《水声学》课程教学大纲
哈工程水声工程课表
哈工程水声工程课表第一学期1. 水声学导论- 课程简介：本课程主要介绍水声学的基本概念、基本原理和研究方法，培养学生对水声学的基本认识和学习兴趣。
- 授课教师：李教授- 上课时间：周一、周三 8:00-9:30- 上课地点：教学楼A1012. 海洋声学- 课程简介：本课程主要介绍海洋声学的基本知识和应用领域，涵盖声波在海洋中传播、海洋声学观测、海洋生物声学等内容。
- 授课教师：王教授- 上课时间：周一、周三 10:00-11:30- 上课地点：教学楼A2013. 水声信号处理- 课程简介：本课程主要介绍水声信号的获取、处理和分析方法，包括水声信号的数字化、滤波、谱分析等内容。
- 授课教师：张教授- 上课时间：周二、周四 8:00-9:30- 上课地点：教学楼B1014. 水声传感技术- 课程简介：本课程主要介绍水声传感技术的原理和应用，包括水声传感器、水声通信系统等方面的知识。
- 授课教师：刘教授- 上课时间：周二、周四 10:00-11:30- 上课地点：教学楼B2015. 水声数据处理与分析- 课程简介：本课程主要介绍水声数据的处理与分析方法，包括数据采集、数据预处理、特征提取和数据可视化等内容。
- 授课教师：陈教授- 上课时间：周五 8:00-9:30- 上课地点：教学楼C1016. 水声信号检测与识别- 课程简介：本课程主要介绍水声信号的检测与识别方法，包括声源定位、目标识别和信号分类等内容。
- 授课教师：黄教授- 上课时间：周五 10:00-11:30- 上课地点：教学楼C201第二学期1. 深海声学- 课程简介：本课程主要介绍深海声学的基本原理和研究方法，包括深海声波传播、深海声学观测和深海声学探测器等内容。
- 授课教师：王教授- 上课时间：周一、周三 8:00-9:30- 上课地点：教学楼A1012. 水下通信- 课程简介：本课程主要介绍水下通信的基本原理和技术，包括水下声纳通信、水下光通信等内容。
《水声学》学习指南
学习指南（1）重点、难点分析水声学课程具有很强的理论性，同时也具备较强的工程性。
理论内容是为解决工程实际问题服务的，而工程实际问题反过来又可以指导理论模型的建立，两部分相辅相成。
水声学课程的难点主要在于其理论的复杂性和工程的抽象性。
研究课程内容可知，声纳方程是该课程的主线，课程各章节与声纳参数是一一对应的，为了能真正理解声纳方程，并使用声纳方程进行声纳设备的设计或性能预报，解决工程实际问题，必须对每一个声纳参数所隐含的基本物理概念、物理机理有所理解和认识，课程的重点内容包括以下几个模块：●声纳系统和声纳参数的概念及物理含义。
该模块从概念的角度描述声纳方程，是理解声纳方程、应用声纳方程的前提；●海洋环境的声学特性。
它影响声波的传播规律，从而影响声纳设备的工作性能。
了解海洋环境的声学特性是后面声传播规律研究的基础；●声场建模理论和典型信道中的声传播规律。
该模块主要介绍声场建模的两种基本理论以及对典型信道中声传播规律的物理解释，具有非常强的理论性，同时又具备一定的工程性，因此成为课程的难点。
该部分也是声纳工作环境中声传播规律研究的基础，是声纳设备的设计和性能预报不可跨越的鸿沟，对后续研究生课程《水声传播原理》的学习将有直接的影响，成为课程的核心内容之一；●声波在目标上的反射和散射。
该模块阐述了水下目标对声波的散射能力（即目标强度），以及目标散射信号的组成及形成机理（即目标回波特性）。
目标强度的大小决定了该目标能否用声纳进行探测。
目标回波特性决定了声纳信号处理中回波特征提取和识别的问题。
复杂目标的声散射极其复杂，因此其计算和特性分析也具有一定难度；●海洋混响。
该模块介绍了混响强度预报的一种基本理论，是理解混响的形成机理、混响的特征、混响抑制的基本方法的基础，具有较强的理论性；●水下噪声。
该模块主要介绍海洋环境噪声、舰船自噪声和辐射噪声的噪声源和噪声谱，以及描述噪声强弱的谱级和噪声级；●课程的理论体系如下图所示。
水声学-声波在目标上的反射和散射4
3
0、第五章小结 、
深海负梯度 声线的特点与极限声线 几何作用距离的概念 深海负跃层 概念 对声传播的影响 均匀浅海声场 传播损失与距离的关系（ 中等 远距离） 中等/远距离 传播损失与距离的关系（近/中等 远距离） 虚源法
College of Underwater Acoustic Engineering HEU 7
一、目标强度
目标强度概念 目标的声中心：假想的点，可位于目标的内部或外部， 目标的声中心：假想的点，可位于目标的内部或外部， 回声由该点发出。 回声由该点发出。 收发分置（bistatic）： ）：回声强度是入射方向和回声方 收发分置（bistatic）：回声强度是入射方向和回声方 向的函数。 向的函数。 收发合置（monostatic）： ）：回声强度仅是入射方向的函 收发合置（monostatic）：回声强度仅是入射方向的函 数，即为反向反射或反向散射。 即为反向反射或反向散射。 提示：多数声呐为收发合置型的， 提示：多数声呐为收发合置型的，本章主要讨论反向反射 情况下的目标回声问题。 情况下的目标回声问题。 问题：水下目标的目标强度是大于零还是小于零？ 问题：水下目标的目标强度是大于零还是小于零？
二、常见声呐目标的目标强度 常见声呐目标的目标强度
潜艇的目标强度 随方位的变化 在艇的舷侧正横方向上，目标强度值最大， 25dB， 在艇的舷侧正横方向上，目标强度值最大，达25dB， 镜反射引起 系由艇壳的镜反射引起； 系由艇壳的镜反射引起； 在艇首和艇尾方向，目标强度最小， 10～15dB， 在艇首和艇尾方向，目标强度最小，约10～15dB， 系由艇壳和尾流的遮蔽效应引起； 遮蔽效应引起 系由艇壳和尾流的遮蔽效应引起； 在艇首和艇尾20度附近，比相邻区域高出1 3dB， 20度附近 在艇首和艇尾20度附近，比相邻区域高出1～3dB， 内反射产生 可能是由潜艇的舱室结构的内反射产生； 可能是由潜艇的舱室结构的内反射产生； 在其它方向上呈圆形， 在其它方向上呈圆形，系由潜艇的复杂结构以及附 属物产生散射的多种叠加。 散射的多种叠加 属物产生散射的多种叠加。
第3章 海洋中的声传播理论
2
2
3.2 波动声学基础
（3）函数Rn(r) 由零阶贝塞尔方程，可得 Rn r 的解：
Rn r jZ n z0 H 0 n r
2
2 2 j sin k zn z0 H 0 n r H
水声学
第3章 海洋中的声传播理论
①平面波情况
x =f t c
水声学
1 0 x c t
第3章 海洋中的声传播理论
jk 0 x
15
3.1 波动方程和定解条件
②柱面波情况
lim r jk 0 r r
③球面波情况
注意负号的物理含义。
水声学 第3章 海洋中的声传播理论 13
3.1 波动方程和定解条件
④边界上密度或声速有限间断
边界上压力和法向质点振速连续：
p s0 p s0
1 p 1 p n n s 0 s 0
若压力不连续，压力突变或质量加速度趋于无穷；
水声学
第3章 海洋中的声传播理论
24
3.2 波动声学基础
（1）波动方程
d 2 Rn 1 dRn d 2 Zn 2 2 Zn 2 Rn 2 k0 Z n r z z0 r dr r n dz dr
——第二类非齐次边界条件
水声学 第3章 海洋中的声传播理论 12
3.1 波动方程和定解条件
③混合边界条件：声压和振速线性组合
p a bp f s n s
——若a和b为常数，则为第三类边界条件 若 f s 0 ，则为阻抗边界条件： p Z un
水声学教学设计方案
案例分析教学方法
选取典型案例：选择具有代表 性的水声学案例进行分析
分析案例：对案例进行深入分 析，挖掘其中的原理和规律
归纳总结：总结案例中的知识 点和技能，形成教学要点
实践操作：让学生通过实践操 作，掌握案例中的知识和技能
实验教学与项目实践教学方法
学生学习成果评估方法
实验：通过实验操作评估学 生的实践能力和创新思维
考试：通过笔试、口试等方 式评估学生对水声学知识的 掌握程度
作业：通过作业完成情况评 估学生的学习态度和自主学
习能力
课堂表现：通过课堂参与度、 提问和回答问题等评估学生
的课堂表现和互动能力
教师教学质量评估方法
学生满意度调查： 通过问卷调查等 方式了解学生对 教师教学质量的 评价
水声学在军事领域的应用 水声学在环境保护领域的应用 水声学在资源勘探领域的应用
水声学在医疗领域的应用 水声学在深海探索领域的应用 水声学在智能水下机器人领域的应用
水声学教学方法
理论教学与实践教学相结合
理论教学：讲解水声学的基本概念、原理和理论
实践教学：通过实验、案例分析和项目设计等方式，让学生动手操作，加 深对理论知识的理解 结合实际：将水声学知识与实际应用相结合，让学生了解水声学在各个领 域的应用
教学质量保障措施
定期进行教学评 估，了解学生的 学习情况
建立有效的反馈 机制，及时调整 教学计划
加强教师培训， 提高教师的教学 能力和水平
引入先进的教学 设备和技术，提 高教学质量
THANK YOU
汇报人：XX
汇报时间：20XX/XX/XX
YOUR LOGO
实验与实践：通 过实验与实践， 让学生亲身体验 水声学的原理和 应用
《水声学》课程教学大纲
《水声学》课程教学大纲一、课程基本信息课程编号：0905105课程中文名称：水声学课程英文名称：Underwater acoustics课程性质：专业主干课考核方式：考试开课专业：电子信息工程（水声）开课学期：5总学时：32 （其中理论32学时，实验0学时，上机0学时，其它0学时）总学分：2二、课程目的通过讲述声纳方程、海洋声传播特性、目标反射和散射、海洋混响和水下噪声等内容，使学生了解水声工程设计的基本方法、声纳设备正确使用以及水声学的最新发展动态，掌握声波在海水中传播时的基本现象和规律以及对声呐设备的影响，具有解决简单的水声工程实际问题的能力。
三、教学基本要求（含素质教育与创新能力培养的要求）1、掌握主、被动声纳方程，声纳参数物理意义，回声级、噪声级和混响级与距离的关系；了解水声学发展简史和应用。
2、掌握海洋中声速、声速结构、声吸收和扩展规律；了解海底和海面有关基本理论。
3、掌握射线声学的基本方程和应用条件，声强度和聚焦因子等概念；会绘制在不同类型声速分布下的声线轨迹，并能够计算声线传播距离和传播时间。
4、熟悉声波在表面声道、深海声道和浅海声道传播的基本规律；掌握反转深度、跨度、焦散线（面）和会聚区等基本概念；了解声传播的传播损失；运用声传播理论解释简单的声传播现象。
5、掌握目标强度概念和声纳目标强度特点，回声信号的组成和特征；了解目标强度测量方法，刚性物体和弹性物体的回声信号的特点。
6、掌握散射强度、等效平面波的混响级概念，体积混响理论和界面混响理论；了解混响的统计特性；混响预报和计算。
7、掌握深海环境噪声源、噪声谱、噪声指向性，舰艇辐射噪声和自噪声的源和特征；了解舰艇辐射噪声和自噪声的测量方法；学会计算舰艇辐射噪声级和自噪声级。
8、掌握噪声和混响背景下的信号检测方法及声纳方程的应用。
四、教学内容与学时分配第一章绪论（4学时）水声学发展简史及应用；声纳及声纳工作方式；声呐参数及其物理意义（重点）；主动声呐方程和被动声呐方程；声呐方程的应用及其限制。
《水声换能器》课程教学大纲
水声换能器Underwater Acoustical Transducer一、课程基本情况课程类别：专业方向选修课课程学分：3学分课程总学时：48 学时，其中讲课：48学时。
课程性质：选修，需同时选修“水声测量技术”开课学期：第5学期先修课程：水声学基础适用专业：海洋技术专业本科生教材：水声换能器原理，路德明，青岛海洋大学出版社，第一版，2009o开课单位：海洋科学学院海洋技术专业二、课程性质、教学目标和任务(-)课程性质：专业方向选修课(-)教学目标水声换能器是水声设备的主要原器件之一，本课程主要讲授压电水声换能器及其组成的基阵的工作原理和基本性能。
通过本课程的学习，学生可以明确水声压电换能器在水声应用中的重要地位；理解压电材料以及磁致伸缩材料的物理性质；掌握描述换能器性能的儿个重要指标；掌握几种常用换能器的结构、分析设计方法和工作原理；明确换能器和基阵的方向特性及其改善方法。
通过该课程的学习，为本专业学生更好的从事水声技术研究奠定基础。
(三)教学任务本课程是针对海洋技术专业高年级本科生开设的一门选修课，要求具备一定的传感器、声学和海洋学方面的专业知识的学生选修。
教学内容密切结合其它专业课的学习，如声学基础、数学物理方法、水声学原理.、水声专业实验等，突出本课程的重点，保证本课程教学的流畅以及结构的完整，注重理论与实践相结合。
三、教学内容和要求(一)总论学时数：4,其中课时4,实验0。
1、主要内容：水声换能器的开展历史、研究意义、分类、分析设计方法和主要性能指标。
2、教学要求：掌握换能器的分析设计方法和主要性能指标，理解水声换能器的开展历史、及其开展趋势、换能器的分类等。
3、重点、难点：4、其它教学环节：讨论水声换能器在军事和民事上的应用及开展趋势。
（二）第一章：压电材料的物理性质学时数：6,其中课时4,实验4。
1、主要内容：压电材料的介电性、弹性性质和压电性质。
2、教学要求：掌握压电材料的介电性、弹性性质和压电性质。
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
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2章 海洋中声场的基本理论
哈尔滨工程大学
水声学原理
14
硕士学位课程
2.1 海洋中声场的射线理论
• 三维折射
– 当介质的折射率是三维坐标的函数时，声线将不能保 持在同一个平面内。
– 在海洋声学中，当分析内波对声场的影响时将会遇到 三维折射的情形。
– 在研究距离有关（Range-dependent）海洋中声波远 距离传播时也会遇到相同情况。
哈尔滨工程大学
水声学原理
26
硕士学位课程
2.1 海洋中声场的射线理论
• 海洋声层析（Ocean Acoustic Tomography）
– 海洋的变化特性对海洋气候、地球的天气都有显著的 影响，显著改变了声场的层状结构、导致了声信号的 起伏、扰动了声线路径。
– 从调查船和卫星获取的水团特征信息也是非常丰富的， 但尽管如此，这对实际生产来说还不够充分，因为目 前所获取的信息仍然只是海面和海面表层的信息。
(2A • W
A 2W
)
k
2 0
A[n 2
(W )2 ]
0
– 当声波频率足够高时，由上式可得程函方程和输运方 程（transport equation）
(W )2 n2
2A • W A2W 0
哈尔滨工程大学
水声学原理
16
硕士学位课程
2.1 海洋中声场的射线理论
• 三维折射
– 程函方程：
• 定义了声线几何坐标，声线垂直于等相位面
– 从某个距离开始，c 将超过海底的声速，在这种情况下，
声线将在海底发生反射。在远距离声传播中，由于这
种声线在海底的多次反射导致了较大的总声功率损失
哈尔滨工程或大者学 高吸收海底情况1 海洋中声场的射线理论
水声学原理课程教学大纲
水声学原理课程教学大纲课程代码：74120040课程中文名称：水声学原理课程英文名称：Theory of Underwater Acoustics学分：2.5 周学时：2.0-1.0面向对象：预修要求：一、课程介绍（一）中文简介本课程主要涉及三个方面的内容：一、声波传播理论：声波的亥姆霍茨方程，在各向同性介质和分层介质中的波动方程的平面波解的结构。
二、波数积分技术，通过波数积分还原波场。
三、水声信号处理技术，即声波阵列信号处理技术，根据接收信号估计声波到达角度，主要包括Capon波束成形、最小方差无失真波束成形等方法。
（二）英文简介This course is a degree program for undergraduate students of Zhejiang University. It include three parts: a)Wave propagation theory, including the solution of a point source in unbounded medium. b) Wavenumber integration techniques, which is used to solve the solution of wave equation in homogeneous solution. c) Signal processing methods in acoustic fields, including direction of arrival angle estimation.The Methods of discussion and examples will be used in this course, and the fundamental methods will be emphasized.二、教学目标(一)学习目标本课程重点介绍水声物理的基础知识，为后续的专业课程学习、开展水声研究或毕业后从事相关工作打下基础。
水声学第六章-声波在目标上的反射和散射
2024/3/9
15
常见声纳目标的目标强度的一般特征
潜艇的目标强度 随方位的变化 潜艇目标强度与方位角关系曲线呈“蝴蝶形”图 形。
潜艇目标 强度随方 位的变化
2024/3/9
16
常见声纳目标的目标强度的一般特征
潜艇的目标强度 随方位的变化 1）在艇的舷侧正横方向上，目标强度值最大，达 25dB，系由艇壳的镜反射引起； 2）在艇首和艇尾方向，目标强度最小，约10～15dB， 系由艇壳和尾流的遮蔽效应引起； 3）在艇首和艇尾20度附近，比相邻区域高出1～3dB， 可能是由潜艇的舱室结构的内反射产生； 4）在其它方向上呈圆形，系由潜艇的复杂结构以及 附属物产生散射的多种叠加。
提示：为了要得到稳定的测量结果，测量应在远 场进行，即测量距离 r L2 λ 。
2024/3/9
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常见声纳目标的目标强度的一般特征
潜艇的目标强度 随脉冲宽度的变化
t B
t2
A
t
t1
设入射波脉冲长度为 ，若物体表面上A点和B点 所产生的回声在脉冲宽度 内被同时接收到，则有：
BD c 2
深海负梯度
声线的特点与极限声线 几何作用距离的概念
深海负跃层
概念 对声传播的影响
均匀浅海声场
传播损失与距离的关系（近/中等/远距离） 虚源表示的基本思想
2024/3/9
3
本章主要内容
目标强度（重点）
目标强度概念 刚性大球的目标强度
常见声纳目标的目标强度的一般特征（重点）
潜艇的目标强度 鱼雷和水雷的目标强度 鱼的目标强度
2024/3/9
4
本章主要内容
目标强度的实验测量（重点）
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
哈工程＜＜水声学＞＞教案
哈尔滨工程大学校级精品课程《水声学》2005~2006学年第一学期教案水声工程学院编2005年12月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。
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《水声学》课程教学大纲
一、课程基本信息
课程编号：0905105
课程中文名称：水声学
课程英文名称：Underwater acoustics
课程性质：专业主干课
考核方式：考试
开课专业：电子信息工程（水声）
开课学期：5
总学时：32 （其中理论32学时，实验0学时，上机0学时，其它0学时）
总学分：2
二、课程目的
通过讲述声纳方程、海洋声传播特性、目标反射和散射、海洋混响和水下噪声等内容，使学生了解水声工程设计的基本方法、声纳设备正确使用以及水声学的最新发展动态，掌握声波在海水中传播时的基本现象和规律以及对声呐设备的影响，具有解决简单的水声工程实际问题的能力。
三、教学基本要求（含素质教育与创新能力培养的要求）
1、掌握主、被动声纳方程，声纳参数物理意义，回声级、噪声级和混响级与距离的关系；了解水声学发展简史和应用。
2、掌握海洋中声速、声速结构、声吸收和扩展规律；了解海底和海面有关基本理论。
3、掌握射线声学的基本方程和应用条件，声强度和聚焦因子等概念；会绘制在不同类型声速分布下的声线轨迹，并能够计算声线传播距离和传播时间。
4、熟悉声波在表面声道、深海声道和浅海声道传播的基本规律；掌握反转深度、跨度、焦散线（面）和会聚区等基本概念；了解声传播的传播损失；运用声传播理论解释简单的声传播现象。
5、掌握目标强度概念和声纳目标强度特点，回声信号的组成和特征；了解目标强度测
量方法，刚性物体和弹性物体的回声信号的特点。
6、掌握散射强度、等效平面波的混响级概念，体积混响理论和界面混响理论；了解混响的统计特性；混响预报和计算。
7、掌握深海环境噪声源、噪声谱、噪声指向性，舰艇辐射噪声和自噪声的源和特征；了解舰艇辐射噪声和自噪声的测量方法；学会计算舰艇辐射噪声级和自噪声级。
8、掌握噪声和混响背景下的信号检测方法及声纳方程的应用。
四、教学内容与学时分配
第一章绪论（4学时）
水声学发展简史及应用；声纳及声纳工作方式；声呐参数及其物理意义（重点）；主动声呐方程和被动声呐方程；声呐方程的应用及其限制。
第二章海洋声学特性（2学时）
海水中的声速；海水中的声吸收；海底声学特性及对声传播的影响；海面声学特性及对声传播的影响。
第三章海洋中的声传播理论（5学时）（重点、难点）
波动声学基础，波动方程，定解条件，硬地均匀浅海声场建模；射线声学的基本方程和应用条件；分层介质中的射线声学：声线弯曲、声线轨迹、声强度和聚焦因子。
第四章典型传播条件下的声场（5学时）（重点）
表面声道中的声传播特性；深海声道中的声传播特性；浅海声传播特性。
第五章声波在目标上的反射和散射（4学时）（重点、难点）
目标强度的定义及物理意义；常见声呐目标的目标强度及一般特征；目标强度的实验测量方法；目标回波信号组成及特征；刚性、弹性球体散射特性；亥姆霍茨积分方法求解散射声场。
第六章海洋中的混响（4学时）（重点、难点）
海洋混响基本概念及其特性；体积混响及其特性；海面混响及其特性；海底混响及其特性；混响统计特性和混响预报。
第七章水下噪声（4学时）
噪声基本概念（重点）；海洋环境噪声；舰船、潜艇、鱼雷的辐射噪声；舰船、潜艇和
鱼雷的自噪声；舰船噪声控制简介。
第八章噪声和混响背景下信号的检测（4学时）
检测阈的定义、能量检测器；阈值概念、检测概率和虚警概率；接收机工作特性曲线；检测指数、检测置信级；信号完全已知和未知情况下的信号检测；不同情况和不同处理器下的检测阈。
被动系统窄带检测；被动系统宽带检测；主动系统检测；声纳方程应用：主被动探潜、扫雷和探雷。
五、教学方法及手段（含现代化教学手段及研究性教学方法）
教师采取课堂讲授与多媒体教学相结合教学模式，学生采取课堂讨论（习题课）与网络在线学习相结合学习模式。
六、上机实验内容
无
七、先修课程
微积分A、数理方程、振动与声基础、随机信号分析等课程。
八、教材及主要参考资料
教材：刘伯胜、孟家煜，水声学原理[M]，哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，1997.
主要参考资料：
[1] R. J. 尤立克著，洪申译，水声原理[M]，哈尔滨：哈尔滨船舶工程学院出版社，
1989.
[2] 汪德昭、尚尔昌，水声学[M]，北京：科学出版社，1979.
[3]何祚镛.声学理论[M],国防工业出版社，1981.
[4]噪声中的信号检测[M], 电子工业出版社,2006.
九、课程考试方式
闭卷考试。
撰写人签字：院（系）教学院长（主任）签字：。