
sin(L / sin ) 2 L / sin
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7、检测阈DT （Detection Threshold）
声纳设备接收器接收声纳信号和背景噪声，两部分的 比值即接收带宽内的信号功率或均方电压与1Hz带宽 内（或接收带宽）的噪声功率或均方电压的比，它影 响设备的工作质量，比值越高，设备就能正常工作， “判决”就越可信。
3）海水中各种不均匀体的散射
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3、目标强度TS （Target Strength）
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：
TS 10 lg Ir I i r1
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2、传播损失TL （Transmission Loss）
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
定义： TL 10 lg I1 Ir
式中，I1是离声源声中心1米处的声强度；Ir 离声源声 中心 r 米处的声强度。
引起声强衰减的原因：
1）由于海水介质本身的声吸收
2）声传播过程波阵面的扩展
I r1 Pa 4 W m2
1）无指向性声源辐射声功率与声源级的关系：
SL 10 lg Pa 170.77
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2）指向性声源辐射声功率与声源级的关系：
SL 10 lg Pa 170.77 DIT
常识：船用声纳Pa为几百瓦~几千瓦，DIT
为10~30dB，SL约为210~240dB。
按照工作方式分类：主动声纳和被动声纳
信号源 发射机
发射阵
目标
判决
处理器
接收阵
显示
主动声纳信息流程
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被动声纳通过接收被探测目标（声源部分）如鱼雷、潜 艇等的辐射噪声，来实现水下目标探测。
目标
接收阵
处理器
判决 显示
被动声纳信息流程
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1.6 声纳参数
主、被动声纳工作信息流程的基本组 成： 声信号传播介质（海水） 被探测目标 声纳设备
c)定义：强度已知的平面波轴向入射到水听器上，
水听器输出电压值为V；将水听器移置于混响场中， 声轴指向目标，水听器输出电压值也为V，则该平面
波声级就是混响级。 14
6、接收指向性指数DI （Directivity Index）
接收换能器的接收指向性指数DI定义为：
无指向性水听器产生的噪声功率 DI 10 lg 指向性水听器产生的噪声功率
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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：
RN m 4 Iid 4mI i
式中，m为比例常数；d 是元立体角。
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在同一噪声场中，指向性水听器产生的 均方电压：
RD
平面波对应的声强）。
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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：
式中，Ii是目标处入射声波的强度；Ir离目标声中心1米处
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 10 lg 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
噪声强度。
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5、等效平面波混响级RL （Reverberation Level）
主动声纳的背景干扰：
1)环境噪声—一般是平稳的和各向同性的
2)混响—是非平稳的和非各向同性的
等效平面波混响级RL：
a)定量描述混响干扰的强弱
b)是利用平面波的声级来度量混响场的强弱
第一章 绪论
第二讲 声纳方程
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本讲主要内容
主动声纳方程及其各参数的概念、物理 意义（重、难点） ；
被动声纳方程及其各参数的概念、物理 意义（重、难点） ；
组合声纳参数的物理意义（ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ解） ； 声纳方程的工程应用及限制（重点）。
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1.5 声纳及其工作方式
声纳（Sonar—Sound Navigation and Ranging）： 利用水下声信息进行探测、识别、定位、导航和通讯 的系统。