水声学原理7
水声学原理考试试卷及参考答案精选全文
可编辑修改精选全文完整版考试科目《水声学原理》考试时间100分钟考试形式开卷班级姓名学号题号12345678910总得分阅卷人得分试题说明：本试卷共10道题，每题10分，满分100分。
请将答案写在答题纸上，考试完毕后请将试卷和答题纸一并交回。
1.（10分）声纳有哪两种工作方式？试分别画出这两种方式的信息流程图。
2.（10分）增加主动声纳的发射功率，能否提高其作用距离，为什么？如能提高，若其他条件不变，发射功率增大一倍，试问声纳作用距离如何变化？3.（10分）试画出典型的海洋声速分布图，并说明表面声道和深海声道的形成原因。
4.（10分）若海水中的声速分布如下图，试画出几条典型声线轨迹图。
5.（10分）声速分布如下左图所示，已知H，z0，c s，a1，a2和α求x。
C sCa1a2zx 0αx6.（10分）一只声呐换能器的声源级为120dB。
问从一个距离为1000m，半径为40m的球形物体上返回的回波信号强度是多少？7.（10分）简述实验测量水下物体目标强度（TS值）的“应答器法”，给出有关计算式，测量中应注意哪些问题才能保证测量的准确？8.（10分）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f0，收得海底回声信号的频率为f r，求该船的航行速度v。
Vθf0f r水面海底9.（10分）根据混响场特性不同，混响分为哪几类？它们各自产生的混响源是什么？试写出这几类混响的等效平面波混响级的理论公式。
10.（10分）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。
标准答案： 1. 答：声纳按照工作方式可以分为两类，主动声纳和被动声纳。
它们的信息流程图分别为： (1)主动声纳：(2)被动声纳：2. 答：(1) 能否提高作用距离要看何种背景干扰起主要作用。
如果背景干扰以环境噪声为主，则可提高作用距离，若背景干扰以混响为主，则不能提高作用距离。
《水声学绪论》PPT课件
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
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。
水声学复习提要
rR rn
距离r
College of Underwater Acoustic Engineering HEU
17
作业点评
第一章
给定水下声压 p 为100Pa，那么声强 I 是多大， 与参考声强 I r 比较，以分贝表示的声强级是多少？ （取声速C=1500m/s，密度为1000kg/m3）
解：声强：
被动声纳方程
SL - TL -（NL - DI）=DT
SL—噪声源 无TS 背景干扰为环境噪声和舰船自噪声
声纳方程的应用
基本应用
声纳设备性能预报 声纳设备设计
College of Underwater Acoustic Engineering HEU 5
第二章 海洋的声学特性
可以解得声场的解析解； 不易处理复杂边界条件； 易于加入源函数； 计算复杂；
射线理论
只能解得声场的近似解； 易于处理复杂边界条件； 物理意义简单直观； 不能处理影区、焦散区；
适用于低频远距离浅海。
适用于高频近距离深海。
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College of Underwater Acoustic Engineering HEU
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作业点评
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 曲线，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 rR rn 要干扰。如下图， 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
作业点评
第一章
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？在声纳方程 中各项参数的物理意义是什么？ 声纳方程的两个基本用途是什么？ 环境噪声和海洋混响都是主动声纳的干扰，在实际 工作中如何确定哪种干扰是主要的？
2018-2019水声学原理A卷答案
2017-2018水声学原理A 卷答案一、解释或说明一下概念（每题5分）1. 背景干扰分为混响和环境噪声两种。
当背景干扰主要为混响时的主动声纳方程即为受混响限制的主动声呐方程，即：DT RL TS TL SL =-+-2，其中SL 为主动声纳发射信号的声源级，TL 为主动信号到目标的单程传播损失，TS 为目标强度，RL 为混响级，DT 为接收机的检测阈。
当背景干扰主要为环境噪声时的主动声纳方程即为受噪声限制的主动声纳方程，即DT DI NL TS TL SL =--+-)(2，其中NL 为环境噪声级，DI 为接收指向性指数。
2. 答：主要有1）扩展损失，由于声波波阵面在传播过程中不断扩展而引起的声强衰减；2）吸收损失，由于介质粘滞以及其它驰豫效应引起的声强衰减。
3）散射。
海洋介质中存在的泥沙、气泡、浮游物等离子以及介质的不均匀引起的散射和衰减。
3. 透射损失定义为入射波的声强与透射波的声强之比并取对数的10倍，如下式表示： t i I I TL lg10= ，当声波从空气垂直入射到海水中时，属于绝对“硬”边界，其中入射波的声强11212/c p I i i ρ=，透射波的声强 22212/c p I t t ρ=，2=D ，3570/1122≈c c ρρ，故5.29≈TL dB 。
4. 声场中，同一位置点上的声压和振速之比称为该点的声阻抗率，均匀球面波声场中声阻抗率220)(1)(kr jkrkr c Z ++⋅=ρ，平面声波的声阻抗率为000c Z ρ=，在平面波声场中，其声压和振速处处同向（正向波）或处处反向（反向波），平面波声阻抗与频率无关。
5. 答：1)当使用指向性声呐在近处进行目标强度测量时，由于指向性的关系，声速不能照射到目标的全部，仅有部分表面对回声有贡献。
2)有些物体由于其几何形状比较复杂，其回声随距离衰减的规律不同于点源声场。
6. （1）射线声学是把声波的传播看作是一束无数条垂直于等相位面的射线的传播。
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
水声学原理
e
jk
r r
dS
2
r r
S
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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。
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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
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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
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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。
(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。
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。
水声学原理试题+答案
水声学原理试题+答案《水声学原理》课程考试题(A卷)一、填空题(15%)1. 声阻抗率是单位表面(或体积)产生单位质点振速所需要的。
2. 潜艇的目标强度随角度的变化规律呈形状。
3. 用描述高、低频近似，为波数，a为空间尺度，高频近似和低频近似分别kka可以表示为和。
4. 根据辐射噪声产生的来源不同，辐射噪声可分为、和三类。
5. 气泡可称作空气弹簧，是因为其和弹簧一致。
6. 目标强度可能为正的物理原因是。
7. 表面声道中，跨度较大的声线平均水平传播速度较。
8. 复数声反射系数的模表示反射声波与入射声波的之比，幅角表示反射声波与入射声波的之差。
二、简答题(35%)1. 简述复阻抗率的物理意义。
(7%)2. 利用简正波表示，简要解释相干能量和非相干能量。
(7%)3. 利用刚性小球的散射理论，简要解释晴朗天空呈蓝色、早晚天空呈红色的现象。
(7%)4. 利用散射场可以视作二次辐射计算的方法，简要叙述计算海水中气泡散射声场的步骤。
(14%)三、证明题(20%)气泡内的气体是理想气体，气泡振动时声辐射过程是绝热过程，证明:气泡振动的恢复力和弹簧恢复力形式一致。
四、计算题(30%)1. 一单频小球源以10瓦的功率向自由空间辐射频率为1000Hz的简谐球面波，求离开声源中心2米处的声压幅值、质点径向速度(振速)幅值和声强。
(15%)2. 均匀硬底浅海中，海水中声速为1500m/s，海深为100米。
求频率为1.5kHz时第一号简正波的水平波数。
(15%)《水声学原理》课程考试题(A卷参考答案)一、填空1. 声压。
2. 蝴蝶。
3. 。
4. 机械噪声、螺旋桨噪声和流噪声。
5. 恢ka,,1, ka,,1复力形式。
6. 散射截面大。
7. 快。
8. 振幅、相位。
二、简答1. 要点:? 从定义看，声阻抗是复数表示声压与质点振速相位不一致。
这使得介质中的声强(损耗在介质中的声强)小于平面波声强，这部分损耗声强对应着声阻抗的实部。
《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
水声工程学院
8
水声学课程组
哈尔滨工程大学国家级精品课程——《水声学习题集参考答案》
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
7
水声学课程组
哈尔滨工程大学国家级精品课程——《水声学习题集参考答案》
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
水声工程学院
6
水声学课程组
哈尔滨工程大学国家级精品课程——《水声学习题集参考答案》
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
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
2019/10/17
范军
上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室
第一章 导论
1.1 海洋与水声技术
1、为什么用水声技术
海洋占据地球表面约70％的面积；
海洋是人类开展交通运输、军事斗争和获取资源的场所。这就必须有观测、通 讯、导航、定位的工具。水声技术在其中扮演了重要的角色。
声波是迄今为止在水中唯一能有效地远距离传递信息地物理场。
20
水声信号、特别是噪声信号常常包含有多种频率成分，能量分布在一个频带宽
度内。定义单位频带宽度1Hz内的声强度为声强谱密度，用函数 I f 表示。谱
密度的分贝表示称为谱密度级。
将谱密度函数在整个频带内积分就等于总强度：
I I f df
0
在频率f附近带宽内的声强是：
I I f f
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(第一章)(课件)
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。
水声学第七章 海洋中的混响
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体积混响
深水体积混响源及其特征 特点：有一定厚度；深度不固定，具有昼夜迁移 规律，深度变化可达几百米；具有低频选频特性。 混响产生的原因：散射体是生物性的，为存在于 海洋中的海洋生物；低频选频特性是由含气鱼鳔 所造成；非生物性的散射体对散射贡献是微不足 道的。 提示：用垂直向下的测深仪测量其深度。 深水散射层声学特性 1）深度大约在180~900m，典型深度为400m， 而其厚度则为90m；
对体积混响有贡献的体积是厚度为 c / 2的球壳
层，则有
dV r 2 c d
2
d 是体积元对接收点所张的立体角，将上式代入体
积混响等效平面波混响级积分公式得：
RL
10
lg
I0 I ref
SV
c
2
1 r2
bbd
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体，根据基本假设（1），dv处的入射声强度为
I0b( ,) / r 2
3）根据散射强度的定义：
令：
SV 10lg Iscat / Iinc
SV I scat / Iinc
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体积混响
体积混响理论 则可得在返回声源方向距离dv单位距离处的散
10 lg c
2
r 2
r 是散射体到接收器之间的距离，它与传播时间 t
之间的关系为：
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 。
《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1什么是声纳？声纳可以完成哪些任务？2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？3在组合声纳参数中优质因数和品质因数是什么？它们的物理意义是什么？4声纳方程的两个基本用途是什么？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=。
8 在被动声纳方程中使用了接收方向行指数DI ，由此讨论被动声纳方程对噪声的适用条件。
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 给定水下声压p 为Pa μ100，那么声强I 是多大，与参考声强r I 比较，以分贝表示的声强级是多少？3 发射换能器发射40kW 的声功率，且方向性指数t DI 为15dB ，其声源级SL 为多少？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。
第7章 水声学
因而致使声波在边界面上产生反射，使声能在 某种边界面上“漏泄”掉，称为边界损耗 造成海水中声波传播损失的原因主要有三个方 面： 1 扩展损耗——波阵面的扩展 2 吸收损耗——不可逆的声能转换成其他能量 3 边界损耗——边界上能量的“漏泄”
二、海水中声速的基本公式
海水中的声速是研究声波在海水中传播的最
从声纳系统的设计和使用来讲，很希望能够
把信道的这些影响归纳成为几个简单而有用 的参数(称为声呐参数)，用一个方程（称为 声纳方程）把它们融合在一起 该方程是将信道影响、目标和设备特性综合 在一起的一个关系式，它对声纳设备的设计 和性能评价以及作用距离的估计非常方便有 用。
声纳参数TL(传播损失)：反映信道的能量衰
减作用 信道对信号波形的畸变与起伏的影响，则与 系统本身的某些特性一起反映在声呐参数 DT(检测阈)中； 信道的加性干涉则由混响级RL和噪声级NL 来反映。
声纳系统一般是用来进行水下探测（发现目
标）、识别（确定目标性质）、鱼雷制导、通 讯、导航等。 为完成每一项目的都需有一定的信噪比(S/N)， 这个信噪比值取决于系统所完成的职能和所要 求的工作质量(一般由检测概率与虚警概率这一 对数值标定)。 例如识别任务相对于检测任务就要求有较高的 信噪比。 对大的检测概率和小的虚警概率相应地也要求 较高的信噪比。
以上提出的声速剖面三层结构，对于深海是
比较稳定的。 但即使是深海，随着经纬度、季节和昼夜气 候的不同，也会发生很大的变化。 因此，必须根据各个海区、季节和昼夜的不 同，具体地进行实际测量分析。 图7.2表示一个实际的深海声速和温度的剖面。
图7.2 实际深海声速、温度剖面图
浅海的声速剖面结构是极不稳定的，因为浅
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1 c0 fN = N 2 2H
ω1 =
0
2H
f1 =
0
4H
注意: 注意:当声源频率 ω < ω1 时,所有各阶简正波均 随距离按指数衰减 远场声压接近零. 指数衰减, 随距离按指数衰减,远场声压接近零.
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硬底均匀浅海声场
相速和群速 相速: 相速:等相位面的传播速度 等相位面: 等相位面: ζ r ωt = const
n
ω ω ω = = c pn = 2 2 2 2 ζn k0 kzn ω ωn
= 1 (ωn ω ) c0
c c 0 0
2
说明:浅海水层属于频散介质. 说明:浅海水层属于频散介质.
θ n = ± arcsin
ξn
k
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硬底均匀浅海声场
两平面波与z轴夹角 两平面波与 轴夹角
ωn sin θ n = = 1 k ω
c pn = c0 sin θ n
Байду номын сангаасξn
2
相速度: 相速度:等相位面的传播速度
2 ( p(r , z ) = j ∑ πAn sin (k zn z )sin (k zn z0 )H 02 ) (ζ n r ) , 0 ≤ z ≤ H n =1 N N
= j∑
n =1
2π 2 An sin (k zn z )sin (k zn z0 )e ζ nr
π j ζ nr 4
=
c0
ω∫
1
N 1 x
2
0
dx =
c0 N
ω
∫
π 2
0
H dθ = 2
传播损失为: 传播损失为:
TL = 10 lg
π
Hr
= 10 lg r + 10 lg
H
π
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硬底均匀浅海声场
TL随声波掠射角的变化 随声波掠射角的变化 随声波掠射角
群速: 群速:波形包络的传播速度
c gn = c0 sin θ n
注意:波导为频散介质, 注意:波导为频散介质,导致脉冲波形传播畸变
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硬底均匀浅海声场
传播损失(假设单位距离处声压振幅为 传播损失(假设单位距离处声压振幅为1 )
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硬底均匀浅海声场
TL随声源(接收点)位置的变化 随声源(接收点)位置的变化 声源(接收点)位于海面附近, 变大 变大. 声源(接收点)位于海面附近,TL变大. 声源(接收点)位于海底附近, 变小 变小. 声源(接收点)位于海底附近,TL变小. 原因: 原因: 取值概率变化, 主要是 sin 2 (k zn z 0 ) 取值概率变化,使其平均值 不等于1/2. 不等于 . 1)靠近海面,小于1/2 )靠近海面,小于 2)靠近海底,大于 )靠近海底,大于1/2
c pn 随 ω 增加而减小
c gn 随
c pn和
ω 增加而增加
c gn满足 c 满足:
2 pncgn = c0
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硬底均匀浅海声场
第n阶简正波分解 阶简正波分解
2 j 2π pn (r , z ) = sin (k zn z )sin (k zn z0 )e H ζ nr 1 = H
液态海底均匀浅海声场
在液态下半空间( 在液态下半空间(Z>H)中,振幅沿深度按指数规律 ) 衰减,频率越高,振幅衰减越快. 衰减,频率越高,振幅衰减越快.高频声波在界面发 生全反射时,能量几乎全被反射回水层中, 生全反射时,能量几乎全被反射回水层中,波的能量 几乎被限制在层内传播. 几乎被限制在层内传播. 简正波 临界频率
, ζ n r >> 1
2 k zn
2 An
ω 2 = ζ n c 1
= 2k zn ρ1 k zn H sin (k zn H ) cos(k zn H ) ρ 2 2 sin (k zn H )tg (k zn H )
22
2
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结果:远场,声场可以表示成有限项和: 结果:远场,声场可以表示成有限项和:
2 p(r , z ) = j H
∑
n =1
N
2π sin (k zn z )sin (k zn z0 )e ζ nr
π j ζ nr 4
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π j ξnr 4
j ξ n r + k zn z π j ξ n r k zn z π 2π 4 4 sin (k zn z0 )e e ξnr
方向上是由两个波迭加 简正波 p n 在z方向上是由两个波迭加而形成的 方向上是由两个波迭加而形成的 驻波 两平面波与z轴夹角 轴夹角: 两平面波与 轴夹角:
ωn cgn = c0 1 ω
2
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硬底均匀浅海声场
相速和群速与声波频率的关系
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硬底均匀浅海声场
相速与群速的区别 简正波的群速小于相速
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3
硬底均匀浅海声场
截止频率 简正波水平波数: 简正波水平波数:
ω 1 π ξ n = n c 2 H 0
2 2
阶数最大取值: 阶数最大取值
Hω 1 N = πc + 2 0
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液态海底均匀浅海声场
波导模型 Pekeris模型(分层介质模型) 模型( 模型 分层介质模型)
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液态海底均匀浅海声场
液态海底均匀浅海声场的解为: 液态海底均匀浅海声场的解为:
∑
1 n =1 ζ n
N
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硬底均匀浅海声场
如果波导中简正波个数较多, 如果波导中简正波个数较多,则
Hω N≈ πc0
ζn ≈
ω
c0
n 1 N
2
∑ζ
n =1
N
1
n
=
c0
∑ ω
n =1
N
1 n 1 N
2
nπ k zn = , n = 0,1, H
0≤ z≤H
若声波频率小于一阶简正波的截止频率, 若声波频率小于一阶简正波的截止频率,则波导 一阶简正波的截止频率 中只有均匀平面波 均匀平面波一种行波 中只有均匀平面波一种行波
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fn = 1 c0 n 2 , n =1, 2 ,
c1 2H 1 c 2
2
说明:根据临界频率,可以反演海底介质的声速. 说明:根据临界频率,可以反演海底介质的声速.
n≠m
∑r
N
4π
ζ nζ m
Z n ( z0 )Z n ( z )Z m ( z0 )Z m ( z )e
j (ζ n ζ m )r
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硬底均匀浅海声场
式中,第二项的大小依赖于各阶简正波相位之间 式中,第二项的大小依赖于各阶简正波相位之间 的大小依赖于各阶简正波相位 相关程度,随距离作起伏变化 起伏变化; 的相关程度,随距离作起伏变化; 第一求和项与简正波相位无关 随距离单调减 与简正波相位无关, 而第一求和项与简正波相位无关,随距离单调减 小 说明: 说明:声强随 距离增加作起 伏下降, 伏下降,呈现 干涉曲线
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硬底均匀浅海声场
群速度: 群速度:波形包络的传播速度
dω c gn = dζ n
ξn = k k
2 0
2 n
2 zn
ω ωn ξn = c c 0 0
2
2
2
ωn ω = c0 ξ + c 0
5
硬底均匀浅海声场
临界频率: 临界频率:最高阶非衰减简正波的传播频率
1 πc0 ωN = N 2 H
注意: 注意:当声源激发频率 ω < ωN 时,波导中不存 在第N阶及以上各阶简正波的传播 阶 截止频率:简正波在波导中无衰减传播的最低临界 截止频率:简正波在波导中无衰减传播的最低临界 频率 πc c
H TL = 10 lg r + 10 lg 2 c
式中, 为临界掠射角. 式中, c 为临界掠射角. 硬质海底 c = π 2 非绝对硬海底 c1 < c 2 , c < π 2 ,掠射角 < c 的声波受 到海底全反射, 到海底全反射, > c 的声波经海底反射很快 衰减.它的传播损失大于硬质海底的TL值 大于硬质海底的 衰减.它的传播损失大于硬质海底的 值.