水下光击穿所激发的声场的方向特性
激光致声水中辐射声场的方向性研究
Ｓ ｕ ｄ Ｒａ ｉｔｎ ｅｄ ｎ Ｗ ａ ｅ ｏ ｎ ｄ ａ ｉ ｇ Ｆｉｌ ｉ ｔｒ
ＹＵ ｎ ＷＡＮＧ ｉｎ －ｎ，Ｉ Ｙａ ｇ， Ｊａ ｇ ａ ＪＡＮＧ Ｘｉｇｚ ｏ ｎ －ｈ ｕ
（ ｅａｍ ｎｏ Ｗ ａｏ ｎｉ ｅｎ ，ａＭＵ ｉ ｒｔｏ Ｅｇ ｅ ｉ ， ｕａ ３０３Ｃ ｉ ） Ｄ ｐｒ ｅｔｆ ｅｐｎ ｇ ｅｒｇＮｖ ｎ ｅ ｉ ｎｉ ｅｎ Ｗ ｈｎ ０３ ，ｈ ａ ｔ Ｅ ｎ ｉ ｖ ｓｙ ｆ ｎ ｒ ｇ ４ ｎ
水中激光致声 的机理有多种 ， 被极化 的水在光 激发下产生 电致伸缩 、 水吸收光能而发生的热膨胀
结果与实验结果有一定差异 ， 只有当 ｋ ， ｌ ， ｒｃ 时 脉 ｏｚ
冲球源 才可 以被 当作 点 源处 理 （０ 球 源半 径 ； ｒ是
作者简介 ： 扬 （ ９ ２一） 男 ， 士研究 生， 余 １８ ， 硕 研究方 向是 军用 目 标探测与制导技术。Ｅ ｍ ｒ ｙｙｎｗ ｒｉ ＠１３ ｃ — ａ ： ａｇ ｏ ｎ ６ ．ｏ ｌ ｕ ｋｇ ｍ 收稿 目期 ：０ ６ ）一８； ２ ０ ４５ｌ 修订 目期 ：０６ １—０ ２０ —２１
限性 ， 利用激光致声技术探测是一种新的可行 的探
达到水的介 电击穿阈值 时， 在水 中光柱聚焦的腔体 内会发生光击穿 。如果在腔体 内有微气泡 ， Ｊ 并且
有发光的等离子体， 这些等离子体吸收光能量 ， 使腔 体膨胀产生声波。激 光在水 中产 生声波 ， 压幅 其声 测手段 ， 这是由激光在水 中激发 的声脉冲在时间和 空间上都具有极高分辨率 的优点所决定 的， 而且激 值和介质的光吸收系数成比例。 在水 中， 击 穿 产 生 声 波 的 转 换 效 率 高 达 光 光致声效率高 ， 激发出的声脉冲频带宽 ， 所用设备体 ０ 则在 积小 ， 适用范围广 ， 因此激光致声技术具有重要的工 ３ ％。如能得到其产 生声波 的辐射声场分布， ｊ ４ 给出了一 程应用背景 】 。本文正是通过对激 光致声水 中辐 实际应用 中有着重要 的意义 。文献 ［ ］ 光击穿模 型）是在一条线段上均匀分 ， 射声场的方向性进行研究 。 为今后这一技术在军事 个理论模型（ 布着多个脉冲点源 ， 利用它从理论 和实验两方面研 领域的应用建立一定的理论基础 。 究了水中光击穿所激发的辐射声场的方向特性。但 ２ 水 中光击穿激发声波的机理
海洋中的声光现象
1914朗之万、康斯坦丁制成了静电式发射器和碳粒微音接收器，1918年采用这 一装置测到海底和200m深甲板上的回波。同时又用石英晶体做成压电式发射器 和接收器并采用真空管放大器，制成第一台回声定位仪，以后简称:声纳 （sonar: sound navigation and ranging)声导航和回声定位的英文缩写。
1.4、声波在海洋中的传播(Transmission of sound in sea)
典型水位条件下的声传播 波导型： 波导型： (dc/dz)>0，即声速随深度增加 ， 而增大，声线向上弯曲， 而增大，声线向上弯曲，在海面 或某层反射向前传播， 或某层反射向前传播，不存在海 底的吸收和散射， 底的吸收和散射，声能传播距离 远。多见于冬季浅海和深海 2000m以下。 在浅海亦称表面声 以下。 以下 道。声呐在浅海冬季比夏季传播 远。 反波导型： 反波导型： (dc/dz)<0，声线弯向海底，由 ，声线弯向海底， 于海底对声波的吸收和散射， 于海底对声波的吸收和散射，经 海底反射回来的声能减弱， 海底反射回来的声能减弱，且存 在声阴影区。 在声阴影区。声传播距离受到限 夏季浅海的“午后效应” 制。夏季浅海的“午后效应”。
二、声速c与海水中温、盐和压的关系 温
• 在海洋中，由公式(10－9)所给出的 ，ρ，βt等物理量与海水的温度、 在海洋中，由公式 － 所给出的 所给出的γ， ， 等物理量与海水的温度 等物理量与海水的温度、 盐度和压力有关。所以， 盐度和压力有关。所以，c=c(s,t,p), ρ=ρ(s,t,p), • 在海洋中，平均而言： 在海洋中，平均而言：
1.3 海洋声学特性(Acoustic character of ocean)
1、海水的声吸收(acoustic absorption)： 、海水的声吸收 ： 将声能变为不可逆的海水分子内能流体介质存 在粘滞性与导热性， 在粘滞性与导热性，介质因压缩变形而引起声能 耗散为机械能耗散。动态压缩时， 耗散为机械能耗散。动态压缩时，分子间的非弹 性碰撞使部分声能转变为热能， 性碰撞使部分声能转变为热能，通常称这部分声 吸收为由分子过程引起的声吸收。 吸收为由分子过程引起的声吸收 2、海面波浪的声散射(acoustic scatter)： 、海面波浪的声散射 ： 因不平整性、气泡和浮游生物的散射， 因不平整性、气泡和浮游生物的散射，声能弥 散到其他方向而损失。 散到其他方向而损失。
声波在水中的反射和折射规律是什么
声波在水中的反射和折射规律是什么当我们谈及声波在水中的传播时，反射和折射现象是两个至关重要的方面。
它们不仅影响着声波在水下环境中的传播路径和能量分布，还在众多领域，如海洋声学、声纳技术以及水下通信等方面有着广泛的应用。
首先，让我们来理解一下声波在水中反射的规律。
当声波遇到一个界面，比如从水到空气的界面，或者从一种水体到另一种具有不同声学特性的水体的界面时，一部分声波会被反射回来。
就好像你朝着一面墙大声呼喊，会听到回声一样。
反射的程度取决于两个关键因素。
一是界面两侧介质的声学阻抗差异。
声学阻抗可以简单理解为介质密度和声波在其中传播速度的乘积。
如果两种介质的声学阻抗相差越大，反射就越强；反之，反射则较弱。
比如说，水和空气的声学阻抗差异很大，所以当声波从水中传播到空气中时，绝大部分声波都会被反射回来。
二是入射角度。
当声波以垂直的角度入射到界面时，反射波的强度最大。
而随着入射角度的增大，反射波的强度会逐渐减小。
这就好比你把一个球直直地扔向墙壁，它会弹回来得很有力；但如果你斜着扔过去，弹回来的力量就会相对较小。
声波在水中的折射规律同样有趣且重要。
折射是指声波在穿过不同介质或者在同一种介质但具有不同物理特性的区域时，传播方向发生改变的现象。
想象一下，声波从一种较浅、温度较低的水域传播到较深、温度较高的水域。
由于温度和深度的变化会导致水的声学特性发生改变，比如声速不同，声波的传播方向就会发生弯曲。
折射的程度主要取决于两种介质中声速的差异。
如果声波从声速较慢的介质进入声速较快的介质，声波会向远离法线的方向折射；反之，如果从声速较快的介质进入声速较慢的介质，声波则会向靠近法线的方向折射。
在实际的水下环境中，声波的折射现象非常复杂。
水的温度、盐度、压力等因素都会影响声速，从而导致声波的折射路径变得曲折多变。
例如，在海洋中，由于温度和盐度的分层，声波可能会沿着复杂的路径传播，形成所谓的“声道”现象。
在声道中，声波能够传播很远的距离而能量损失相对较小，这对于水下通信和海洋声学研究具有重要意义。
激光在液体中的声效应研究
第36卷 第8期 激光与红外Vol.36,No.8 2006年8月 LASER & I N FRARE D August,2006 文章编号:100125078(2006)0820623204激光在液体中的声效应研究陈清明1,2,程祖海1(1.华中科技大学光电国家实验室,湖北武汉430074; 2.武汉理工大学理学院,湖北武汉430070)摘 要:以研究液体中激光声波的特点与应用为目的,从理论上分析脉冲激光在液体中产生的声波的波阵面、光声脉冲波形的特点,并用实验的方法观察脉冲CO2激光光声脉冲的波形、频谱特性及光击穿现象。
结果表明光声波的波阵面与吸收激光能量的媒质的形状有关;光声波的波形随激发机制而变化;CO2脉冲激光在水中通过热膨胀机制激发的声波能量主要分布在100kHz以下,光击穿时水面可以观察到微爆炸和亮光现象。
可以通过液体中光声效应现象和光声信号波形的变化判断其激发机制,并确定液体的汽化与光击穿阈值,控制激发过程以获得确定特性的光声信号。
关键词:光声效应;激发机制;光声信号波形;光声信号频谱;光击穿现象中图分类号:O437 文献标识码:AResearch of Laser Acousti c Effect i n L i qui dCHEN Q ing2m ing1,2,CHENG Zu2hai1(1.Nati onal Laborat ory f or op t oelectr onics,Huazhong University of Science and Technol ogy,W uhan430074;2.School of Science,W uhan University of Science and Technol ogy,W uhan430070,China)Abstract:To get the characteristics and app licati ons of laser acoustic effect in liquid,the shape of the wave fr ont andwavefor m were analyzed theoretically,and laser acoustic effect induced by pulsed C O2laser was acquired experi m en2tally.The results showed that acoustic wave fr ont was decided by the shape of the mediu m abs orbed the laser energy;the wavef or m of the laser acoustics changed with the exciting mechanis m;frequency s pectru m of acoustic wave in2duced by CO2laser in water showed that acoustic energy distributed under100kHz mainly,and lighting and m icr o2ex2p l oding were observed when op tics breakdown t ook p lace.I n conclusi on,exciting mechanis m s of s ound and thresholdsof liquid could be judged fr om the experi m ental phenomenon;s pecified laser acoustic signal could be gotten by con2tr olling the exciting p r ocess and conditi on.Key words:phot oacoustic effect;exciting mechanis m;wavef or m of laser acoustics;frequency s pectru m of laser a2coustics;op tics breakdown1 引 言强度调制或脉冲激光投射到媒质中,媒质吸收激光能量而激发出声波的效应称为光声效应。
海底声学特性
海底声学特性海底对从海水入射的声波的反射和散射海底声学特性，海底对从海水入射的声波的反射和散射，以及声波在海底沉积物中的传播速度和衰减等特性。
中文名：海底声学特性本质：声音在传播介质中的不同相关概念：声波传播速度和衰减分类：低声速海底，高声速海底介绍海底对声波在海中的传播，特别是对声波在浅海中的传播影响很大。
声波在海底沉积物中的传播速度，通常与频率没有明显的关系。
在平均粒径极小而孔隙率很大的稀薄沉积物中的声速，接近或低于海水中的声速。
在较密实的沉积物中的声速，随粒径的增加和孔隙率的减小而单调增加，且大于海水中的声速。
在固化程度较高的沉积层中，声波除纵波外，还有横波传播。
海底沉积物中的声衰减,主要由沉积物的粘滞性和摩擦产生,与沉积物的粒径和孔隙率也有关系。
在海底沉积物中，细砂、砂质粉砂和粉砂质砂的声衰减最大。
在同一沉积物中，声衰减随声波频率的增加而增加，在某个频率范围内，这种增加近似于线性关系。
海底的声反射和散射，主要和沉积物的分层结构有关，也与海底表面的粗糙程度有关。
若海底表层中的声速底于其上海水中的声速,这种海底称为低声速海底;反之，则称为高声速海底。
一般说来，前者的反射本领低于后者。
海底的声反射损失，一般随声波频率的增加而增加，它和声波入射角的关系与海底类型有关，对于低声速海底，有一个全透射角，声波在此角度下入射，多数声能透射入海底；若为高声速海底，则存在一个全反射角。
根据海底的声学特性，可以对海底沉积物进行声遥测分类。
例如，浅地层剖面仪就是利用沉积物各层的声学特性不同而引起的声波反射各异的特点，来测定海底地层的分层结构。
声遥测方法在近代海洋工程如海港和海上钻井采油等工程的地质勘探中，有很重要的作用。
水下声场的动态特性与测量技术
水下声场的动态特性与测量技术水下声场可真是个神秘又有趣的领域！就像一个隐藏在深海中的秘密世界。
想象一下，你潜入深深的海底，周围是一片寂静，但其实隐藏着无数的声音波动。
水下声场就像是这个隐藏世界的语言，它有着自己独特的动态特性，就像人的喜怒哀乐一样多变。
咱们先来说说水下声场的动态特性。
它可不是一成不变的哦，就像小孩子的心情，一会儿开心，一会儿又闹脾气。
比如说，在不同的深度，声音传播的速度和衰减程度都不一样。
浅水区和深水区就像是两个不同的“声音王国”。
在浅水区，声音可能传播得比较快，就像在平坦的大道上奔跑的汽车；而到了深水区，声音就像是遇到了曲折的山路，传播速度变慢，衰减也更厉害。
还有啊，不同频率的声音在水下的表现也大不相同。
低频声音就像个沉稳的长者，能传播得更远；高频声音则像个调皮的孩子，跑不了多远就累得没劲儿了。
这就好像在学校里，有的同学擅长长跑，能坚持很久；而有的同学短跑厉害，但耐力不足。
再说说水下环境的影响。
水温的变化就像是个爱捣乱的小鬼，一会儿让声音跑得快，一会儿又把声音拖住。
海底的地形也是个重要因素，比如遇到陡峭的悬崖或者平坦的海底平原，声音的传播都会受到影响。
这就好比我们在爬山的时候，声音在陡峭的地方容易被挡住，在平坦的地方就能传得更远。
那怎么测量水下声场呢？这可不是个简单的活儿。
就像我们要测量一个调皮孩子的行踪一样，得有巧妙的办法。
一种常见的方法是用水听器。
这东西就像是水下的“耳朵”，专门捕捉声音的信号。
不过，选择合适的水听器可不容易，就像选一双合脚的鞋子，得考虑它的灵敏度、频率响应等好多因素。
有时候，为了更准确地测量，还得把好多水听器组成一个阵列，就像一群小伙伴手拉手一起工作。
还有一种方法是利用声学模型。
这就像是给水下声场画一幅地图，通过各种数学公式和计算，来预测声音的传播和变化。
但这可不像在纸上画画那么简单，需要对海洋环境有非常深入的了解，不然画出来的“地图”可就不准啦。
我记得有一次，我跟着一个科研团队去海边做水下声场的测量实验。
水下光击穿所激发的脉冲声波
水下光击穿所激发的脉冲声波
王国宇;戚诒让
【期刊名称】《海洋技术》
【年(卷),期】1989(008)003
【摘要】本文研究了水下光击穿时所激发的声脉冲在低频段的频谱、频谱曲线在60kHz附近有一个明显的峰,给出了一个频谱的表达式,它与实验结果吻合较好。
【总页数】6页(P39-44)
【作者】王国宇;戚诒让
【作者单位】不详;不详
【正文语种】中文
【中图分类】O427.2
【相关文献】
1.加压去离子水短脉冲击穿特性的初步研究 [J], 贾伟;邱爱慈;孙凤举;郭建明
2.直流电致发光器件在脉冲电压激发下光电特性的测量 [J], 陈连春;郑著宏
3.脉冲激光在液体中激发的声波特性研究 [J], 陈清明
4.百纳秒脉冲下水压对水开关击穿特性的影响 [J], 贾伟;邱爱慈;孙凤举;郭建民
5.正弦脉冲激光激发声波的热膨胀机制理论 [J], 李秋实;罗洪;胡永明;倪明
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2.1.3海洋的声学特性 - 海洋的声学特性
第2章 海洋的声学特性第二讲 海底和海面的声学特性2.3 海底海底结构、地形和沉积层是影响声波传播的重要因素，它对声波的吸收、散射和反射等声学特性，关系到水声设备作用距离底远近。
实验研究表明，海底声波反射系数与海底地形有明显的依赖关系。
对于高于几千赫频率的声波，海底粗糙度是影响声波反射的主要作用。
右图给出不同频率，深海平原的反向散射强度与入射角的关系。
反向散射强度s m ：单位界面上单位立体角中所散射出去的功率与入射波强度之比。
注意：朝声源方向上的声散射。
规律：✧在小入射角θ时，散射强度随θ的减小而增加。
✧在入射角 5>θ时，散射强度s m lg 10近似与θ2cos 成正比。
✧在小入射角时，散射强度一般与频率无关；✧在大入射角时，散射强度可能与频率的四次方乘正比。
右图为非常粗糙海底上的反向散射强度与入射角的关系：✧反向散射强度基本上与入射角和频率无关。
1、海底沉积层海底沉积层：覆盖海底之上的一层非凝固态（处于液态和固态之间）的物质。
下面介绍海底沉积层的物理性质：沉积物密度（质饱和容积密度）等于：()sw n n ρρρ-+=1式中，孔隙度n 是指沉积物体积中含有水分体积的百分数；w ρ为孔隙水密度，也可认为与海底的海水密度相等，取3/024.1cm g w =ρ；s ρ为无机物固体密度。
孔隙度n 大小有许多因素决定，如无机物的大小、形状和分布，矿物成分，沉积物构造和固体颗粒的紧密程度等。
常识：深海平原和丘陵，粉砂粘土是主要沉积物类型，深海平原3/333.1cm g ≈ρ，深海丘陵3/344.1cm g ≈ρ。
沉积层中有压缩波速度（声速）c 和切变波速度s c 两种：ρG E c 34+= ρG c s =式中，E 和G 为沉积层的弹性模量和刚性（切变）模量。
孔隙度是可以测量和计算的量，因此可以预报声速值。
ρ与n 呈线性关系，因此声速和ρ之间关系与声速和n 之间关系相同。
Hamilton 给出三种不同类型沉积物的声速、密度和孔隙度的实验值。
华北理工水声学课件02海洋的声学特性-2海底海面声学特性和海洋内部不均匀性
描述：流体流经固体表面或是流体内部出现的一种 不规则运动。它是一种随机运动的旋转流。
它形成海水中温度和盐度的细微结构变化，引起声 速的微结构变化。
内波
描述：两种不同密度液体在其叠合界面上所产生的 波动。
波长可达几十公里到几百公里，波高从10米到100 米。
对低频、远距离的声传播信号有重大影响。
12
注意：实际海底存在吸收，可将海底声速视为复数，此 时不会发生全内反射。按照书上的方法计算：
ln
V
1 2
ln VV*
1 2
V
/ V * V
V2
V *
/
Re
V
V
/ V
2
*
又
V
2imcos cos2 n2 sin2 / msin2 i cos2 n2
cos2 n2
2
13
令：
1 n2 M1 iM2
V
V*
0
2imM1 iM2
M1 iM2 2
Q
Re
V
V
/
2
V
*
2mM2
0
M12
M
2 2
与书上结果：Q
2mM 2
M
2 1
M
2 2
略有不同！
注意：三参数模型可用于分析海洋中声场的平均结构
14
2、海面声学特性
海面波浪
周期性——周期、波长、波 速和波高等量描述其特征；
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海流
描述：海水从一个地方向另一个地方作连续流动的 现象。基本在水平方向上流动，流速较快，呈长带 状。其边缘将海洋分成物理性质差异很大的水团的 锋区，对声波传播影响较大。
深水散射层
激光声遥感实验
海底反射损失
在沙质底的反射损失约为7.7dB. 在泥质底的反射损失约为15.38dB。 在岩石海底，则可能强反射。 激光声脉冲从击水点传到海底的距离r的传输衰 减为波面扩张与吸收损失之和
从海底返回到海面的距离r的传输衰减为
从海面到海底再到海面的衰减为
a为海水吸收系数
激光声遥感实验介绍
An Introduction
实验接受到波形如下：
第一个尖峰脉冲为目标 信号，记录其到达时间 就可以计算出水深
②水下目标的遥感探测
原理：不同物质对水中的声波反射会使得反射波有不同的频率特性。 利用这一 点可以对接收到的反射波进行频谱分析，从而可以检测水底物体的硬 度和类型。
实验装置：
两个外形相同或者类似的物体最后得到的接受波的波形 （频谱等）应该是形同或者类似的。我们将不同形状的 物体放在水中得到不同的接受波，分析的频谱等，记录 物体外形和波的对应对应数据库，当再次接受到某一波 形时，课通过计算机检索同数据库中波对比，当相同或 者相似时可由表得出未知物体的大致形状。
在实验中我们通过对相同物体进行多次测量，记录波并 相互比较来验证这一猜想的正确性，并建立简易的数据 库。 物体的硬度材质等也以类似猜想和实验进行验证。
③水下目标方位距离的实时遥感探测
利用多波束声接收阵和数字多波束信号处理机组成的多波束接收系统， 可以对水下目标进行方位的实时探测。
实验装置如下图放置
吸收损失
声波在海水中传播时，由于海水中粒子对声的散射及 海水粘滞吸收造成衰减，吸收系数公式为
水-空气界面损失
对于接受水下目标信号的激光声遥感技术，水中声脉冲是被水中目标反射折 向水面并穿过水-空气界面，最后到达声接受器的。因此，在穿过水-空气界 面时，还遭到水-空气界面损失，这是由于水和空气的特性阻抗不同，会发 生反射和折射的缘故。
激光致声下行水下声通信的研究
摘要摘要激光致声作为产生水下声波的新方式，具有如频谱分布宽、距离分辨率高、海洋抗干扰能力强等诸多优点。
针对水下声通信特点，本文利用海气信道建立空海水声通信实验模型，将无线光通信与水声通信相结合，依据激光致声机理，研究激光脉冲能量与转换声能量关系，分析水下致声信号谱特征和传输特性，通过激光致声体制的光跳频通信技术，探讨一种以激光声实现空中-水下目标间的信息传输方法。
主要研究的内容如下：从理论上分析了激光致声的三种转换机制，给出不同机制下激光声的数学模型，同时分析了激光声的强度、频谱及指向性，并对激光致声原理及应用技术进行描述。
对大气信道不同波长激光传输特性，水声信道信号传输特性和影响信号传输的诸多因素进行分析，为系统设计和实验提供参考依据。
采用波长1.06µm的Nd:YAG调Q型脉冲激光器、高灵敏度压电水听器建立下行空海水声通信系统室内测试平台，对激光调制、光声信号转换、声信号解调等关键技术进行研究。
对采集的水声信号进行波形时域和频域分析，针对激光声时域特点，提出用于激光声通信平台的基频可调ASK通信帧结构及激光跳频通信方法，完成了用于验证系统的各部分软硬件设计，实现激光致声水下声信号传输实验。
实验测试结果显示，利用激光致声实现的空中-水下目标间的通信方式波形稳定性和通信实时性较好，可满足数字信息的实时有效传送。
空海信道下的激光声通信具有较强的技术优势，是海洋通信的一种新途径。
关键词：水声通信；激光致声；基频可调；激光跳频；下行传输。
ABSTRACTABSTRACTAs a new way of creating the underwater acoustic,laser acoustic has many advantages such as broad spectrum distribution,high range resolution,strong ocean anti-jamming capability.According to the characteristics of underwater acoustic communication,air-sea chanel based underwater acoustic communication experimental model,which combinins the wireless optical communication and the underwater acoustic communication,is established in this paper.Based on the mechanism of laser acoustic,the relationship between the laser pulse energy and the converted acoustic energy is been researched,and the spectrum characteristics and transmission characteristics of underwater acoustic signal is been analyzed.By the laser frequency hopping communication technology based on laser acoustic system,the paper realizes a information transmission method between the air and underwater targets.The major work has been done as follows:The paper theoretically analyses the three kinds of laser acoustic transformation mechanism,gives mathematical model of the laser acoustic under different mechanisms, meanwhile analyses the laser acoustic intensity,spectrum and directivity.Besides,the principle and application of laser acoustic technology is described.Transmission characteristics of different wavelength laser in atmospheric channel and the relationship between transmission attenuation and frequency of acoustic signal in underwater channel is analyzed,which provides reference basis for system design and experiment.The downlink air-sea underwater acoustic communication system indoor test platform is developed by using1.06µm Q switched Nd:YAG pulse laser and high sensitivity of piezoelectric hydrophone.The platform is used for study of those key technologies such as laser modulation technology,photoacoustic signal and acoustic signal demodulation. Considerd the waveform analysis of acquired underwater signal in time domain and frequency domain,and according to the characteristics of laser acoustic in time domain, the fundamental frequency tunable of ASK communication frame structure and the laser frequency hopping communication method is proposed for laser acoustic communications platform.Its hardware and software design of each part which is used to validate the system is completed,the experiment of laser acoustic underwater acoustic signal transmission is realized.The experimental result shows that the implementation of air-sea communication method based on laser acoustic mechanism has advantages of well waveform stability and communication real-time,can meet the real-time and effective transmission of digital ser acoustic communication in the air-sea channel has strong technological advantages,is a new way of sea communication.Keywor ds:underwater acoustic communication;laser acoustic;fundamental frequency tunable;laser frequency hopping;downlink transmission.目录摘要 (I)ABSTRACT (II)第一章绪论 (1)§1.1研究背景 (1)§1.2水下通信的研究现状 (1)§1.2.1传统水声通信的研究现状 (1)§1.2.2激光致声的研究现状 (2)§1.3论文的选题意义及创新点 (3)§1.4论文结构 (4)第二章激光致声理论基础 (6)§2.1激光致声基本类型 (6)§2.1.1热膨胀机制 (6)§2.1.2汽化机制 (7)§2.1.3光击穿机制 (7)§2.2激光致声数学理论 (7)§2.2.1热膨胀机制 (7)§2.2.2汽化机制 (9)§2.2.3光击穿机制 (10)§2.3激光-声转换效率 (10)§2.4海水中的激光声 (11)§2.4.1激光声的强度 (11)§2.4.2激光声的频谱 (11)§2.4.3激光声的指向性 (12)§2.5本章小结 (12)第三章大气光信道及海洋声信道 (13)§3.1大气光信道信号传输特性 (13)§3.1.1大气的光吸收 (13)§3.1.2大气的光散射 (14)§3.1.3大气湍流对激光的影响 (16)§3.1.4其它自然因素对激光传输影响 (16)§3.2海洋中信号传输特性 (17)§3.2.1海水中的声速 (17)§3.2.2海水中的声吸收 (18)§3.2.3海面对声波传输的影响 (19)§3.2.4海底对声波传输的影响 (20)§3.3海洋声信道特性 (21)§3.3.1海洋中的噪声 (21)§3.3.2多途效应 (21)§3.3.3多普勒效应 (22)§3.4本章小结 (23)第四章激光致声通信实验系统设计 (24)§4.1系统主要器件简介 (24)§4.2激光致声下行通信系统的硬件组成 (27)§4.2.1水下声信号采集及信号恢复电路 (27)§4.2.2数字调制电路设计 (30)§4.2.3数字解码电路设计 (31)§4.3激光致声通信系统软件设计 (31)§4.3.1基频可调ASK编码 (32)§4.3.2数字调制电路软件设计 (33)§4.3.3数字解码电路软件设计 (34)§4.4本章小结 (35)第五章系统测试与分析 (36)§5.1激光发射与水声接收电路测试 (36)§5.1.1激光器的脉冲能量测试 (36)§5.1.2光声信号特性测试 (36)§5.1.3数字整形电路测试 (39)§5.1.4数字调制电路测试 (40)§5.1.5数字解码电路测试 (41)§5.2数据传输测试 (42)§5.2.1下行信号传输测试 (42)§5.2.2系统传输误码性能测试 (44)§5.3本章小节 (46)第六章总结与展望 (47)参考文献 (48)致谢 (51)作者在攻读硕士期间的主要研究成果 (52)第一章绪论第一章绪论§1.1研究背景随着信息化社会的到来，社会各领域无论民用还是军用都对通信技术有着越来越高的要求。
22586700_水下低频球面声波的近场与远场散射特性研究
第28卷第5期 水下无人系统学报 Vol.28No.52020年10月JOURNAL OF UNMANNED UNDERSEA SYSTEMS Oct. 2020收稿日期: 2019-06-24; 修回日期: 2019-08-29.基金项目: 国家自然科学基金(11602300).作者简介: 张 健(1996-), 男, 在读硕士, 主要研究方向为水下声学散射.[引用格式] 张健, 周奇郑, 王德石. 水下低频球面声波近场与远场散射特性研究[J]. 水下无人系统学报, 2020, 28(5): 487-495.水下低频球面声波近场与远场散射特性研究张 健, 周奇郑, 王德石(海军工程大学 兵器工程学院, 湖北 武汉, 430033)摘 要: 为研究水下低频声波的散射机理, 推导出了低频球面声波近场与远场散射声压的统一渐近解。
首先, 给出了低频球面声波遇到软、刚性阻抗等球形障碍物散射声压的无穷级数解; 结合低频、近场和远场的假设条件, 合理选取无穷级数解中球Bessel 函数、球Hankel 函数的近似形式, 分别推导出了近场和远场散射声压的渐近解; 在声源距散射体较近的假设条件下, 推导出了近场和远场散射声压的统一渐近解。
以此为基础, 研究了低频球面声波的近场和远场散射特性, 研究表明: 低频球面声波的散射声压可以表示为单极子声源和偶极子源的叠加, 推导出的统一渐近解与经典解在低频条件下能够保持一致; 声源距障碍物较近、接收点距声源或障碍物较远时, 软球体的回声强度为圆形, 而刚性球体和阻抗球的回声强度为葫芦形; 声源距障碍物较远、接收点距声源较近时, 回声强度与其形状有关。
研究结果可为水下目标的低频探测、低频声波散射的控制提供理论参考。
关键词: 水下目标; 低频声波; 球形障碍; 渐近解; 散射特性中图分类号: TJ63034; TB566 文献标识码: A 文章编号: 2096-3920(2020)05-0487-09 DOI: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.05.003Near-field and Far-field Scattering Characteristics of UnderwaterLow-frequency Spherical Acoustic WaveZHANG Jian , ZHOU Qi-zheng , WANG De-shi(College of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)Abstract: To investigate the scattering mechanism of underwater low-frequency acoustic waves, a uniform asymptotic solution of near- and far-field acoustic pressures is derived. First, the infinite series solution of the scattering acoustic pressure for low-frequency spherical acoustic waves encountering spherical obstacles such as soft and hard impedance is provided. Based on the assumptions of low frequency, near- and far-field, the approximate forms of the Bessel and Hankel functions are employed to derive the asymptotic solution. By assuming that the acoustic source is near the scatter, a uniform asymptotic solution of the near- and far-field scattering acoustic pressures is derived. Subsequently, the near- and far-field scattering characteristics of a spherical acoustic wave are investigated. The results show that the low-fre- quency scattering acoustic pressure can be expressed as a superposition of fields because of a monopole source and di-pole sources, the uniform asymptotic solution derived is consistent with the classical solution at low frequency. When the source is near the obstacle and the receiver is far from the source or obstacle, the echo strength of the soft sphere is shaped like a circle, whereas those of the hard and impedance spheres are shaped as “gourds”. When the source is far from the obstacle and the receiver is near the source, the echo strengths are related to the shape of the incident wave. The results are useful for controlling acoustic scattering and detecting low-frequency waves of underwater targets.2020年10月水下无人系统学报第28卷Keywords: underwater target; low-frequency acoustic wave; spherical obstacle; asymptotic solution; scattering characteristic0 引言低频声波水下传播距离远, 是远距离探测敌方目标的主被动声呐设备采用的重要能量形式。
水中激光声脉冲特性及其传输损失
第２ 卷 ４
第１ 期
舰
船
科
学 技
术
Ｖ０ ． ４ Ｎ ． １２ ｏ １
２ ０ 年 ２月 ０２
Ｓ Ｐ Ｓ Ｉ Ｎ Ｅ Ａ Ｄ Ｔ Ｃ瑚帅 ｍ ＧＹ ＨＩ Ｃ Ｅ Ｃ Ｎ Ｅ
Ｆ 、２ ０ 曲 ０２
水中激光声脉 冲特性及其传输损 失
气 中的传输损 失的理论公式 。
关键词 ： 激光声脉冲
声濠级
频谱
方向・ 传播损 失 ｌ 生
０ 叫
ｉ ｓｏ Ｓ ｕ ｄ ｃ ｆ ｏ ｎ
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畿 ｌ ａ ｅ ｙＣ Ｌ ｓｒｉ ｍｌｅｄｂ 丑 ｅ ｎＷａｅ ｔ ｒ
ａ ｄ ｉ ｎ ｉ ０ Ｌｏ ｅ ｎ ｔ １ ａ 嗣卫 ｎ ｓ ｓ
性、 方向特性等等 ， 而后者则包括激光声脉冲在水中的传输损失、 透过水与空气界面的传输损失以及在空气 中 的传 输损 失。
２ 水 中激光声脉冲 的特性
２ １ 水中声脉冲的声漂级 ．
声源 级是距 声源 １ 米处 的声压 级 ， 是声源所 产 生的声波 强弱 的量度 ， 它 可表示 为
圉 ２ ｍ处水 中声脉 冲的波形 ２
ｌ ｊ ！ ｊ ｉ Ｉ ｛ ｊ ｌ ｊ 』 ｊ Ｉ Ｉ Ｉ ｊ ｌ ｝ ｉ ｌ 工ｌ ｆ ｉｌ
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２２ 水中声脉冲的频谱 ．
２ｍ处水 中声脉 冲 的波形 如图 ２ 所示 。
圉 ｌ 峰表面压力对 峰激 光强度 的关 系
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ｉ ： ： ： ’ ： ｎ １ ｊ 要 ： ！ ； ｉ ！ ； ！ ；
海洋的声学特性
——声传播起伏的原因之一
16
声速分布分类（分成四类 ）
右图为深海声道典型声速 分布，特点：
•在某一深度处有一声速最 小值。
Zm
•两图不同之处：
•左图表面声速小于海底声
速；
•右图表面声速大于海底声
速。
Z
c0 c
Zm
c0 c
21
扩展损失
简谐平面波声压 p p0 expit kx
没有扩展损失
TL
10
lg
I 1 I x
0
dB
简谐球面波声压 p p0 expit kr
r
扩展损失
TL
10
lg
I 1 I r
20
lg
r
dB
22
扩展损失的一般形式
TL n 10lg r dB
n=0：适用管道中的声传播，平面波传播， TL=0；
第四类
浅海常见声速分布
20
2．海水中的声吸收
传播衰减概述
声波传播的强度衰减（传播损失）原因：
扩展损失（几何衰减）：声波波阵面在传播过程中 不断扩展引起的声强衰减。
吸收损失：均匀介质的粘滞性、热传导性以及其它 驰豫过程引起的声强衰减。
散射：介质的不均匀性引起的声波散射导致声强衰 减 不均匀性包括：海洋中泥沙、气泡、浮游生物等 悬浮粒子以及介质本身的不均匀性和海水界面对 声波的散射。
•声速随深度单调下降。
形成原因：
•海洋上部的海水受到太阳强烈照 射的结果。
Z
第三类 反声道声速分布
19
声速分布分类
右图为浅海常见声速分布，特点：
水下声场的动态特性分析
水下声场的动态特性分析哎呀，说起水下声场的动态特性，这可真是个有点神秘又特别有趣的话题。
你知道吗？我有一次去海边潜水，那经历让我对水下声场有了更直观的感受。
当时，我刚潜入水中，周围一下子安静了许多，只有自己呼吸的声音。
慢慢地，我能感觉到一些细微的声音在水中传播。
水下声场就像是一个隐藏的世界，充满了动态的变化。
首先，声源在水下产生声音后，它的传播可不是直线的，会受到水温、水压、水的盐度等各种因素的影响。
比如说水温吧，不同的水温层会导致声音传播速度的改变。
想象一下，声音在这一层跑得快，到了另一层又慢下来，就像一个人在不同路况的路上跑步，速度时快时慢。
还有水压呢，水压越大，声音传播得就越远。
就好像你用力扔一个球，力气越大，球飞得越远。
而且，水下的障碍物也会对声场产生影响。
有一次我在潜水时，看到一块巨大的礁石，当声音碰到它的时候，就会发生反射和散射，就像光线照在镜子上会反射一样。
再来说说水的盐度。
盐度不同，声音的吸收和衰减也不一样。
好比在不同质地的路面上跑步，有的地面阻力大，有的阻力小。
另外，海洋中的生物也会影响水下声场。
比如一群鱼游过，它们发出的声音会相互叠加、干扰。
我那次潜水就碰到了一群小鱼，它们叽叽喳喳的声音在水中交织在一起，形成了一种独特的“水下交响乐”。
说到动态特性，水下声场的变化还和时间有关。
在一天中的不同时段，海洋中的环境因素会有所改变，从而影响声音的传播。
比如在夜晚，海洋中的生物活动可能会更加频繁，产生更多的声音，使得水下声场变得更加复杂。
总之，水下声场的动态特性就像是一个不断变化的神秘舞台，充满了各种未知和惊喜。
通过深入研究和了解它，我们能更好地探索海洋这个广阔而神秘的世界。
下次我再去潜水的时候，相信我会对水下的声音有更深刻的认识和感受！。
水下声波传播的特性研究
水下声波传播的特性研究水下声波传播是海洋科学和工程领域中的一个重要课题。
了解水下声波传播的特性对于海洋资源开发、水下通信、声纳探测等方面具有重要意义。
本文将从不同角度探讨水下声波传播的特性并介绍相关的研究方法和技术。
首先，水下声波传播受到水的特性影响。
水的密度和压缩性使其成为声波传播的优质介质。
然而，水的温度、盐度和深度等因素会对声波的传播产生影响。
例如，水温的变化会导致声速的变化，而盐度的变化则会影响水的密度和粘度。
此外，水的深度也会对声波的传播产生衰减和折射等影响，从而限制了声波传播的距离和方向。
其次，水下声波的传播特性还与声源和接收者的特性有关。
声源的频率、幅度和方向性等参数会直接影响声波在水中的传播。
例如，低频声波具有较长的传播距离，适合用于水下通信和声纳探测。
同时，声源的方向性可以通过声束的形状来描述，不同形状的声束具有不同的传播特性。
接收者的特性包括灵敏度、频率响应和方向性等参数，它们决定了接收到的声波信号的质量和准确性。
此外，水下声波传播受到水下环境的干扰。
水中存在的生物和人为噪音会对声波传播和接收产生干扰。
例如，海洋生物的声音会与声波信号相互干扰，而船舶和潜艇等人为噪音源也会对声波传播产生影响。
因此，研究人员需要采取有效的方法来降低这些干扰，提高水下声波传播的可靠性和准确性。
近年来，随着技术的不断发展，研究人员开展了许多水下声波传播特性的实验和模拟研究。
其中一种常用的方法是通过声纳设备进行声波传播实验。
声纳设备可以发射声波信号并接收回波信号，从而获取声波传播过程中的相关参数。
另外，数值模拟也是研究水下声波传播特性的重要方法。
数值模拟可以通过计算机模拟水下声波传播过程，得到声场的分布和传播特性等信息，为实际应用提供参考。
在水下声波传播特性的研究中，还存在一些前沿问题和挑战。
首先，声波信号传播的精度和准确性需要进一步提高。
由于水下环境的复杂性和不确定性，声波信号在传播过程中会受到多种因素的影响，导致传播特性的变化。
深海大深度声场垂直相关特性
深海大深度声场垂直相关特性Li Zheng-Lin;Dong Fan-Chen;Hu Zhi-Guo;Wu Shuang-Lin【摘要】深海声场垂直相关特性对提高垂直阵阵列增益和水下目标探测性能具有重要意义.基于2014年南中国海实验大跨度垂直阵接收的声信号,分析了深海直达区、影区和会聚区等不同距离下的大深度声场垂直相关特性,并使用射线理论解释了深海垂直相关随空间变化机理.在直达声区内,声场垂直相关半径几乎可以覆盖整个水深,且随着深度增加,直达声和海面反射声到达时间差增加,相关略有下降.在声影区内,声场能量主要来源为经一次海底反射和一到两次海面反射的声线,垂直相关整体偏低.第一会聚区内垂直相关系数随着接收深度的增加而周期性振荡,并且与声能量在深度上的分布具有相似结构,这是高声强区域两组反转声线在垂直方向上周期性干涉的结果.【期刊名称】《物理学报》【年(卷),期】2019(068)013【总页数】19页(P205-223)【关键词】垂直相关;深海声场;振荡结构【作者】Li Zheng-Lin;Dong Fan-Chen;Hu Zhi-Guo;Wu Shuang-Lin【作者单位】;;;【正文语种】中文1 引言声场垂直相关性表征了垂直空间上两个接收点声场的相似程度,既是利用垂直阵进行匹配场定位的物理基础,也是基于垂直阵声呐设计及获取空间增益的重要参数[1],在实际海洋环境中,多途干涉效应会使得声场的垂直相关性降低,进而影响垂直阵列波束形成和水下目标探测性能,因此声场垂直相关性研究一直是海洋声学的重要课题之一.国内外对声场垂直相关性展开了大量研究[1−14].我国对声场垂直相关性的研究多集中在浅海.2001年,Guo等[2]对浅海远距离声场的垂直相关性进行了研究,发现垂直相关系数随着距离的增加呈现出先减小后增大的趋势.2004年,Li等[3]利用垂直相关特性随距离的变化反演海底吸收系数.2009年,Wan等[4]通过两个L型接收阵同步研究了浅海声场的垂直相关性和水平相关性.在浅海不平海底条件下声场空间相关研究方面,赵梅和胡长青[5]发现在浅海倾斜海底条件下,空间相关性随着倾斜角度和阵元间距的增加而减小,并且与收发深度有关; 2011年,王鲁军等[6]发现与水平海底相比,下坡海底会增加声场的空间相关性,上坡海底会减小声场的空间相关性. 在深海声场空间相关方面,Urick等[10,11]提出,会聚区声场的空间相关性明显高于影区,而且随着阵元间距的增加衰减更慢.1998年,周士弘等[1]发现,多途干涉越复杂,垂直相关系数变化越复杂,而且垂直相关性与声源深度、频率以及声源与接收器的距离等有关.2013年,Colosi等[12]分别利用耦合模式传输理论和绝热模式近似理论分析了深海环境下的垂直相关,并研究了深海垂直相关半径随着频率和距离的变化规律.Li等[13]和李鋆[14]对深海声场空间相关特性进行了研究,发现声场的空间相关系数的空间分布结构与传播损失的空间分布结构基本一致,高声强区内的声场主要是由一组相位相近的简正波或在水体中折射的射线组成,其声场具有相似性.胡治国等[15−17]分析了在存在海底斜坡和海底小山丘的海底地形条件下,声传播规律和声场的水平纵向相关性.但是,国内对深海大深度声场垂直相关性的研究还鲜有报道.本文利用2014年南中国海的一次深海实验数据,分区域探究了深海中直达声区、声影区和会聚区等不同距离位置的大深度声场垂直相关性,并给出了相应的物理解释,对提高深海环境下垂直阵列的阵增益和水下目标的探测性能等具有重要意义.2 深海声传播实验简介2014年6月,声场声信息国家重点实验室在南中国海进行了一次深海声传播实验.海上实验设备布放示意图如图1所示,27个自容式水听器(USR)组成的潜标垂直阵被锚定在O2位置,水听器呈不等间隔布放在102—1866 m深度范围内.水听器的灵敏度为–170 dB,通道的采样率为16 kHz.实验船以4节航速拖曳发射换能器声源从O2接收阵位置向O1点行驶.O2到O1方向上声传播距离的总长度约172 km,覆盖了3个会聚区.图1 海上实验设备布放示意图Fig.1.The configuration of the experiment.拖曳发射换能器的深度约为126 m.发射声信号是中心频率为310 Hz、带宽为100 Hz的双曲调频信号(HFM).发射信号形式如图2所示,先发射20 s,停10 s,重复四次,再停40 s,然后依次重复发射.拖曳声源的声源级标定为181 dB.图3是实验1号科考船上的万米测深仪测量的海深随距离的变化,可见O2到O1 传播路径上海底整体比较平坦,平均深度约为4300 m.图4为实验期间的全海深声速剖面,其中声道轴深度约为1150 m,最小声速为1484 m/s,海底附近海水声速(1533 m/s)小于海面处海水声速(1541 m/s),为典型的不完全深海声道.在这种海洋环境下,海底反射作用对在声影区内的声场影响较大.实验期间也进行了海底底质柱状采样测量,经对3 m长的柱状沉积物样品分析表明: 实验海区的底质类型以粘土质粉砂为主,具体分段测量的沉积物类型、密度、声速和中值粒径等参数如表1所示,为海底声学参数的选取提供参考依据.图2 拖曳换能器发射声信号的周期Fig.2.The cycle of the source signals from a towed transducer.图3 O2到O1传播路径上海深随距离的变化Fig.3.The bathymetry along the propagation track from O2 to O1.图4 实验期间的海水声速剖面Fig.4.Sound speed profile during the experiment.表1 海底底质采样测量样品分析参数表Table 1.Sediment parameters analyzed from core sampling.深度范围/cm实测声速/m·s–1湿密度/g·cm–3声衰减系数/dB·m–1孔隙度/%中值粒径/mm沉积物类型0–2815831.65137.0662.600.0053粘土质粉砂28–5515971.5674.0265.080.0274粉砂55–8016631.57118.8067.590.0287粉砂80–10516951.45127.5074.930.0127粘土质粉砂105–13016311.55108.9168.220.0157粉砂130–15515161.44104.8675.380.0062粘土质粉砂155–1801291.3766.7377.980.0059粘土质粉砂180–20515081.33127.4780.770.0052粘土质粉砂205–23015401.30111.8984.070.0046粘土质粉砂230–25015331.26121.3785.000.0050粘土质粉砂250–28015471.26159.4185.550.0057粘土质粉砂280–30515651.21255.7083.240.0045粘土质粉砂平均值15841.41126.1475.870.0106–-3 实验数据处理流程与声场垂直相关定义将声源发射的双曲调频信号设为是s(t),则接收阵接收的声压信号pR(r,z,t)可表示为其中S(w)为s(t)对应的频谱,H(r,z;w)为声源至接收器之间海洋声信道的传输函数,w 为角频率.实验时可以通过脉冲压缩来提高信噪比.脉冲压缩是将声源发射的信号s(t)与接收阵接收的信号pR(r,z,t)做相关,即:对应的频谱Xi可以由pc(r,z,t)经过Fourier变换得到.将Xi在实验发射信号的带宽内取平均,得到信号的平均声能量:其中f0为信号的中心频率,Fs为信号的采样率,nf2和nf1分别为频率上、下限对应的频点数.声传播损失(TL)的实验结果由下式计算:式中SL(f0)代表发射换能器声源级,本实验中为181 dB; Mv代表接收水听器灵敏度,大小为–170 dB;EC代表脉冲压缩获取的时频增益,根据发射声源信号时间带宽计算得约为66.6 dB.声场垂直相关指的是与声源水平距离相同,深度不同的两个接收点接收到的声信号之间的互相关.假设两个接收点位置分别为(r,z)和(r,z+ ∆z),其中r为与声源的水平距离,z为水听器深度.垂直相关系数定义为两个接收水听器同时接收到声信号之间的互相关程度:其中pz(t)和pz+∆z(t)分别代表两个水听器接收到的声压时域信号,∆z 是水听器在垂直方向的间隔.一般浅海远场垂直阵接收信号的波阵面可以近似为同时到达,只需要做零时延相关.与浅海中不同,在深海中不同深度上波阵面到达时间差别较大,所以垂直相关处理中pz+∆z(t)(t+t)表示将其中一个信号做时延t之后再做互相关.频域内的垂直相关系数可以通过Fourier变换得到:其中Pz(w)和Pz+∆z(ω)分别表示两个接收点位置的声场,*表示复数共轭.w0和∆ω 分别表示中心频率和带宽.在下面的垂直相关性分析中,采用(5)式对接收水听器接收的时域声压信号进行处理得到实验垂直相关系数,用声传播模型计算频域声场经(6)式相关处理得到垂直相关理论结果.为了比较垂直相关性的大小,引入参考相关系数.一般认为,归一化相关系数大于参考相关系数0.707的两点间声场相关性较好.4 深海声场垂直相关特性及其理论解释4.1 声传播损失利用(2)式对垂直阵列接收的信号进行匹配滤波处理可得脉冲传播信号,然后由(4)式计算得到O2到O1 传播路径上二维声传播损失（TL）,结果如图5(a)所示.作为比较,图5(b)给出用抛物方程近似声场模型RAM-PE[18,19]计算的不同距离和深度上的TL[15,16].计算中,采用声学互易原理[20],将声源设定在0 km,不同的水听器所在深度,在原拖曳声源深度的不同距离处接收信号.仿真时频率范围与实验一致,为260―360 Hz,频点间隔为10 Hz.根据表1的海底采样测量结果及声影区传播损失反演可获得的等效海底参数[21],海底模型设置为两层液态海底[15],沉积层声速1555 m/s,密度1.6 g/cm3,海底衰减系数 0.35 dB/l,厚度为20 m; 无限大基底声速为1650 m/s,密度为1.8 g/cm3,海底衰减系数0.517×f1.07dB/λ [21,22],其中频率 f的单位为kHz.该海底模型及参数可较好地用于南海深海声传播损失计算[15].海水吸收系数a(单位dB/km)则用以下公式计算[20]:对比图5(a)和图5(b)可见,在最大传播距离172 km以内,基本上覆盖了3个会聚区,实验结果空间分布与模型计算的影区及会聚区的相对强度一致,表明不同距离上信号都具有较强的信噪比,且第一会聚区以内声场信噪比更高.过去受到实验条件限制,我国对深海大深度声场垂直相关性的研究起步比较晚.所以,本节将选用O2到O1 传播路径上的实验数据,分为直达声区、声影区和会聚区三个部分,探究平坦海底环境下大深度声场的垂直相关特性.实验选用O2潜标接收阵上所有27个水听器接收的数据,并与RAM-PE模型计算结果进行对比.RAM-PE模型计算时选择与实验信号一致的频率范围,即260—360 Hz,选取101个频点,频点间隔为1 Hz,其他环境参数与计算图5(b)声传播损失时相同.图5 O2到O1 传播路径上二维声传播损失对比(a)实验结果;(b)RAM模型计算结果Fig.5.TL along the propagation track from O2 to O1:(a)Experimental result;(b)numerical result.4.2 直达区声场垂直相关实验中O2垂直阵的最大接收深度为1866 m,在此深度下直达区宽度大约为10 km.首先,选取收发距离为2.0和4.2 km两个直达区内的典型收发距离进行垂直相关特性分析.4.2.1 距离2.0 km处声场垂直相关先对收发距离2.0 km处的声场垂直相关特性进行研究.图6 给出的是潜标垂直接收阵上不同水听器之间的声场自相关与互相关系数,(a)是实验结果,(b)是模型计算结果,模型结果与实验结果符合较好.互相关图以对角线为中心上下对称,中间的斜对角线是各阵元的自相关结果,归一化相关系数为1.从图中可以看出,2.0 km处接收阵的垂直相关性总体比较高.图7是以第1阵元(平均深度102 m)为参考阵元,与各个通道接收的信号做相关得出的垂直相关系数随着垂直间隔变化的实验结果和模型计算结果(即图6中第一行结果),两者符合较好.可见,在距离2.0 km处,垂直相关系数较高,随着垂直间隔的增加,垂直相关系数缓慢下降,但基本保持在参考相关系数0.707(图中蓝色虚线,下同)以上.图6 距离2.0 km处垂直阵声场垂直互相关(a)实验结果;(b)模型结果Fig.6.The vertical cross-correlation of sound fields in the whole array at the range of 2.0 km:(a)Experimental results;(b)numerical results.图7 距离2.0 km处声场垂直相关随间距的变化,其中参考阵元深度102 m,虚线为参考值0.707Fig.7.The vertical correlation coefficients at the range of 2.0 km for the reference depth at 102 m,where the dashed line representing the reference value 0.707.深海声场中有效简正波号数比较多,而射线声学物理图像清晰,在深海环境中能较好地反映声波在海水中的传播特性.以高斯波束追踪法[23]为基础的BELLHOP射线模型可以计算水平变化环境中声线轨迹、时间到达结构和声强.这里用BELLHOP模型对2.0 km处垂直相关系数的变化结果进行定性分析和机理解释.图8给出距离2.0 km,声源深度126 m,接收深度分别为167 m,357 m 和1453 m 时的本征声线及时间到达结构.为了使结果更加直观,对不同大小掠射角的本征声线用不同颜色进行区分,小于10°为青色,10°—20°为红色,20°—40°为深蓝色,40°—65°为绿色,后文均采用相同的颜色标注.从图8可以看出,到达垂直阵的声线多为直达声线(DR)和一次海面反射声线(SR),且随着接收深度增加,两条声线之间到达时间差逐渐增大.图9给出整个垂直阵深度上的时间到达结构实验结果与BELLHOP计算结果的对比.从图中可以看出,两者比较符合,直达区2.0 km处接收声信号主脉冲结构简单,垂直相关性整体较高.随着接收深度增加,两条声线到达时间差逐渐增大,信号多途畸变更明显,从而导致图7中垂直相关系数随着垂直间隔增加而下降.下面将使用射线声学理论对直达区声场的垂直相关性进行定量分析和近似推导.由于近场声波经海底大角度反射后的声能量衰减较大,故只考虑对直达区声场起主要贡献的DR和SR,即图10所示的两条声线.图11给出了这两条声线的声源掠射角和时间到达结构,直达区接收点接收到的声压可以近似表示为[24]图8 直达区内2.0 km距离处不同接收深度本征声线和时间到达结构(a),(b)167 m;(c),(d)357 m;(e),(f)1453 mFig.8.Eigenrays and arrivals received at three different depths at the range of 2.0 km in the direct zone:(a),(b)167m;(c),(d)357 m;(e),(f)1453 m.图9 直达区内2.0 km距离处不同接收深度多途到达结构比较(a)实验结果;(b)模型结果parison of the experimental multipath structures on the vertical line array at the range of 2.0 km in the direct zone with numerical ones:(a)Experimental result;(b)numerical result.图10 直达区内对声场起主要贡献的两条声线,其中声源深度126 m,接收深度1453 mFig.10.The two main rays contributing to the sound field in the direct zone,where the source and receiver are at the depth of 126 and 1453 m,respectively.其中S(w)表示声源的频谱,W为单位立体角内的辐射声功率,Fi表示第i条声线的聚焦因子,Ri表示第i条声线的斜距,ti(i=1,2)表示第i条声线的传播时间.因为声源深度较浅,两条声线的轨迹基本一致,声源掠射角的绝对值近似相等,即|a1|≈|a2|,同时可以认为聚焦因子F和斜距R基本一致.令Dt=t2–t1,则(8)式中两条声线的相干叠加部分可以近似表示为其中为幅度值.因为两条声线满足|a1|≈|a2|,Dt可以近似表示为[24]由(10)式可知,Dt随着声源深度zs的增加而增大.在典型深海条件下,当收发距离不变时,|a2|的值随着深度的增加而增大,因此两条声线的到达时间差Dt随着接收深度的增加而增大.图11 直达区内对声场起主要贡献的两条声线的初始掠射角及时间到达结构(a)声源处的掠射角;(b)时间到达结构(声源深度126 m,接收深度1453 m)Fig.11.The two main rays contributing to the sound field in the direct zone:(a)The grazingangles at source location;(b)the arrivals of the two rays(The source and receiver are at the depth of 126 and 1453 m,respectively).同理,接收点(r,z+Dz)处的声压可以表示为其中为幅度值.在窄带带宽Dw内,有Az(ω)≈Az(ω0),Az+∆z(ω)≈Az+∆z(ω0).将(9)式和(11)式代入(6)式,分子分母同时约去幅度项,可得:由于参考点(r,z)选定后,t1和Dt为定值,时延t可以使项实部近似等于最大值1,故(12)式中的相位变化主要取决于根据上述理论分析,收发距离2.0 km处,以第一阵元(平均深度102 m)为参考阵元,用BELLHOP模型计算得到的DR和SR的到达时间差和相位差随深度的变化如图12所示.从图中可以看出,随着接收深度的增加,两条声线的到达时间差逐渐增大,而相位差在[0,2π] 内无规则振荡变化.最后,用近似公式(12)式计算得到参考深度为102 m时垂直相关系数随垂直间隔的变化,如图13中青色曲线所示.从图13结合图9可以看出,近似公式只考虑两条声线,而实际接收的信号及宽角RAMPE计算的信号里包括一定角度范围内的声能量,所以(12)式计算得到的相关系数在500 m以浅与实验结果及RAM-PE模型[18]计算结果有0.15左右的偏差,但是基本能够反映直达区声场的高垂直相关性.图12 由射线模型计算的距离2.0 km处对声场起主要贡献的两条本征声线DR和SR的(a)到达时间差和(b)相位差随接收深度的变化Fig.12.Numerical travel time differences(a)and phase differences(b)of the two eigenrays(DR and SR)with the increase of the receiving depth at the range of 2.0 km from Bellhop model.图13 由近似公式(12)式计算的垂直相关系数随着垂直间距变化与实验结果及RAM-PE模型结果的对比parison of the numerical vertical correlations computed by Eq.(12),with the experimental data and RAM-PE model results at the range of 2.0 km.4.2.2 距离4.2 km处声场垂直相关当收发距离增加到4.2 km时,潜标垂直接收阵较浅深度的水听器处在声影区内,而部分较深的水听器处在直达声区内.图14给出了各水听器接收声信号的互相关实验结果和模型计算结果,可以看出,与收发距离2.0 km处的结果相比,编号较小的阵元所在的浅层深度声场垂直相关性显著偏低,而在11阵元(平均深度357 m)以下,阵元间的垂直互相关性较高.为了分析垂直相关性随深度的变化情况,图15给出了参考深度分别为102 m和357 m时的垂直相关系数随着垂直间隔变化的曲线,可以看出,参考深度为102 m时垂直相关系数随着垂直间距下降迅速,并很快维持在0.3左右,而以第11阵元为参考阵元的垂直相关系数随着深度增加下降缓慢,与收发距离2.0 km处的情况比较类似,相关系数基本维持在0.707上下.图16是用BELLHOP模型计算得到的距离4.2 km处声源深度126 m,接收深度分别为167 m,357 m和1453 m的本征声线和时间到达结构.图17是时间到达深度结构的实验结果与BELLHOP计算结果比较.对比图16和图17可以看出,4.2 km 处深度较大的地方仍然处于直达区,对声场起主要贡献的是两条声线DR和SR,声信号主脉冲结构简单,相关性较高,垂直相关系数随着垂直间隔的增加下降缓慢.而357 m以浅的接收深度处于影区,经历一次海底反射的声线对声场的贡献占主,声信号主脉冲多途到达结构复杂,使得这部分阵元接收到的信号与其他深度阵元接收到的信号之间相关性较差,垂直相关系数降低,且随着深度增加下降较快.图14 距离4.2 km处垂直阵声场垂直互相关(a)实验结果;(b)模型结果Fig.14.The vertical cross-correlation of sound fields in the whole array at the range of4.2 km:(a)Experimental results;(b)numerical results.图15 距离4.2 km处两个不同参考深度上声场垂直相关随间距的变化(a)参考深度102 m;(b)参考深度357 mFig.15.The vertical correlation coefficients at two different reference depths at the range of 4.2 km:(a)For reference depth 102 m;(b)for reference depth 357 m.4.3 声影区声场垂直相关图18和图19分别给出第一影区内13.6 km和33.2 km两个不同距离处的接收阵各水听器接收声场的垂直互相关实验结果和模型计算结果的比较.从图18和图19可以看出,与图6和图7的直达区结果相比,声影区内声场垂直相关系数整体偏小,而距离33.2 km处的垂直相关比13.6 km处的稍高,并且从实验结果和模型计算结果中都可以看到随着间隔增大声场垂直相关系数有较小幅度起伏.为了进一步说明第一影区声场垂直相关特性的变化,图20给出了参考深度为102 m时两个收发距离的垂直相关系数随垂直间隔的变化曲线.从图中可以看出,同一收发距离下,垂直相关系数随垂直间距下降明显,垂直相关性整体较低.距离33.2 km处的垂直相关系数比13.6 km处平均高0.2左右,而且垂直相关系数随间隔的周期性变化更加明显.图21给出了用BELLHOP模型计算得到的两个收发距离处的本征声线和时间到达结构,声源深度126 m,接收深度865 m.图22和图23分别是距离13.6 km和33.2 km处的时间到达深度结构的实验结果和BELLHOP模型计算结果,可以观测到经过一次和两次海底反射的声能量到达.对比图21—图23可以看出,进入影区之后,对声场起主要贡献的从直达声线变成了海底反射声线,它们构成的声信号主脉冲随着深度的增加逐渐分裂为声源(-海面)-海底-接收和声源(-海面)-海底-海面-接收的两部分能量相近的脉冲.它们对声场垂直相关性的影响主要体现在以下两个方面: 1)随着深度的增加两部分声线到达时间差增大,多途干涉更加复杂,进而导致声场垂直相关性降低; 2)随着距离的增加,到达接收阵的海底反射声线掠射角减小,两部分声线路程差相对减小,到达时间差减小; 对比两个不同距离处的时间到达深度结构可以看出,随着距离增大,多途展宽变窄,到达结构反而变得更加简单,从而提高了垂直相关性.图16 直达区内4.2 km距离处不同接收深度的本征声线和时间到达结构(a),(b)167 m;(c),(d)357 m;(e),(f)1453 mFig.16.Eigenrays and arrivals received at three different depths at the range of 4.2 km in the direct zone:(a),(b)167m;(c),(d)357 m;(e),(f)1453 m.4.4 第一会聚区声场垂直相关从图5的传播损失结果可见,不同深度处的第一会聚区大约位于50 — 60 km附近.为了探究第一会聚区附近垂直相关性的变化规律,不失一般性,选取50 km位置进行第一会聚区声场垂直相关性研究.第二、第三会聚区具有和第一会聚区相似的规律,这里不再展开讨论.图17 直达区内4.2 km距离处垂直阵深度覆盖范围内的多途到达结构比较(a)实验结果;(b)模型结果parison of the experimental multipath structures from the receivers on the vertical line array at the range of 4.2 km in the direct zone with numerical ones:(a)Experimentalresult;(b)Numerical result.图18 距离13.6 km处垂直阵声场垂直互相关(a)实验结果;(b)模型结果Fig.18.The vertical cross-correlation of sound fields in the whole array at the range of 13.6 km:(a)Experimental results;(b)numerical results.图19 距离33.2 km处垂直阵声场垂直互相关(a)实验结果;(b)模型结果Fig.19.The vertical cross-correlation of sound fields in the whole array at the range of 33.2 km:(a)Experimental results;(b)numerical results.图24给出距离50 km处接收阵各通道声场垂直相关的实验结果和模型计算结果的比较.图25给出参考深度分别为102 m(第1阵元)和634 m(第15阵元)时垂直相关系数随着接收深度的变化曲线.从图24和图25可见,50 km处垂直相关性整体比较高,并且随着接收深度的增加呈现出周期性振荡趋势.图20 第一影区内两个不同距离处声场垂直相关随间距的变化,其中参考深度102 m,接收距离分别为13.6 km 和33.2 parison of the vertical correlation coefficients at two different ranges of 13.6 km and 33.2 km in the first shadow zone for the reference depth at 102 m.图26给出了第一会聚区附近(50—60 km)接收深度范围内传播损失的实验结果和RAM-PE模型计算结果的比较.从图中可以看出,在会聚区附近的高声强区域,声能量分布在空间垂直方向上呈现出清晰的明暗相间条纹.仔细观察可见,图26中50 km 处的声能量在垂直方向上的振荡与图25中垂直相关系数的振荡现象具有较强的相似性.为了进一步探究声能量的振荡规律与垂直相关性之间的关联性,给出50 km处归一化声能量在垂直深度上的分布,如图27所示.对比图25和图27可以看出,声能量随着接收深度的增加呈现出振荡趋势,并且振荡规律与垂直相关系数随接收深度变化的振荡规律基本一致,二者具有较强的关联性.下面使用射线理论,分析50 km处声能量及垂直相关系数随接收深度增加而振荡的原因以及两者之间的关联.针对收发距离50 km处3个典型接收深度(167 m,836 m和1453 m)进行分析,分别代表经海底小角度反射后的声场能量为主、及水体中折射加上海面反射时延不同导致干涉现象的差异,图28给出了BELLHOP射线模型计算的主要本征声线和时间到达结构.图29为50 km距离处的时间到达深度结构的实验结果和模型计算结果比较.结合图27不同接收深度的相对强度可以看出,对600 m以浅的声场起主要贡献的是四条一次海底反射声线,声线与海底作用能量损失较大且接收声信号主脉冲多途干涉复杂,声场的垂直相关性相对较低.而对600—1550 m深度范围内的声场。
8海洋中的声光传播及其应用
• 光波照射到介质中的粒子时，由于双方具 有很强的相互斥力，导致光线偏离入射方 向而向四面八方散开的现象
1. 海洋中的光学 • 瑞利（分子）散射 • 粒子半径远小于光的波长时（水分子）对自 然光的散射
• 米氏（粒子）散射
• 粒子半径较大时（如海水中的悬浮粒子）对 自然光的散射 为什么天空是蓝色的？
海洋中的声、光传播及其应用 1. 海洋中的光学 2. 海洋中的声学 3. 海洋声学应用
1. 海洋中的光学 • 光的波长
• 光进入海水中，由于海水的吸收和散射作 用，光强度呈指数衰减
1. 海洋中的光学
• 光的折射
• 由于在不同介质中光的传播速度不同，导 致光线弯曲的现象。
1. 海洋中的光学 • 散射
I 0 a S I1 2 e S
• 其中，I0为声源处发出的声强，a为衰减系 数
2. 海洋中的声学 • 声速 • 声速与介质的特性有关，海洋是非均匀介 质，声波在其间传播，各处的声速也不相 同
v 1
S
S
1 P S
• 其中等盐压缩系数
v v(t , S , p)
3. 海洋声学应用 • 声纳（Sonar） • 声纳是一种利用声波在水下的传播特性， 通过电声转换和信息处理，完成水下探测 和通讯任务的电子设备。
3. 海洋声学应用
探鱼仪
侧扫声纳
本章小结 • 海洋中的光学
瑞利散射、米氏散射、海色
• 海洋中的声学
声波衰减、声速、声道轴
• 海洋声学应用
水下目标定位、声学多普勒流速剖面仪、 声纳
2. 海洋中的声学 • 在水中电磁波衰减很快，仅仅穿透数米就 会丢失所有能量，而声波能传播几百公里 而没有明显的吸收损失 • 因此通常采用声波进行水下定位、导航、 目标探测、水声通讯
海洋中的声、光传播ppt课件
第十章 海洋中的声、光传播
在水中，由于水对物体辐射的吸收和多次散射，导致 物体的对比度降低。自身不发光理想黑物体(L0＝0) 的固有对比度必定为-1；处于理想背景(Lb0=0)下的 目标固有对比度为∞。
根据现场实验和海洋中辐射传递方程都可证明，水中 目标表观对比度Cr随观察距离增加而指数衰减。
清洁大洋水的对比度衰减长度约为20m左右；沿岸带 水的对比度衰减长度约为5m左右；混浊水的对比度 衰减长度仅为几厘米。
引起声能损失的原因有：声能在空间扩展；海 水介质的吸收；海中气泡、浮游生物和海水团 块的散射；波动海面的反射与散射；以及海底 沉积层的反射和吸收等。
1.3.1海水的声吸收
海水声吸收是将声能变为不可逆的海水分子内能， 声在流体介质中的传播过程近似地认为是绝热过程。
根据弹性理论，纵向应力由切变和压缩应力组成， 声波对介质状态的扰动直接由压力变化引起；或者 是由于体积变化时相伴生的温度升、降所致。流体 介质存在粘滞性与导热性，介质因压缩变形而引起 声能耗散称为机械能耗散。动态压缩时，分子间的 非弹性碰撞使部分声能转变为热能，通常称这部分 声吸收为由分子过程引起的声吸收。
1.2海洋声学研究内容
正问题： 因海洋中的声速铅直分布不均匀而形成的深海声道传播特性，
以及声的波导传播与非波导传播； 海水因含MgSO4等化学成分引起的超吸收； 对远距离传播有极大影响的海底沉积层的声学特性； 沉积层的分层结构和海底的不平整地形等的反射损失和散射； 内波引起声传播振幅和相位的起伏； 海洋水层中浮游生物群和游泳动物的声散射； 大洋深处的湍流、涡旋对声波传播的影响以及海洋动力噪声、
不同盐度海水的光击穿声辐射特性研究
·光机电一体化·不同盐度海水的光击穿声辐射特性研究宗思光1,2,王江安1,王雨虹11.海军工程大学电子工程学院,湖北武汉 430033;2.海军工程大学兵器工程系,湖北武汉 430033提要:强激光聚焦于水下时,通过光击穿机制辐射强声波信号。
水体介质的盐度不同,在同等的激光参数、光学系统条件下,光击穿辐射的声波在强度、脉冲波形、频谱特征上具有一定的差异性。
为研究水介质盐度对激光击穿形成的空泡辐射声波的影响,构建了激光声测量系统,实验研究了不同水体盐度参数对光击穿辐射声信号的影响。
结论:激光击穿水介质伴随空泡脉动、声信号辐射效应;激光声信号脉冲宽度与水体盐度无关;空泡尺寸和激光声信号强度与激光脉冲能量成正比关系;水体盐度与激光声信号的强度早非线性变化关系。
研究结果有助于激光声在海洋中的应用。
关键词:激光声;光击穿;海水盐度;高速摄像;测量水听器中图分类号:TB936 文献标识码:A 文章编号:0253-2743(2009)04-0068-03Study of optical breakdown laser -generated sound in salt waterZON G Si -guang 1,2,WAN G J iang -an 1AN G Yu -hong 11.Dept .of Electron Eng .,Naval Univ .of Engineering ,Wuhan 430033,China ;2.Dept .of Weaponry Eng .,Naval Univ .of Engineering ,Wuhan 430033,ChinaAbs tract :The laser -based trans mitter provides a versatil e method for generating underwater s ound .The water s alinity relates to the acoustic waveform in the condition of the same parameter of laser and optical s yste m .The experimental investigation of the shock wave after optical breakdo wn in water with Nd :YA G las er puls es is formed .The pres sure acous tic signal generated by laser -induced is detected wit h the hi gh -frequency trans ducer .The laser -induced cavitation bubble expansion and collapse were recorded with high -speed video .In general ,the shock wave and cavitation bubble begin after optical breakdo wn in water with Nd :YAG laser pul ses .The laser induced bubble radius and power acoustic densit y make a linear relation with the laser energy directly .The power acoustic densit y makes a non -linear relation with the water salinity .K ey words :l as er -generated s ound ;l as er -induced breakdown ;water salinit y ;hi gh speed photography ;high -frequenc y transducer .收稿日期:2009-04-05基金项目:国防武器装备重点基金资助(N09140A14060207JB11)作者简介:宗思光(1979-),男,(汉),博士研究生,现主要从事水下激光探测、光声学的研究。
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水下光击穿所激发的声场的方向特性
水下光击穿所激发的声场的方向特性：
1、定义
水下光击穿是一种光击穿技术，利用击穿瞬间产生的热特性来刺激水里的空气泡，从而激发声场的方向特性。
通常，当有光源击射在水下时，空气泡会形成并产生声波，形成声压波并向四周扩散。
2、特点
水下光击穿激发的声场的方向特性主要取决于空气泡的形成方式，空气泡的大小以及空气泡对外界声波的反射效率。
特别是当光能量被用在聚焦空间里时，空气泡就会形成一个群体，而空气泡越多，反射声波就会越强，从而使整个声场的方向特性变得更为明显。
此外，水下光击穿激发的声场还可以根据水深、击穿瞬间产生的热量等因素来改变其方向特性。
如果水深较大，则反射出的声波将会更加具有方向性，而当击穿瞬间产生的热量增大时，则空气泡的群体数量会增加，从而使反射声波也随之增强。
3、应用
水下光击穿激发的声场的方向特性可用于各种应用场合，比如舰船跟踪、水下空域监视、海底地形探测以及海底探索等等。
例如，在舰船跟踪上，可以利用水下光击穿技术改善舰船定位精度，而在水下空域侦查中，则可以利用水下光击穿技术加强声场定位和检测范围，以形成可靠的海底空域图像。
此外，水下光击穿技术还可用于海底地形探测、海底探索等军事调查或商业调查。
总体而言，水下光击穿激发的声场的方向特性取决于击穿瞬间产生的热量、空气泡的形成方式以及空气泡对声波反射效率等因素，可用于各种应用场合，通过改变与之相关的参数，来调节水下光击穿激发的声场的方向特性，从而有效解决实际应用中棘手难题。