水声学复习提要

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第六章 海洋中的混响
• 本章主要内容
– 混响的概念、分类、特点 – 混响产生的机理 – 体积混响的建模、计算 – 海面混响产生的原因及气泡的声学特性 – 海面混响建模、计算、特点 – 海面散射的常见理论 – 海底混响建模、计算、特点 – 混响预报 – 混响统计特性
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作业点评
解：1）声速绝对梯度 gd c15 0 10 4 5 0 0 .5s 1 dz 100
2）恒定声速梯度时，声线轨迹是一段圆弧，圆的曲率 半径
R
1
cos
dc
c
gcos
15003 0.5
km
c dz
如右图示，水平传播距离
x R2(R0.1)2 0.768km
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第一章 声纳方程
• 主要内容
– 主动声纳方程及其各参数的概念、物理意义 – 被动声纳方程及其各参数的概念、物理意义 – 主被动声纳方程的工程应用
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第一章 声纳方程
• 主动声纳方程 SL - 2TL + TS -（NL - DI）=DT
声源级
目标强度 接收指向性指数
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第三章 海洋中的声传播理论
• 液态海底均匀浅海声场的特点
– 声传播损失的特征
• 射线理论
– 基本方程的导出过程 – 应用条件
• 声压振幅相对变化远小于1 • 声速相对变化远小于1
– 声线轨迹计算
• 恒定声速梯度模型 • 典型声线绘制
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第三章 海洋中的声传播理论
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作业点评
3）由Snell定律知，到达100m深度时的掠射角为
arcc1o4s5014 .84
1500
– 某浅海海域水深40m，海面、海底都是平面。 声源深度10m，声速梯度为常数，海面声速为 1500m/s，海底处为1480m/s。试计算并画出 自声源沿水平方向发出的声线的轨迹，到第二 次从海底反射为止。
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第五章 声波在目标上的反射和散射
• 本章主要内容
– 目标强度定义
• 等效声中心1m
– 刚性大球目标强度计算理论推导
• 能量守恒法
– 常见声纳目标的目标强度值和特性
• 与方位角、测量距离、发射信号脉冲宽度的变化
– 目标强度测量方法
• 比较法、直接法、应答器法
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第五章 声波在目标上的反射和散射
• 射线理论
– 声线水平传播距离计算
• 恒定声速梯度模型 • 水平分层介质模型
– 声线传播时间计算
• 恒定声速梯度模型 • 水平分层介质模型
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第三章 海洋中的声传播理论
• 波动理论与射线理论对比
– 优缺点 – 适用条件
波动理论
射线理论
•可以解得声场的解析解； •只能解得声场的近似解；
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第四章 典型传播条件下的声场
• 本章主要内容
– 表面声道声线参数
• 反转深度
• 临界声线
• 跨度
• 循环数
• 传播时间
– 表面声道截止频率
– 表面声道传播损失
– 表面声道传播损失经验公式
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第四章 典型传播条件下的声场
• 本章主要内容
– 深海声道的概念、特点 – 深海声道声线
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第一章 声纳方程
• 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
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第二章 海洋的声学特性
• 主要内容
– 海水中声速的典型结构 – 声传播衰减 – 海底反向散射强度 – 海底声反射损失 – 海底三参数模型 – “镜像法”声场计算
• 典型声速分布 • 声道信号及其基本特征
– 声线和信号波形 – 会聚区和声影区
– 深海声道中的传播损失
• 传播损失
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第四章 典型传播条件下的声场
• 本章主要内容
– 深海负梯度的概念、特点 – 深海负跃层的概念、特点 – 浅海平均声强随距离的分布规律 – 浅海传播损失 – 浅海传播损失半经验公式
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第七章 水下噪声
• 本章主要内容
– 噪声的基本概念、统计特性 – 噪声谱级与噪声级 – 海洋环境噪声源的频谱特性 – 舰船辐射噪声的噪声源及其频谱特性 – 舰船自噪声的噪声源及其频谱特性 – 辐射噪声与自噪声的异同点
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绪论
1 什么是声呐？声呐可以完成哪些任务？ 2 请写出主动声呐方程和被动声呐方程？在声呐方程中各项参数
– 答：1）声波传播时强度衰减原因：声波在传 播过程中，波阵面逐渐扩展；海水介质的吸收 和海水介质中不均匀性的散射。
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作业点评
• 第二章
– 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。
实际工作中如何确定哪种干扰是主要的？
Hale Waihona Puke Baidu
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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rR 要rn 干扰，还是噪声为主 要干扰。如下图，
202所0/5/4以混响是主要干扰
•不易处理复杂边界条件； •易于处理复杂边界条件；
•易于加入源函数；
•物理意义简单直观；
•计算复杂；
•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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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
• 主要内容
– 硬底均匀浅海声场的简正波求解 – 液态海底均匀浅海声场的特点 – 射线理论 – 波动理论与射线理论对比
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第三章 海洋中的声传播理论
• 硬底均匀浅海声场的简正波求解
– 波动方程导出的基本过程 – 定解条件 – 分离变量法求解波动方程的基本过程 – 本征值与本征函数 – 临界频率与截止频率 – 相速与群速 – 声传播损失的特征
– 吸收损失
• 切变粘滞 • 热传导 • 驰豫
– 传播损失一般公式
• TL=n*10logR+r
吸收 散射
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第二章 海洋的声学特性
• 海底反向散射强度
– 与入射角的关系 – 与频率的关系 – 与海底粗糙度的关系
• 海底声反射损失
– 与掠射角的关系
• 海底三参数模型
– 模型的描述 – 三个参数的计算
– 答：2）物理衰减是指声波的机械能转变成其 它形式的能量引起的声波衰减。几何衰减是指 声波传播中波阵面扩张引起声强减少。
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作业点评
• 第二章
– 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。
传播损失 海洋环境噪声级 检测阈 等效平面波混响级
SL-2TL+TS-RL=DT
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第一章 声纳方程
• 两个主动声纳方程的区别
– SL - 2TL + TS -（NL - DI）=DT – SL-2TL+TS-RL=DT
• 噪声掩蔽级I，Rr<Rn • 噪声掩蔽级II，Rn<Rr
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• 本章主要内容
– 目标强度测量注意事项
• 两个远场 • 一个自由场 • 合理选择脉冲宽度
– 回波信号的形成及其特征
• 镜反射、散射、再辐射、回音廊式回声 • 多普勒频移、脉冲展宽、包络不规则性、调制效应
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第五章 声波在目标上的反射和散射
• 本章主要内容
– 壳体目标的回波信号特征 – 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
解：又数为：1D 5dT B ，I1 其l声0o源D 级g IT SL为，D多IT少？IINDD
指向性声源的轴向声强：
ID D IT IN D D IT P a/4 声源级：SL 10 loP ga10 lo4g1I0DTI
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作业点评
• 第二章
– 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。
的物理意义是什么？ 3 在组合声呐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 声呐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？ 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。
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
• 第一章 – 给定水下声压p 为100Pa ，那么声强I 是多
大，与参考声I r 强 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：
Ipc2(1 10 0 1 0 0 1 0 0 65)20 60 .6 71 0 15
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第一章 声纳方程
1 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）
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第二章 海洋的声学特性
• “镜像法”声场计算
– 镜像法的概念 – 镜像法计算邻近海面点源声场的基本原理 – 邻近海面点源声场传播损失的特点
• 近场菲涅耳（Fresnel）干涉区 • 远场夫朗和费（Fraunhofer）区 • 过渡距离
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第三章 海洋中的声传播理论
– 答：4）开阔水域适用：T L2l0g RR
表面声道和深海声道中适用：TL 1l0g RR 计及海底吸收时浅海均匀声道适用： TL 1l5g RR 偶极子声源远场适用： T L4l0g RR
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作业点评
• 第三章
– 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）使海表面的水 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。
W/m2
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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I r 强 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：声强级： SIL 1l0oII0 g1l0o6 6..g 6 6 7 71 1 0 0 1 19 540dB
– 答：3）海洋中传播损失表达式为：
T Ln1l0 g RR
前一项为几何衰减，后一项为物理衰减。
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作业点评
• 第二章
– 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。
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第二章 海洋的声学特性
• 海水中声速的典型结构
– 深海声道声速分布
– 表面声道声速分布
– 反声道声速分布
– 浅海常见声速分布
• 声传播衰减
– 导致衰减的原因
• 几何扩展 • 吸收 • 散射
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第二章 海洋的声学特性
• 声传播损失
– 常见声波的扩展损失
• 平面波，TL=0 • 柱面波，TL=10logR • 球面波，TL=20logR
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作业点评
• 第一章
– 发射换能器发射40kW的声功率，且方向性指
解：声数为源1级5d定B，义其：声SL源级10SlLo为g I多I0 少？
无指向性声源的声强：I ND
Pa
4
设指向性声源的轴向声强为：I D
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作业点评
• 第一章
– 发射换能器发射40kW的声功率，且方向性指