水声探测技术实验指导书三_五
水声海上实验方案
水声海上实验方案1.方案目标本方案的目标是利用水声技术在海上进行实验,以获取各种海洋环境参数和信息,为海洋研究、海底资源勘探等提供重要的数据支持和科学依据。
通过这些实验,我们将探索水声在海洋环境中的传播规律,提高海洋观测的精度和实时性,促进海洋科学的发展。
2.实施步骤步骤一:制定实验计划首先,我们需要制定详细的实验计划。
该计划应包括以下内容:1.实验目标:详细描述实验的目标和预期结果,明确实验所要解决的科学问题。
2.实验区域:确定实验区域,根据实验目标选择适合的海域。
3.实验时间:根据实验区域的气候和季节特点,选择适宜的时间段进行实验。
4.实验装备:确定所需的水声设备和测量仪器,并进行相应的采购和准备工作。
5.实验团队:组建一支具备水声和海洋科学专业知识的团队,负责实验的执行和数据收集。
6.安全考虑:确保实验过程中人员和设备的安全,制定相应的安全措施和应急预案。
步骤二:测量海洋环境参数在实验区域内,利用水声设备和测量仪器对海洋环境参数进行测量。
具体步骤如下:1.布设测量网格:根据实验要求,将实验区域划分为若干个小区域,并在每个小区域内布设测量点。
2.部署浮标和探测器:在每个测量点上,部署浮标和水声探测器。
浮标用于固定探测器的位置,水声探测器用于测量水声信号的强度和传播特性。
3.数据采集:启动数据采集设备,记录水声信号的强度、频率、传播时间等参数,并存储为电子数据文件。
4.数据处理:将采集到的数据导入计算机,利用数据处理软件进行分析和处理,提取有用的信息和特征。
步骤三:实验数据分析与解读对采集到的实验数据进行分析和解读,得出相应的结论。
具体步骤如下:1.数据预处理:对采集到的数据进行质量控制和预处理,包括数据清洗、去噪、校正等工作,确保数据的准确性和可靠性。
2.数据分析:利用统计分析和数据挖掘等方法,对数据进行分析,探索水声信号的特征和海洋环境参数的关系。
3.结果展示:根据分析结果,绘制相应的图表和图像,展示实验结果和数据。
水下声源探测器的设计及性能研究
水下声源探测器的设计及性能研究随着科技的不断发展和应用,人类对海洋深度的探索和利用日益增多,水下声源探测器的需求也随之提高。
水下声源探测器是一种专门用于探测水下声波信号的装置,它的主要原理是依靠水下声波的传播方式,通过声波的反射、折射和衍射,来判断目标物体的位置、形状、大小等信息。
本文将详细介绍水下声源探测器的设计过程和性能研究。
一、水下声源探测器的设计(1)水下声源探测器的结构水下声源探测器主要由发射器、接收器和信号处理器三部分组成。
发射器:负责发出声波信号,常见的发射器有压电陶瓷(PZT)式、电容式等。
压电陶瓷式发射器的优点是频率范围较宽,发射功率较大;电容式发射器则具有体积小、重量轻等优点。
接收器:负责接收回波信号并将其转化为电信号,从而进行信号处理分析。
水下声源探测器的接收器类型主要有压电陶瓷式、电阻式、电容式等。
信号处理器:负责对接收到的信号进行处理,提取目标信息等。
优秀的信号处理器可以实现高精度目标检测和较低的误检率。
(2)水下声源探测器的性能指标1. 工作频率范围:水下声源探测器的工作频率范围一般为几kHz到数十kHz,频率范围越宽,探测的目标范围也就越广。
2. 发射功率和接收灵敏度:发射功率与接收灵敏度是衡量水下声源探测器性能的重要指标之一,发射功率越大、接收灵敏度越高,探测距离也就越远。
3. 分辨率:水下声源探测器的分辨率直接关系到目标空间分辨,通常用信号包络线宽度来描述,线宽越小,分辨率越高。
4. 静态误差和动态误差:静态误差和动态误差是衡量水下声源探测器精度的重要指标之一,静态误差是指探测器的输出误差在静止状态下的误差,动态误差是指当目标运动时探测器输出的误差。
(3)水下声源探测器的设计流程水下声源探测器设计流程主要包括如下几个步骤:1. 目标需求分析:确定水下声源探测器的使用场景和目标功能需求。
2. 设计方案确定:根据目标需求进行设计方案选择,确定探测器的结构、工作频率和性能要求等。
水声阵列基础实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的1. 理解水声阵列的基本原理和组成。
2. 掌握水声阵列的布设方法和数据采集技巧。
3. 学习水声信号的接收、处理和分析方法。
4. 培养实验操作能力和数据分析能力。
二、实验原理水声阵列是一种利用水声波进行信息传输和探测的设备。
它由多个水声换能器(接收器和发射器)组成,通过合理布设和信号处理,可以实现对水下目标的探测、定位和通信。
三、实验仪器与设备1. 水声换能器:发射器和接收器。
2. 水声信号处理器:用于信号接收、处理和分析。
3. 实验水池:用于模拟水下环境。
4. 数据采集设备:用于记录实验数据。
四、实验步骤1. 水声阵列布设a. 根据实验需求,确定阵列的形状和尺寸。
b. 将水声换能器按照设计要求布设在水池中。
c. 确保所有换能器之间的距离和角度符合实验要求。
2. 信号发射与接收a. 使用发射器向水池中发射水声信号。
b. 使用接收器接收水声信号。
c. 记录接收到的信号数据。
3. 信号处理与分析a. 对接收到的信号进行滤波、放大等预处理。
b. 使用相关分析方法计算信号之间的时间差和强度差。
c. 根据时间差和强度差计算目标的距离和方位。
4. 实验结果分析a. 分析实验数据,验证水声阵列的探测性能。
b. 对实验结果进行总结和讨论。
五、实验结果与讨论1. 实验结果通过实验,成功布设了水声阵列,并接收到了水声信号。
通过信号处理和分析,得到了目标的距离和方位信息。
2. 讨论a. 实验结果表明,水声阵列可以有效探测水下目标。
b. 实验过程中,信号噪声对探测结果有一定影响。
c. 需要进一步优化水声阵列的布设和信号处理方法,以提高探测精度。
六、实验总结1. 通过本次实验,掌握了水声阵列的基本原理和实验方法。
2. 学会了水声信号的接收、处理和分析技巧。
3. 提高了实验操作能力和数据分析能力。
七、参考文献[1] 张三,李四. 水声阵列技术[M]. 北京:科学出版社,2018.[2] 王五,赵六. 水声信号处理与应用[M]. 北京:国防工业出版社,2019.[3] 李七,刘八. 水声探测技术[M]. 北京:电子工业出版社,2020.第2篇一、实验目的1. 理解水声阵列的基本原理和组成。
声学测量指导书
声学测量实验指导书陈洪娟哈尔滨工程大学水声工程学院2005.4.16第1部分必做实验实验1 声学测量仪器设备认知实验一、实验目的通过本实验掌握声学常用测量仪器的使用方法,并了解声学测量实验应该满足的条件要求和实验室进行实验时的注意事项。
二、实验内容与要求:1、内容单台演示各测量仪器的功能,并连接成测量系统演示水声信号。
2、要求教师操作并讲解,学生提问并试操作。
实验2 水听器自由场电压灵敏度校准一、实验目的通过本实验掌握水听器灵敏度的比较校准方法,并熟悉有关测量仪器的使用。
二、实验原理与方法1.水听器的灵敏度水听器就是水声接收换能器,它是把水下声信号转换为电信号的换能器。
水听器的灵敏度就是水听器的接收灵敏度,通常是指开路电压灵敏度,可分为自由场灵敏度和声压灵敏度。
(1)自由场[电压]灵敏度M在平面波自由声场中,水听器输出端的开路电压oc e 与在声场中引入水听器前存在于水听器声中心位置处的自由场声压f p 的比值,称为水听器的自由场电压灵敏度。
符号为M ,单位是伏每帕V/Pa ,以数学式表示为:f ocp e M = (1)自由场电压灵敏度是相对于平面行波而言的。
如果水听器是无指向性的,则不论平面波从哪个方向传来,灵敏度都是相等的。
如果水听器是有指向性的,则灵敏度随平面波入射方向而变。
因此,在水听器上必须标明正对平面波的入射方向、频率和输出端。
自由场灵敏度M 与其基准值r M 之比值的以10为底的对数乘以20,称为自由场[电压]灵敏度级,符号为M 、单位是分贝,以数学式表示为:M )/lg(20r M M = (2)自由场灵敏度级的基准值r M 为1V/μPa 。
(2)声压灵敏度水听器输出端的开路电压与作用于水听器接收面上的实际声压的比值称为水听器的声压灵敏度,符号为p M 。
当用分贝表示时,称声压灵敏度级,符号为p M 。
如果水听器的最大线性尺寸远小于水中波长,且水听器的机械阻抗远大于水听器在水中的辐射阻抗,则其声压灵敏度[级]等于自由场电压灵敏度[级]。
第一章水声测量资料
相对误差=绝对误差/真值=(测量值-真值)/真值 =测量值/真值-1
(3)分贝误差: 表示某一物理量级的测量误差。
Lp 20lg 1+p
如: *真值=1,测量值=0.99,测量值/真值=0.99 百分比误差=-0.01=-1%,分贝误差=-0.09=0.1dB
1.声源特性研究; 2.媒质特性研究; 3.声波发射与接收的研究; 4.测量方法与手段的研究; 5.声学设备的研究。
3声学测量的特点
1.环境因素影响大; 2.测量信号复杂; 3.测量空间多样; 4.测量精度低、量值传递误差大; 5.测量频域范围宽; 6.外场实验困难; 7.测量结果多用分贝表示。
5声学测量系统
X Lx ln x x0 (NP)
4、常用声学量的级及其基准值(GB3238-82)
声压级表达式为
P Lp 20lg( p / p0 )
其中: p为0 声压基准值; 在空气中为20μPa;
在水中为1μPa。
声强级表达式为
I LI 10lgI / I0
其中: I为0 声强基准值,在水中为1pw/m2。
倍频程是频程的单位
(3)ISO规定
a、1/1倍频程:n=1 b、1/3倍频程:n=1/3 c、十倍频程:
fH fL = 2
1
fH fL 23
fH fL =10
d、三者之间的关系:
十 倍 频 程(1个) 1/1 倍 频 程(3个)
1/3倍频程(3个)
1Hz
2Hz
4Hz
8Hz 10Hz
21/3Hz
第1章 声学测量的基本问题 第2章 测量换能器 第3章 声学测量基本方法(水声测量)
海洋地球物理探测3—海洋水声探测
三、大洋盆地
大洋盆地是海洋的主体
---深海盆地:是大洋盆地的主要部分,是深度4000-5000m的 开阔水域,它约占海洋总面积的45%。 ---深海平原:是深海盆地中最平坦的部分。它的坡度小于 1/1000,平均深度4877m。 ---海底山:深海平原中地形比较突出、范围又不太大的孤立高地。
总面积约1900万平方公里, 占海洋总面积的5%以上。
Ⅱ:活动型大陆边缘
最大特征是具有强烈而频繁的地震和火山活动;集中分布在 太平洋东西两侧,又称太平洋型大陆边缘;
活动型大陆边缘与现代板块的汇聚型边界相一致,是全球最 强烈的构造活动带。
特征:都以深邃的海沟与大洋底分界。
海沟:由板块的俯冲作用形成,位于深水(大于6000m)的狭长 洼地;可作为俯冲带的标志;
加利福尼亚湾
红海
印
阿拉伯海 安达曼海
度
蒂文海 阿拉弗拉海
洋
波斯湾 大澳大利亚湾
孟加拉湾
波罗的海
北海
大
地中海
西
黑海 加勒比海
洋
墨西哥海 比斯开湾
几内亚海
格陵兰海
北
楚科奇海
东西伯利亚海
冰
拉普贴夫海
喀拉海
洋
巴伦支海
挪威海
面积
(104km2)
230.4 159.0 77.0 101.0 360.0 40.0 48.0 34.8 43.5 69.5 479.1 230.0 132.7
大陆
海洋
海平面
大陆架 大陆坡 大陆隆 大陆边缘
水声目标强度测量实验室方法
水声目标强度测量实验室方法水声目标强度测量是水声信号处理领域的重要研究内容之一,广泛应用于海洋科学、水声通信以及水下探测等领域。
本文将介绍一种常用的水声目标强度测量实验室方法。
一、实验目的水声目标强度测量实验的主要目的是通过测量水中目标物体反射的声波能量,来确定目标的强度或散射截面。
通过该实验可以了解水中目标物体对声波的响应特性,为后续的水声信号处理和水下探测提供基础数据。
二、实验仪器与设备1. 发射器:用于发射声波信号的装置,通常采用水声发射器。
2. 接收器:用于接收目标物体反射的声波信号的装置,通常采用水声接收器。
3. 信号发生器:用于产生测试信号的设备,可以提供不同频率和幅度的声波信号。
4. 功率计:用于测量声波信号的功率,可以用来计算目标物体的强度或散射截面。
5. 实验水槽:用于容纳水样和目标物体的容器,通常采用透明材料制成,便于观察和调整实验参数。
三、实验步骤1. 设置实验参数:确定实验所需的声波频率、幅度和目标物体的位置。
2. 准备实验样品:在实验水槽中放置目标物体,并调整其位置和朝向,使其能够反射接收到发射器发出的声波。
3. 发射声波信号:通过发射器发出声波信号,信号可以是单频率或多频率的连续波或脉冲波。
4. 接收反射信号:由接收器接收目标物体反射的声波信号。
5. 计算目标物体强度:利用功率计测量声波信号的功率,根据声波的传播距离和角度等参数计算目标物体的强度或散射截面。
四、实验注意事项1. 实验过程中需保持实验水槽的清洁,避免杂质对实验结果的影响。
2. 发射器和接收器的位置、方向和距离应根据实验要求进行调整,以确保接收到目标物体反射的声波信号。
3. 信号发生器的频率和幅度应根据实验需要进行设置,以获取所需的测量结果。
4. 在测量过程中应注意避免干扰源对实验结果的影响,如避免来自其他声源的干扰信号。
5. 实验数据的处理和分析应准确无误,可以采用统计学方法对多次实验结果进行平均处理,以提高测量的准确性。
声学测量指导书
其中:基准值 为1 Pa·m/A。
2.发送响应的测量方法
虽然发送(电压或电流)响应都是按辐射到距发射器声中心1米处的表观声压值来定义的,但这并不意味着水听器到发射器的测量距离只限于1米。如果发射器的尺寸较大,离发射器声中心1米处的点,可能是处于发射器的近场区甚至还可能就在发射器(或其基阵)本身之内,例如,对于半径为2米的圆柱型发射器。因此,实际测量都是在大于1米的远场中的某距离上完成的,要求那里的发散声波是球面波,即声波强度或声压平方是随距离的平方成反比地衰减,所以有效值声压与距离成反比。这样把远场中d米处测量的声压值换算为1米处的表观声压值时,只要乘以距离d即可。
(3)缺少真正的自由声场。
(4)缺少足够大的信噪比,在本校准法中要求来自发射换能器的直达波信号与各种干扰噪声之比应在20dB以上,否则测量误差较大,甚至失效。
三、实验内容与要求:
1.内容:
根据实验条件给定一只发射换能器、一只标准水听器和一只待校水听器以及相应测量仪器,然后采用比较校准法测得该待校水听器的自由场电压灵敏度(级)。
(1)发送电压响应
发射器在某频率下的发送电压响应 ,是在指定方向上离其有效声中心参考距离上产生的自由场表观声压 与加到换能器输入端的电压V之比。单位:帕米每伏Pa·m/v。以数学式表示为:
式中: 为参考距离1m。
为表观轴向声压,可表示为 ,其中 为离被测换能器有效声中心d米处的声压。
因此,发送电压响应也可以说是发射器在某一频率下指定方向上离其有效声中心参考距离d米处的远场中的声压 和该参考距离的乘积与加到输入电端的电压V的比值,即:
(4)在实施测量时,水听器必须放置在发射换能器声场的远场区,以获得近似的平面波声场。其间距离可根据所选用的发射换能器的邻近区判据来决定。此外,还应事先检验三个换能器的水平和垂直指向性图,以便选定校准方向。对于指向性水听器,应选其声轴方向作为它的校准方向。为提高校准精度悬挂换能器时,要注意支架在水下可能产生散射对水听器的影响。
水声探测技术实验指导书三-五
实验三海洋环境噪声的测量及频谱分析本实通过对现有舰船辐射噪声采集数据进行处理,得到某一实验过程海洋环境噪声的分布规律,并将所得结果作图表示。
一、实验目的1、了解以舰船辐射噪声为代表的海洋环境噪声的基本特性。
2、掌握基本的时-频处理方法。
3、以实测数据为例,通过上机操作,达到一定的实际训练。
二、实验仪器计算机三、实验原理1、海洋噪声的来源海洋噪声的来源是多方面的,总的归纳起来有几大类:(1) 动力噪声:由、涌、浪引起低频压力脉动,水中引起的压力起伏,以及海浪拍岸的噪声,雨噪声等。
(2) 冰下噪声:由冰层运动引起的碰撞、摩擦和破裂的噪声,以及不平整的冰层表面与大气、海流相互作用的噪声。
(3) 生物噪声:由海洋动物所引起的各式各样的声音。
(4) 地震噪声:由地震、火山爆发以及海啸产生的噪声。
(5) 工业噪声:由人类的各种活动所引起的噪声。
如船舶航行的噪声,港口作业噪声,海底作业噪声等。
以上这些噪声源各有其自己的频谱特性。
通过频谱分析,不但可以了解声源信息,如根据海洋噪声探测海上风浪的情况,还可以根据海洋噪声场的特性,提高水声器材的抗干扰性能。
因此,有必要进一步了解水下噪声场的谱特性。
2、船舰噪声的谱特性舰船在水中运动时,将辐射噪声,其来源有下列三个方面:(1) 机械噪声:主机、辅机和各种空调设备产生的机械振动,它通过船壳辐射到海中。
(2) 螺旋桨噪声:螺旋桨转动产生水介质空化引起的空化噪声、及它的划水声和涡流声。
(3) 水动力噪声:水流过船壳产生的摩擦声及附件产生共振辐射的声音。
在多数情况下,机械噪声和螺旋桨噪声是主要的。
图5-1是典型的舰船噪声图谱。
在低频段,谱级随频率增高而增大。
在100~1000Hz之间出现一个峰值,主要是由于空化噪声产生的,峰值位置取决于舰船的航速。
在此频段以后,以大约每倍频程6dB的坡度下降。
另外还可以看到,在低频段出现一些线谱,它是机械噪声和螺旋桨“叶片速率”的谱线,早高频端这些谱线被连续谱掩盖,所以从图上看不到。
使用物理实验技术研究水下声学的实验方案
使用物理实验技术研究水下声学的实验方案引言水下声学是研究声波在水中传播和相互作用的科学。
在海洋工程、声呐系统、水下通讯等领域中,对水下声学的研究具有重要意义。
本文将讨论使用物理实验技术研究水下声学的实验方案。
通过实验可以了解声波在水中的传播规律以及声波与水下环境的相互作用,为水下声学领域的应用提供参考。
实验一:声速的测量声速是声波在介质中传播的速度,了解声速对于声纳的设计和水下通讯的实施至关重要。
为了测量水中声速,我们可以设计以下实验方案。
实验装置:1.声源:使用高频声源作为声波的发射器。
2.水槽:具有一定深度的水槽,可容纳声波传播的水环境。
3.电池供电与测量仪器:为高频声源提供电源和测量声波的传播时间。
实验步骤:1.在水槽中装满适量的水,并确保水的温度和压力均匀稳定。
2.将高频声源放入水槽中,设定合适的频率和声压级。
3.将测量仪器置于声源附近,准备准确记录声波传播时间。
4.打开声源,发射声波,并同时启动测量仪器以记录声波传播时间。
5.重复多次实验,取平均值得到声波传播时间。
6.结合声波传播距离(水槽深度)和声波传播时间,计算得出水中的声速。
实验二:声束特性的研究声束描述了声波在水中的传播方向和范围,了解声束特性对于声纳和水下定位非常重要。
为了研究声束特性,我们可以设计以下实验方案。
实验装置:1.声源:使用可调谐的声源,可以调整频率和声压级。
2.示波器:用于观察声波导致的水中颗粒振动。
3.声纳接收器:用于接收声波信号并输出到示波器。
实验步骤:1.在水槽中装满适量的水,并确保水的温度和压力均匀稳定。
2.将可调谐的声源放入水槽中,并设定合适的频率和声压级。
3.将示波器连接到声源和声纳接收器上,以观察声波传播时水中颗粒振动的情况。
4.调整声源的频率和声压级,观察示波器上的波形变化。
5.记录示波器上不同频率和声压级下的波形特征和传播距离。
6.分析实验数据,得出声源产生的声束特性。
实验三:水中噪声的测量水下噪声对于声纳系统的性能和水下通讯的质量有着重要影响。
水声海上实验方案
水声海上实验方案一、实验目的本实验旨在探究水声在海上传播的特性,通过实验观测和数据分析,了解水声在不同海洋环境中的传播规律,为海洋环境下水声通信技术的研究提供参考。
二、实验原理1.水声波的传播特性水声波是一种机械波,它在海洋中传播时会受到多种因素的影响,如海洋深度、温度、盐度、压力等。
这些因素会影响水声波速度和衰减程度。
2.水声测量仪器为了对水声波进行观测和分析,需要使用一些专门的仪器。
常用的仪器包括:水听器、振荡器、信号发生器、功率计等。
三、实验步骤1.选取合适的海域进行实验。
选择一个深度适中且没有太多杂音干扰的海域作为实验区域。
2.布置浮标和控制设备。
在实验区域内布置多个浮标,并设置相应的控制设备。
这些设备包括:振荡器、信号发生器等。
3.放置水听器。
将多个水听器放置在不同的位置,以便观测水声波在不同方向上的传播情况。
4.进行实验观测。
通过控制设备发出水声波信号,利用水听器观测和记录水声波在海上的传播情况。
同时,还需记录实验期间海洋环境因素的变化,如温度、盐度等。
5.数据分析和处理。
将观测到的数据进行分析和处理,得出水声波在海洋中传播的规律,并对实验结果进行总结和归纳。
四、实验注意事项1.选取合适的时间和天气条件进行实验。
2.保护好仪器设备,避免损坏或丢失。
3.注意安全防范措施,在海上操作时要注意安全带等防护措施。
五、实验结果与分析通过本次实验观测和数据分析,我们可以得出以下结论:1.水声波在海洋中传播速度较快,在深海区域速度更快。
2.水声波在海洋中会受到多种因素影响,如温度、盐度、压力等。
3.在不同方向上观测到的水声波信号强度不同,可以推断出水声波在不同方向上的传播距离和衰减情况。
六、实验应用本实验结果对海洋环境下水声通信技术的研究具有重要意义。
通过对水声波在海洋中传播规律的了解,可以为水声通信系统的设计和优化提供参考。
同时,还可以为海洋环境监测和控制等领域提供技术支持。
七、实验总结本次实验通过观测和数据分析,深入了解了水声波在海洋中的传播规律。
水下声波探测技术的实验与验证
水下声波探测技术的实验与验证嘿,咱今天来聊聊水下声波探测技术。
这玩意儿听起来是不是特高大上?其实啊,它离咱们的生活也没那么遥远。
我先给您讲讲我之前的一次经历。
有一回我去海边度假,在一艘小渔船上,船老大跟我说,他们有时候出海捕鱼,就靠一些简单的声波设备来判断鱼群的位置。
我当时就很好奇,这小小的声波咋就能有这么大的作用呢?咱先来说说水下声波探测技术的原理。
简单来讲,就是通过发出声波,然后根据声波反射回来的情况来了解水下的情况。
这就好比咱们在一个大黑屋子里,扔出一个弹力球,根据球弹回来的声音和时间,来判断屋子的大小和有没有障碍物。
在实验过程中,可没那么简单。
比如说,选择合适的声波频率就是个头疼的事儿。
频率太高了,传播距离短;频率太低了,分辨率又不行。
就像咱们挑鞋子,尺码大了走路不利索,尺码小了挤脚。
有一次实验,我们选的频率不太对,结果啥都没探测到,那感觉就像满心期待打开一个礼物盒,结果里面空空如也,别提多失落了。
还有啊,水下环境复杂得很。
水温、盐度、水流都会影响声波的传播。
有一回,我们在一个海湾做实验,那天水流特别急,声波被冲得七零八落,得到的数据乱七八糟,简直就是一团乱麻。
但经过不断地尝试和改进,也有成功的时候。
有一次,我们准确地探测到了水下一块礁石的形状和位置,那感觉就像在黑暗中终于找到了明灯,别提多兴奋了!在验证水下声波探测技术的时候,数据的处理和分析也很关键。
得从一堆看似杂乱无章的数据中找出有用的信息,就像在一堆沙子里淘金子。
有时候眼睛都看花了,还得耐着性子一点点分析。
这水下声波探测技术啊,在很多领域都大有用处。
比如海洋地质勘探,能帮咱们找到海底的矿产资源;在水下考古中,能让那些沉睡在海底的宝贝重见天日;在军事上,更是能让潜艇更好地了解周围环境,保障安全。
总的来说,水下声波探测技术虽然有挑战,但也充满了乐趣和惊喜。
就像我们在探索一个未知的神秘世界,每一次的尝试都是一次冒险,每一次的成功都是一次巨大的收获。
海洋水声探测技术_骆模义
。 ,
这 样 在 接受 点 就 陆 续 传 来 了 强 度逐 渐
于 是 形 成 了混 响
,
声 波 在 不 同 的介 质 中的传 播 速 度 是 不 同
3 《) 米 / 秒 左 右
;
减 弱 的连 续 散 射 回 波 是 一种 干扰
, ,
。
混响
,
它 和 目 标 回 波混在 一起
一 种 弹 性 波 声 波 的 产 生 需具 备 两 个 必 要 条 件
一是 要 有 产 生 声 源 的 振 动 体
、
成 散射
接 受点
。
这 些 散 射 波 一 部 分 先是 从 声 源 附 近 的
,
;
二 是要 有 能够 传
。
散 射体传 回 接 受 点
。
后 再 由 远 处 的 散 射 体传 回
,
播这 种 振 动 形 式 的 空 气 水等 弹 性 介 质
,
难以 分
而在水 中 它 的 传播速 度达 1 5 4 0
,
米/
秒 以上
。
声
开 大 大 影 响 了 水 声 设 备 对 目 标 的 辨 别能 力 掌
波 在 水 中 的传 播 速 度 受 温 度
,
、
盐度及海 水静 压
, 。
握 利 用 这 一 特性 对 于 研 究 水 声 对 抗
响措施是 非常重 要的
海洋水声探测技术
上 海 庆 宁 寺船 舶 修 造 厂
海 洋 水 声 探 测 设 备是 利用 声 波 的 水 下传
骆模 义
,
苏树 平
,
在 海 水 中传 播时 如 果 海 水 分 子 分 布 均 匀 上 下 左 右 传播速 度 相 同
第4节 水声探测技术
第一次世界大战时,德国潜水艇击沉了协约国大量战舰、 船只,几乎中断了横跨大西洋的海上运输线。 当时潜水艇潜在水下,看不见,摸不着,一时横行无敌。 于是利用水声设备搜寻潜艇和水雷就成了关键的问题。 法国著名物理学家郎之万等人研究并造出了第一部主动 式声呐,1918年在地中海首次接收到(2~3)km以外的潜 艇回波。 这种声呐可以向水中发射各种形式的声信号,碰到需要 定位的目标时产生反射回波,接收回来后进行信号分析、 处理,除掉干扰,从而显示出目标所在的方位和距离。
声波是观察和测量的重要手段。有趣的是,英文 “sound”一词作为名词是“声”的意思,作为动 词就有“探测”的意思,可见声与探测关系之紧 密。 声呐是水声学中应用最广泛、最重要的一种装置。 它是SONAR一词的“义音两顾”的译称(旧译为 声纳),SONAR是Sound Navigation and Ranging(声音导航测距)的缩写。
水声技术具体可分两个方面: 一是设计声呐的技术, 二是处理声呐信号的技术。
从运载声呐的载体来分,可分为舰壳声呐,拖曳 声呐,直升飞机吊放式声呐,海底固定声呐及声 呐浮标等, 从其功能上可以分为远距离警戒声呐,中距离瞄 准声呐,近距离高分辨力的探雷声呐,鱼探仪, 测深仪以及用于海洋勘探及导航用的多卜勒声呐 等; 按其工作方式可以分为主动式或被动式两大类声 呐。 如何根据使用海区的特点,根据战术指标及技术 指标设计新型的声呐,这是水声技术所要解决件情况如下: 2009年3月4日,一艘中国渔业局巡逻艇数度利用强力探照灯照射美 国海洋观测船“无瑕号”整个船身。当时无瑕号在距中国海岸231公 里的黄海上作业。这般巡逻艇随后在没有知会或警告的情况下,在无 瑕号正前方约1280公尺处横向通过。 第二天,一架中国Y-12海上侦察机12次以大约122公尺高度、457公 尺的距离飞行经过胜利号。 3月5日,一艘中国巡防舰无预警接近美国“无瑕号”,并在距船首约 91公尺处穿越,不到两小时之后,一艘中国Y-12侦察机以183公尺高 度、30到90公尺的距离11度飞行经过无瑕号。 然后巡防舰再次从无瑕号前方通过,这次距离约366到457公尺,既 未礼让,也不表明意图。 3月7日,一艘中国情搜船利用船上无线电向无瑕号发出挑战,指控无 瑕号非法作业,并要求无瑕号离开那个海域,否则就“承担后果”。 美国国防部3月9日以控诉的口吻指出,五艘中国船只跟踪并危险地接 近美国海军船只,显然企图“骚扰”美军船员。
哈工程声呐实验报告
一、实验目的1. 了解声呐的基本原理和组成。
2. 掌握声呐系统的操作方法和数据处理技巧。
3. 通过实验,验证声呐系统在实际应用中的有效性和准确性。
二、实验原理声呐(SONAR)是Sound Navigation And Ranging的缩写,是一种利用声波在水中传播的特性进行探测、定位和通信的技术。
声呐系统主要由声源、换能器、发射电路、接收电路、处理电路和显示设备等组成。
实验中,声呐系统通过发射电路将电信号转换为声波,声波在水中传播并遇到障碍物时,会反射回来。
接收电路捕捉到反射声波,将其转换为电信号,处理电路对电信号进行处理,最终在显示设备上显示出障碍物的位置和距离。
三、实验仪器与设备1. 声呐系统一套2. 水池一个3. 水下障碍物若干4. 电源及连接线5. 计算器及数据处理软件四、实验步骤1. 准备工作:将声呐系统放置在水中,连接电源及连接线,打开声呐系统,确保系统正常工作。
2. 实验一:声呐系统基本操作(1)调整声呐系统的工作频率,观察显示设备上的声波波形。
(2)调整声呐系统的发射功率,观察显示设备上的声波波形变化。
(3)调整声呐系统的接收灵敏度,观察显示设备上的声波波形变化。
3. 实验二:声呐系统定位实验(1)在水池中放置水下障碍物,确保障碍物与声呐系统之间的距离在一定范围内。
(2)打开声呐系统,观察显示设备上的声波波形,记录声波反射时间。
(3)根据声波反射时间,计算水下障碍物的距离。
4. 实验三:声呐系统探测实验(1)在水池中放置多个水下障碍物,确保障碍物与声呐系统之间的距离在一定范围内。
(2)打开声呐系统,观察显示设备上的声波波形,记录声波反射时间。
(3)根据声波反射时间,绘制水下障碍物的分布图。
五、实验结果与分析1. 实验一结果:通过调整声呐系统的工作频率、发射功率和接收灵敏度,观察显示设备上的声波波形,发现调整这些参数可以改变声波的特性,从而影响声呐系统的探测效果。
2. 实验二结果:根据声波反射时间,计算水下障碍物的距离,结果显示声呐系统可以准确地探测到水下障碍物的位置和距离。
第三章 水声测量
2
则
p
2cu0
s in
ka2 4r
2cu0
a 2
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2r
p(r, t )
j
u0 a 2
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2
J1 (k asin
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)
e
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kr)
p
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s in
ka2 4r
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a 2
sin
2r
当 很小时, sin 所以
若 ka2 4r
1即
a2
r
2
sin
ka 2 4r
d
eox
d
p eop
Mp
e0 p p
MX
e0 x p
MX
MP
eox eop
实验室发送电压响应测量方法
eop
d pd
SV
Pd d Ui
pd
eop Mp
SV
eop Ui
d 1 Mp
测量原理图(标准声源作参考)
IF
dX
F0
JX
eX
ZF0J X
eX I F0
eX pd X
• pdX dX • 1
将频率为待测发射换能器谐振频率f的电信号加到待测发射换 能器上,且保持加到换能器上电流(或电压)恒定(即保持发射声场稳 定不变)。转动待测换能器,记下发射换能器不同方位上水听器输出 电压值。
水听器指向性测量
发射器
d
接收器
将待测水听器安装在测量回转杆上,回转杆必须通过换能器的 有效声中心,否则发射器和接收器间距必须比有效声中心和转轴 间距大100倍。发射器和接收器的间距要满足远场条件。
近似于圆形或方形活塞
水声探测技术实验报告一
实验一 海水中的声速分布本实通过对现有CTD 数据进行处理,得到某一实验过程中海水声速分布规律,并将所得结果作图表示。
一、实验目的1、了解温盐深仪的测量原理。
2、掌握利用乌德声速经验公式,估算、讨论海水中声速的方法。
3、以实测数据为例,通过上机操作,达到一定的实际训练。
二、实验仪器温盐深仪(CTD ),计算机三、实验原理CTD 测量技术是研究海洋和应用海洋的最基本的一种技术。
对于海水CTD 参数的测量,可以归结到一种物理量的测量。
例如,由传感器测量响应的电阻的变化来完成。
简而言之,电导率C 与一定海水水柱的电阻有关(C = K ),可以通过流过电导池的海水的电阻随海洋环境(海水的温度、压力和盐度)的变化来提取。
温度的变化通过热敏电阻反映海水的温度T (K = T )。
而深度D 一般通过压力测量,根据数学关系进行计算。
而压力P (K = P )的测量采用应变式硅阻随深度变化取得。
实际上传感器感应的海水CTD 参数,通过转换电路的输出为电信号。
一般说来传输特性为一高次多项式。
∑==ni i i R a K 0 (1)为取得传感器的定标方程,要求严格的试验程序:第一,需要足够精度的测试设备;第二,权威的计量标准;三,根据传感器与定标设备,设计测量方案、制定操作步骤、测量取数;第四,进行符合传感器物理特性的定标方程的拟合。
3.1 电导率传感器定标方程(S/M )()eP dt if if hf g V +++++=110432 (2) 式中:V 为电导率(S /m );f 为频率(KHz );t 为温度(℃);P 为压力(dB );d = 3. 25×10-6为电导池玻璃的温度系数;e = -9. 57×10-8为与压力相关的系数;g 、h 、i 、j 为回归方程确定的系数。
目前,电导率传感器主要为电极式和感应式,标称精度均为0. 001mS/cm 。
两种传感器各有所长,时起时落循环不息。
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实验三海洋环境噪声的测量及频谱分析本实通过对现有舰船辐射噪声采集数据进行处理,得到某一实验过程海洋环境噪声的分布规律,并将所得结果作图表示。
一、实验目的1、了解以舰船辐射噪声为代表的海洋环境噪声的基本特性。
2、掌握基本的时-频处理方法。
3、以实测数据为例,通过上机操作,达到一定的实际训练。
二、实验仪器计算机三、实验原理1、海洋噪声的来源海洋噪声的来源是多方面的,总的归纳起来有几大类:(1) 动力噪声:由、涌、浪引起低频压力脉动,水中引起的压力起伏,以及海浪拍岸的噪声,雨噪声等。
(2) 冰下噪声:由冰层运动引起的碰撞、摩擦和破裂的噪声,以及不平整的冰层表面与大气、海流相互作用的噪声。
(3) 生物噪声:由海洋动物所引起的各式各样的声音。
(4) 地震噪声:由地震、火山爆发以及海啸产生的噪声。
(5) 工业噪声:由人类的各种活动所引起的噪声。
如船舶航行的噪声,港口作业噪声,海底作业噪声等。
以上这些噪声源各有其自己的频谱特性。
通过频谱分析,不但可以了解声源信息,如根据海洋噪声探测海上风浪的情况,还可以根据海洋噪声场的特性,提高水声器材的抗干扰性能。
因此,有必要进一步了解水下噪声场的谱特性。
2、船舰噪声的谱特性舰船在水中运动时,将辐射噪声,其来源有下列三个方面:(1) 机械噪声:主机、辅机和各种空调设备产生的机械振动,它通过船壳辐射到海中。
(2) 螺旋桨噪声:螺旋桨转动产生水介质空化引起的空化噪声、及它的划水声和涡流声。
(3) 水动力噪声:水流过船壳产生的摩擦声及附件产生共振辐射的声音。
在多数情况下,机械噪声和螺旋桨噪声是主要的。
图5-1是典型的舰船噪声图谱。
在低频段,谱级随频率增高而增大。
在100~1000Hz之间出现一个峰值,主要是由于空化噪声产生的,峰值位置取决于舰船的航速。
在此频段以后,以大约每倍频程6dB的坡度下降。
另外还可以看到,在低频段出现一些线谱,它是机械噪声和螺旋桨“叶片速率”的谱线,早高频端这些谱线被连续谱掩盖,所以从图上看不到。
图1 典型的舰船噪声图谱对舰船噪声特性,一般可用它的平均功率谱、线谱和“动态谱”来描述。
这些谱特性,对我们检测和识别舰船噪声提供了有用的信息。
因此,测量和分析舰船噪声,认识它的规律性,将有利于我们设计最佳接收设备和判别舰船目标。
3、海洋噪声的频谱特性海洋噪声是由各种原因产生的,并且受到许多因素的影响。
它的频谱很复杂,一般无法用一组简单的频谱曲线来描述。
图2汇集了对海洋噪声的各种研究结果,一般称之为文兹谱级图。
纵坐标代表声压级(注意:这里是以2×10-5Pa 为参考值),横坐标使用对数刻度表示频率。
箭头所表示的频段为某类噪声源的频谱范围。
整个噪声级的变化趋势是随频率的增加而下降。
在1Hz到100kHz范围内变化120~130dB,但就某一频率而言其动态范围在40~60dB。
在低频段,一般下降较陡,每倍频程下降3~10dB。
在100Hz到20kHz范围是目前水声工作中较常用的频段,它的噪声级高达60~80dB,与风力大小关系有关。
低频段还与舰船噪声的大小有关,一般随频率的增加而下降。
在高频段的热噪声,反而随频率增加而增强,每倍频程增大6dB。
标有圆圈数字的一簇曲线,代表海面风速大小所对应的噪声谱曲线。
圈内的数字表示蒲氏风级,它的噪声级随风速增大而增高,但不是直线关系。
阴影区为大洋航线上的平均船舶噪声级概况。
它上面的虚线为通过较频繁海区的噪声频谱。
可看到海洋噪声是由许多频率和强度不同的成分随机地组合。
在频谱上对应的各频率成分紧密地连在一起,成为一条连续的曲线,所以它一般是连续谱。
只有在接收船舶噪声时,有时才看到连续谱上加有突出的线谱,这是一种复合谱。
图2文兹谱级图4、频谱分析技术大家都知道,海洋噪声是一个随机过程。
描述它的基本统计特性,主要由它的功率谱密度函数和相关函数两方面来表征。
而相关函数的富氏变换便是功率谱密度。
如果在海况和风力不变的情况下,海洋噪声可以看作为一个平稳的随机过程。
借助傅里叶变换,信号可以时间函数或频率函数两种形式描述,特别是周期信号和准周期信号(前者由一个基频成分和若干谐波成分,后者虽可分解为几个正弦分量,但它们的周期没有公倍数),从频率域可以很清楚地了解它们由哪些正弦分量组成。
信号的频谱可分为幅值谱、相位谱、功率谱、对数谱等等。
对信号作频谱分析的设备主要是频谱分析仪,它把信号按数学关系作为频率的函数显示出来,其工作方式有模拟式和数字式二种。
模拟式频谱分析仪以模拟滤波器为基础,从信号中选出各个频率成分的量值;数字式频谱分析仪以数字滤波器或快速傅立叶变换为基础,实现信号的时-频关系转换分析。
傅立叶变换是信号频谱分析中常用的一个工具,它把一些复杂的信号分解为无穷多个相互之间具有一定关系的正弦信号之和,并通过对各个正弦信号的研究来了解复杂信号的频率成分和幅值。
信号频谱分析是采用傅立叶变换将时域信号x(t)变换为频域信号X(f),从而帮助人们从另一个角度来了解信号的特征。
时域信号x (t )的傅氏变换为:()()⎰+∞∞--=t e t x f X ft d π2j (1) 式中X (f )为信号的频域表示,x (t )为信号的时域表示,f 为频率。
用傅立叶变换将信号变换到频率域,其数学表达式为:()()()()()()∑∞=-+=+++++=100020201010π2cos π4sin π4sin π2sin π2sin 2n n n f t nf C C t f b t f a t f b t f a a t x Λ (2)用C n 画出信号的幅值谱曲线,从信号幅值谱判断信号特征。
三、实验内容与要求 1、实验内容(1) 使用已经有采集完成的噪声信号数据,海上测量工作可以不必进行。
(2) 对各种不同的海洋环境噪声进行谱分析。
2、实验要求(1) 使用MATLAB 对已录制的各种噪声信号(船舶噪声)进行频谱分析,并画出分析结果的功率谱曲线。
(2) 从传播噪声的谱分析中,取几组特征声线谱进行分析。
(3) 利用时-频分析处理方法对测量结果各谱线的谱特性进行讨论,并分析其产生的原因。
六、数据记录 无实验四 ADCP 原理及数据处理方法一、实验目的 1、了解声学多普勒流速剖面仪(Acoustic Doppler Current Profiler ,ADCP )基本的工作原理和使用方法;2、掌握对ADCP 实测数据的基本处理方法并作图实现;二、实验仪器声学多普勒流速剖面仪(Acoustic Doppler Current Profiler ,ADCP )、计算机三、实验原理声学多普勒流速剖面仪(Acoustic Doppler Current Profiler )(图1)的英文缩写为ADCP ,它是近十多年才发展和应用的一种快速、经济、有效的高精度测流仪器。
该仪器自20 世纪90 年代初被引进我国,至今已在我国的河流、湖泊、海洋等的水体流量测验中广泛应用,特别是在潮汐河段的水文测验中应用较多。
图1 声学多普勒流速剖面仪ADCP 安装在特制的船上(图2),每个ADCP 配有4 个换能器(图3),换能器与ADCP 轴线成一定夹角,每个换能器既是发射器又是接收器。
换能器发射的声波能集中于较窄的范围内,也称为声束。
换能器发射固定频率的声波,然后聆听被水体中颗粒物散射回来的声波。
假定颗粒物的运动速度和水体流速相同,当颗粒物的运动方向接近换能器时,换能器聆听到的回波频率比发射波的频率高;当颗粒物的运动方向背离换能器时,换能器聆听到的回波频率比发射波的频率低。
声学多普勒频移,即发射声波频率与回波频率之差由下式确定:CVF F S D 2 (1)(1)中:F D 为声学多普勒频移;F S 为发射声波频率;V 为颗粒物沿声波方向的移动速度;C 为声波在水中的传播速度。
2为系数,因为ADCP 既能发射声波又能接受回波,因此多普勒频移加倍。
图2四声束ADCP 换能器分布及编号示意ADCP 每个换能器轴线即为1个声束坐标,每个换能器测量的流速是水流沿其声束坐标方向的速度,任意3个换能器轴线即组成一组相互独立的空间声束坐标。
此外,ADCP 自身定义有直角坐标系:X-Y-Z。
Z方向与ADCP 轴线方向一致。
ADCP 首先测出沿每一声束坐标的流速分量,然后利用声束坐标与X-Y-Z坐标之间的转换关系,将声束坐标系下的流速转换为X-Y-Z坐标系下的三维流速,再利用罗盘和倾斜仪提供的方向、倾斜数据将X-Y-Z坐标系下的流速转换为地球坐标系下的流速。
而利用四个波束测量,增加了测量信息量,使流速测量的短期精度比采用三波束提高了25%,其对称性,能够有效地消除由于船只横摇和纵摆引起的流速测量误差。
图3 ADCP原理流程图四、实验内容1、通过Matlab作图给出测量过程中测量地形深度与行船轨迹变化关系;2、通过Matlab作图给出测量过程中行船轨迹上各店流速矢量分布图;3、通过Matlab作图给出某一测量断面全海深流速分布图;五、实验步骤1、通过Matlab编程三选二实现上述实验内容。
六、数据记录无实验五 硬底均匀浅海声场建模研究一、实验目的1. 掌握利用简正波方法计算对典型浅海声场进行建模仿真;2. 掌握利用Matlab 编程实现对单频声信号传播损失的计算;二、实验仪器计算机三、实验原理把浅海看做硬质海底,水深为常数和声速均匀的水层,是一简化了的浅海模型。
运用波动声学方法对简化浅海模型的分析,将得到有用的结论和了解浅海声传播的物理现象。
图1 硬底均匀浅海声道把浅海看作硬质海底,水深为常数和声速均匀的水层,是一简化了的浅海模型。
运用波动声学方法对简化浅海模型的分析,将得到有用的结论和了解浅海声传播的物理现象。
如图1仿真环境所示,若有一声速c =c 0、水深z =H 的均匀水层,z =0为海表面,海表面为一自由平整界面,z =H 为一完全硬质海底,点声源位于r =0、z =z 0处。
在该环境下,层中声场应满足非齐次赫姆霍兹方程,可写为:()02022π41r r --=+∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂δA p k zp r p r r r (1) r 0为点源的位置r 0=0·r +z 0·z ,r 和z 为单位矢量。
δ(r -r 0)为三维狄拉克函数,定义为:()⎩⎨⎧=-⎰外包含在体积内包含在体积V V V V00001d r r r r δ (2)在圆柱对称情况下,体积分选成圆柱对称形式,则:()⎩⎨⎧=⋅-⎰01d d 20Vz r πr r r δ (3)为了满足上式,把δ(r -r 0)选为:()()()00π21z z r r-⋅⋅=-δδδr r (4)令A =1,式(1)可写成:()()020222221z z --=+∂∂+∂∂+∂∂δδr rp k z p r p r r p (5) 令()()()∑=nn n z Z r R z r p ,代入上式,经分离变量后得:()()020*******d d d d 1d d z z r r Z k z Z R r R r r R Z n n n n n n n --=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+∑δδ (6) 若Z n (z )满足22022d d 1n n n k zZ Z ζ=+,其中00c k ω=,ζn 为常数值,可得到Z n (z )所满足的微分方程:0d d 220222=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+n n n Z c z Z ζω (7) 公式(7)的解需要满足正交归一化条件:()()⎩⎨⎧≠==⎰nm nm z z Z z Z Hm n 01d 0(8) Z n (z )被称为本征函数。