声波在目标上的反射和散射
声波在目标上的反射和散射matlab
声波在目标上的反射和散射matlab声波是一种机械波，它的传播需要介质的存在。
当声波遇到目标物体时，会发生反射和散射现象。
本文将从理论和实验两个方面，介绍声波在目标上的反射和散射的特点及其在MATLAB中的模拟。
声波的反射是指声波遇到目标物体后，一部分能量被目标物体反射回来。
反射的特点与目标物体的形状、大小、材质以及声波的频率和入射角度等因素有关。
对于光滑的目标物体，声波的反射角等于入射角；而对于粗糙的目标物体，声波的反射角会发生散射现象，即反射角的分布范围更大。
此外，对于不同频率的声波，其在目标上的反射特性也会不同。
通过在MATLAB中建立相应的模型，可以对不同目标和声波参数下的反射特性进行仿真分析。
声波的散射是指声波遇到目标物体后，被目标物体吸收、传播和散射出去。
与反射相比，散射更加复杂，涉及到目标物体的形状、大小、材质以及声波的频率和入射角度等因素。
散射的特点是声波在目标周围形成一定的辐射场，使得声波在目标附近的传播方向发生改变。
通过在MATLAB中建立适当的散射模型，可以模拟不同目标和声波参数下的散射现象，进而对声波在复杂环境中的传播进行分析。
在MATLAB中，可以利用声波的传播方程和适当的边界条件，建立声波在目标上的反射和散射模型。
通过求解声波传播方程，可以得到声波在目标上的反射和散射的振幅、相位以及能量分布等信息。
同时，还可以利用MATLAB提供的画图函数，将模拟结果以图形的形式展示出来，更直观地观察声波在目标上的反射和散射现象。
除了理论模拟，实验也是研究声波在目标上的反射和散射的重要手段。
通过在实验室中搭建合适的实验装置，可以模拟声波在目标上的反射和散射过程。
实验中可以使用声波发生器产生特定频率和幅度的声波，然后通过适当的探测器或传感器来测量声波在目标上的反射和散射情况。
利用MATLAB进行数据处理和分析，可以得到实验结果的定量描述，并与理论模拟结果进行对比，验证理论模型的准确性和可靠性。
水声学复习提要
rR rn
距离r
College of Underwater Acoustic Engineering HEU
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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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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？
水声学-声波在目标上的反射和散射
。
1 r
2）在远场（距离大于 ），回声强度随距离的衰
减服从球面波规律，r即0
。
1 r2
3）若分别在近场和远场进行测量，然后按照球面
波规律归算到距目标声中心1m处，则结果必然
是远距离测量值大于近距离测量值。
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
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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
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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
随方位的变化 1）在艇的舷侧正横方向上，目标强度值最大，达
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目标强度
目标强度概念
水下目标 1）军事目标：潜艇、鱼雷、水雷 2）民用目标：鱼群 3）无限伸展非均匀体：深水散射层、海面、海底
等 研究声纳目标回波特性的意义 A）主动声纳目标检测和识别的依据 B）对声纳设备的设计和应用有重要意义
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常见声纳目标的目标强度的一般特征
鱼雷和水雷目标强度
正横方位上圆柱形物体的目标强度：
TS 10 lg aL2
声波传感器的工作原理
声波传感器的工作原理声波传感器是一种使用声波作为探测媒介的传感器，它的工作原理是基于声波的传播和回波接收原理。
声波传感器将声波发送到目标物体或媒介中，通过接收回波来确定目标物体的位置、距离、形态等信息。
下面将详细介绍声波传感器的工作原理。
声波传感器分为发射器和接收器两个部分。
发射器通过震动元件（例如压电晶体）产生高频声波，然后将声波传播到目标物体或传感器要监测的媒介中。
接收器则用于接收回波信号，并将其转换为电信号。
当发射器将声波传播到媒介中时，声波会因媒介的阻抗和密度差异而出现反射、折射、散射等现象。
当声波遇到目标物体时，一部分声波会被目标物体吸收、散射或反射。
这些散射或反射的声波会在媒介中形成回波，并通过传回给接收器。
接收器接收到回波信号后，通过接收元件（例如压电晶体）将回波声波转换为电信号。
接收元件的震动会受到回波信号的影响，进而在电极上产生微小的电压变化。
这个电压变化信号经过放大、滤波等处理后，最终转换为数字信号，供后续处理和分析。
声波传感器需要进行声速校准，因为声波在不同的媒介中传播速度不同。
校准的目的是根据声波在特定媒介中的传播速度来计算目标物体的真实距离。
声波传感器通常会将发射和接受的时间差（也称为时间延迟）转换为距离。
在进行测距时，声波传感器发射声波信号后，开始计时，待接收到回波信号后，记录下时间。
通过测量发射和接收时间差以及声波在媒介中的传播速度，可以计算出目标物体与传感器的距离。
这种测距原理被称为时间差法测距。
声波传感器还可以用来检测目标物体的形态和位置。
通过分析回波信号的幅度、频率、相位等参数，可以判断出目标物体的形态特征。
例如，当回波信号的幅度越大，说明目标物体越大或越靠近传感器。
频率信息可以用于鉴别目标物体的种类，因为不同物体会对声波产生不同频率的响应。
总之，声波传感器通过发射和接收声波来获取目标物体的位置、距离、形态等信息。
其工作原理是利用声波在媒介中的传播和回波特性，通过时间差法测距以及分析回波信号的特征参数来实现对目标物体的探测和检测。
声波的七种效应
声波的七种效应
声波在介质中传播时可能产生以下七种效应：
1. 反射：当声波遇到障碍物或界面时，部分能量会被反射回来，并改变声波的传播方向和强度。
2. 折射：当声波从一个介质传播到另一个介质时，由于介质的密度和声速的变化，声波的传播方向也会发生改变。
3. 吸收：介质中的材料吸收声波的能量，导致声波的逐渐减弱和衰减。
4. 散射：当声波遇到介质中的不均匀性或微观结构时，会发生散射，使声波在不同方向上扩散。
5. 干涉：当两个或多个声波在同一位置相遇时，它们可能会相互叠加或相消干涉，导致声波的增强或减弱。
6. 绕射：当声波遇到一个障碍物边缘时，它可能会沿着障碍物的曲面弯曲传播，这种现象称为绕射。
7. 多次反射：声波在多个表面之间来回反射，产生复杂的声场分布，这种现象被称为多次反射。
这些效应在声学领域中有广泛的应用，例如在声音传播、声学工程、超声成像和音响技术等方面。
声呐的原理及例子
声呐的原理及例子
声呐（Sonar）是利用声音在水中的传播速度差异，通过发射声波并接收其反射回来的信号来探测和测量目标物体的一种技术。
其原理类似于雷达，但是在水中使用。
声呐主要通过以下步骤工作：
1. 发射：声呐通过一个或多个发射器产生声波。
声波会以一定的频率和特定的声压级（声音强度）向水中传播。
2. 传播：声波在水中传播时会受到水质、水温、水压等因素的影响。
声波的速度在不同水层中可能存在差异。
3. 目标反射：当声波遇到一个目标物体时，部分声波会被反射回来或散射开来。
这些反射的声波被称为回波。
4. 接收：声呐的接收器会接收到回波，并将其转化为电信号。
5. 信号处理和分析：电信号经过信号处理和分析后，可以确定目标物体的位置、形状、大小、距离等信息。
声呐在海洋、水下测绘、水下探测、船舶导航等领域有着广泛的应用。
以下是一些声呐的例子：
1. 捕鱼声绘声呐：捕鱼声绘声呐是渔船上常见的一种声呐系统。
它可以发射声波，接收鱼群等目标物体的回波，帮助渔民判断鱼群的位置和数量。
2. 海底测绘声呐：海底测绘声呐用于测绘海底地形和海洋地质结构。
它可以发射声波，通过接收回波来绘制出测量区域的地形图和地质构造图。
3. 水下探测声呐：水下探测声呐常用于搜寻和定位水下目标，如沉船、水下障碍物等。
它可以发送声波，通过接收回波来确定目标的位置和形状。
4. 海洋生物研究声呐：海洋生物研究声呐用于研究海洋生物，如鲸鱼、海豚等。
它可以发射声波，接收生物体的回波来记录它们的行为、迁徙路径等信息。
水声学第六章 声波在目标上的反射和散射
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 1）随着脉冲长度的增加，对回声有贡献的物体表面 积相应增大； 2）脉冲长度由短逐渐变长时，目标强度值也由小逐 渐变大，直到脉冲长度变为 0 2 L sin θ c 后，目标 强度值就不再随脉冲长度的变化而变化。 提示：TS随脉冲宽度的变化关系决定了TS测量时的 最小脉冲宽度；但在正横方向上目标强度随脉冲 长度变化的现象不明显。因为这时目标在入射波 方向上的长度很小，并且几何镜反射是形成回声 的主要过程；当测量目标上的单个亮点处的目标 强度时，该效应也不显著（脉宽减小效应）。ຫໍສະໝຸດ 222019/1/22
常见声纳目标的目标强度的一般特征
潜艇的目标强度 随频率的变化 二战期间，人们曾用12、24和60千赫的频率 进行潜艇目标强度的测量，试图确定潜艇目标强 度的频率响应，但测量结果表明：潜艇目标强度 不存在明显的频率效应，如果有的话，也被实测 值的不确定性（离散性）所掩盖。 提示：潜艇目标的结构和几何形状十分复杂，产 生回声的机理是多种多样的。 随深度的变化 深度对目标强度值的影响不是影响了潜艇本 身，而是深度变化引起声传播规律的变化。 提示：深度对潜艇尾流回声有影响。
1）正横方位或头部目标强度值较大——强镜反射
2）尾部和雷体上小的不规则部分目标强度值较小。
2019/1/22
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常见声纳目标的目标强度的一般特征
鱼雷和水雷目标强度
正横方位上圆柱形物体的目标强度：
aL2 T S 10 lg 2λ
式中，a为圆柱半径，L为圆柱长， λ 是声波波长 举例：若 a 0.2 m ， L 1.5 m ，λ 0.03 m，可得目标 强度值 TS 9 dB 。该值与水雷正横方向上的测量值 基本相符。 提示：鱼雷和水雷的目标强度也随方位、频率、脉 冲宽度和测量距离变化，大体与潜艇的相类似。
声纳的原理
声纳的原理声纳是一种利用声波进行探测和通信的技术，它在海洋、水下、空中等领域有着广泛的应用。
声纳的原理是利用声波在不同介质中传播的特性，通过声波的反射、折射等现象来获取目标物体的位置、形状和性质信息。
声纳技术的发展对于海洋资源的开发、水下探测、水声通信等领域有着重要的意义。
声纳的原理可以简单地分为发射和接收两个过程。
在发射过程中，声纳系统会产生一定频率和强度的声波信号，并将其传播到水下或空中。
这些声波信号会与目标物体发生相互作用，一部分被目标物体反射回来，另一部分则继续传播。
在接收过程中，声纳系统会接收到反射回来的声波信号，并通过信号处理和分析来获取目标物体的信息。
声纳的原理涉及到声波在不同介质中传播的特性。
声波是一种机械波，它需要介质来传播，可以在固体、液体和气体中传播。
声波在传播过程中会受到介质密度、压力、温度等因素的影响，从而产生折射、反射、散射等现象。
通过对声波在介质中传播的特性进行分析，可以获取目标物体的位置和性质信息。
除了传播特性，声纳的原理还涉及到声波与目标物体的相互作用。
当声波遇到目标物体时，会发生反射、散射等现象，一部分声波被目标物体反射回来，这些反射回来的声波包含了目标物体的信息。
通过接收这些声波信号，并进行信号处理和分析，可以获取目标物体的位置、形状和性质信息。
声纳的原理还包括了声波的发射和接收技术。
声波的发射需要发射装置来产生一定频率和强度的声波信号，而声波的接收则需要接收装置来接收和处理反射回来的声波信号。
通过发射和接收技术的不断改进和创新，可以提高声纳系统的探测和通信性能。
总的来说，声纳的原理是利用声波在不同介质中传播的特性，通过声波与目标物体的相互作用来获取目标物体的信息。
声纳技术的发展对于海洋资源的开发、水下探测、水声通信等领域有着重要的意义，相信随着科技的不断进步，声纳技术将会有更广阔的应用前景。
声波的散射与衍射现象
声波的散射与衍射现象声波是一种机械波，它是由物体振动产生的，通过压缩和稀疏介质使得声音从一个点传播到另一个点。
在传播过程中，声波会遇到不同物体或障碍物，从而发生散射与衍射现象。
散射和衍射是声波传播特性重要的表现形式，对于理解声波在实际环境中的传播行为具有重要意义。
一、散射现象散射是指当声波遇到介质中的微观不均匀性或障碍物时，改变了声波的传播方向。
这是因为声波遇到不均匀性或障碍物时，会受到反射、折射和绕射等影响。
当声波遇到比较大的障碍物时，会发生反射，即声波从障碍物表面反射回来。
而当声波遇到比较小的不均匀性或障碍物时，会发生折射，即声波经过介质的界面发生弯曲。
此外，声波传播到一定距离后，还会发生绕射，即声波沿着障碍物边缘弯曲传播。
散射现象具有一定的规律性。
根据物体的大小和声波的波长，可以产生不同形状的散射图样。
当物体的尺寸远远大于声波的波长时，散射图样呈现出明显的几何形状；而当物体的尺寸与声波的波长相近时，散射图样则呈现出类似光的多普勒效应的模式。
二、衍射现象衍射是指当声波通过物体边缘或孔径时，会发生弯曲传播和扩展的现象。
声波在通过物体边缘或孔径时，会遇到物体的边界或孔径尺寸的限制，导致声波波前的形状变化，使得声波在绕过物体或通过孔径时发生衍射。
衍射现象会导致声波在传播过程中的能量分散和延迟。
衍射现象的特点是声波无论在多大角度下都能传播到暗区，即使是声波相对于物体边界或孔径较大角度入射也不例外。
这是因为声波在传播过程中会发生弯曲和波前变化，使得声波能够传播到原本无法照射到的区域。
衍射对于声波在实际环境中的传播具有重要影响，因为即使在遇到物体障碍物时，声波仍然能够绕射到声源的周围，保持较广泛的传播。
三、应用与意义声波的散射与衍射现象在实际生活中有着广泛的应用和意义。
例如，在声纳系统中，通过探测声波与物体的散射情况，可以获取物体的形状和距离信息；在声波探测与遥感中，通过分析声波的衍射图样，可以确定目标的位置和表面形貌；在音响系统中，通过调整音箱和扬声器的设计，使得声波在房间内得到合理的散射和衍射，改善音质和声场扩散效果。
声波在目标上的反射和散射
m m amim2m1P0jmrkrhm1rkrra
根据边界条件，可确定待定系数 ： 对于散射波的远场，利用球汉克尔函数在大宗量条件下近似展开： 散射波声压表达式为：
5.6 刚性球体散射声场
pskP0eikrtrm0im2m1ddmkkjaaddm1kkheaia2m21PmcosDk1am0bmei2m21Pmcos
r12rr2prsr2s1insipsnr2s12in2p2sk2ps0
刚性球体散射声场
取坐标系的原点和刚性球的球心重合，并取x轴与入射平面波的传 播方向一致，设刚性球的半径为a。入射平面波声压为：
为书写方便，将时间因子
省略。
设散射波声压为 ，它满足波动方程：
5.6 刚性球体散射声场
根据勒让德方
在窄脉冲入射下，目标为 许多散射体组成复杂目标， 回声脉冲展宽明显；若回 声主要过程是镜反射，回 声脉冲展宽可以忽略。举 例：潜艇目标，在正横方 向，回波展宽仅为10ms， 在首尾方位，回波展宽为 100ms。
5.5 目标回波
♀ 包络不规则性 回声包络是不规则的，特别当镜反射不起主要作用
时更是如此。 原因：目标上各散射体的散射波互相迭加干涉引起的。
根据贝塞尔方
1 p 1 p 2 s
r r r r rsi n si n kp 0 2
2
程 s
的
解2 有 ：
s
根据辐射条件
12 34
程的解有：
✓
利用分离变量法，有：
考虑入射波对x轴对称性，散射
波也关于x轴对称，则它与变量
无关，则：
5.6 刚性球体散射声场
urra0ipirps
0
ra
❖ 测量回波信号——分析处理——提取目标特征（先 验知识）——目标检测和识别。
侧扫声呐工作原理
侧扫声呐工作原理
侧扫声呐是一种利用声波的反射原理进行侦测和成像的技术。
它通常由声源、发射装置、接收装置和数据处理系统组成。
工作原理如下：
1. 发射声波：侧扫声呐中的声源会发射一束高频声波信号，通常在几千到几十千赫兹之间。
这个信号会以一定频率和方向传播。
2. 声波传播：发射的声波信号在水中传播，同时也会在水中与目标物体相互作用。
当声波遇到目标物体时，一部分声波会被目标物体吸收，一部分会被反射、散射或折射。
3. 接收回波：经过与目标物体的相互作用后，部分声波会返回声源附近形成回波。
这些回波会在水中传播回声源。
4. 接收装置接收回波：接收装置会接收到这些回波，并将其转化为电信号。
5. 数据处理：接收到的电信号会被数据处理系统进行分析和处理。
通过计算声波到达和返回的时间间隔以及回波的强度等信息，系统可以确定目标物体的位置、形状和尺寸。
通过不断发射声波并接收回波，侧扫声呐可以在水下形成目标物体的二维或三维成像。
这种技术在海洋资源勘测、海底地貌测绘、水下搜救等领域有广泛应用。
《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
(整理)《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略2略3略4略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 。
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 略3 略第二章 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。
解：海水中的声速与海水温度、密度和静压力（深度）有关，它们之间的关系难以用解析式表达。
CCC2 略3 略4 略5 略6 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。
声波的散射与反射的实验步骤与数据处理方法
声波的散射与反射的实验步骤与数据处理方法引言：声波是一种机械振动，在陆地、空气、水域等各个环境中都可以传播。
声波的散射与反射是声学研究中的重要实验现象，对于理解声学原理和应用具有重要意义。
本文将介绍声波的散射与反射实验的步骤和数据处理方法。
实验步骤：1. 实验设备准备：首先，准备一个声音发生器、一个实验音箱和一个接收器。
确保设备的正常工作和连接。
2. 环境准备：选择一个相对安静的室内空间，以减少外界干扰对实验结果的影响。
关闭其他声音源，确保实验环境的安静度。
3. 实验设置：将声音发生器放置在离实验音箱一定距离的位置上，设定发生器的频率和振幅，以产生所需的声波。
实验音箱放置在距离发生器和接收器适当的位置上。
4. 数据收集与记录：启动声音发生器，使其发出声波。
接收器接收到散射或反射声波后，将声波信号转换为电信号，并通过连接到计算机或数据采集设备的仪器进行记录。
5. 实验参数调整：根据实验需求，可以调节声波的频率、振幅、接收器的位置和接收器与发生器之间的距离等参数，以观察不同条件下的散射与反射现象。
数据处理方法：1. 信号处理软件：利用适当的信号处理软件，可以将记录下来的声波信号进行数据分析和处理。
常用的软件有MATLAB、LabVIEW等。
2. 波形分析：首先，将声波信号导入到信号处理软件中。
然后，进行波形分析，通过观察波形特征，如振幅、频率、周期等，可以得出声波的散射与反射情况。
3. 频谱分析：对于复杂的声波信号，可以进行频谱分析以了解信号中各个频率成分的贡献。
通过进行傅里叶变换，可以将信号从时域转换为频域，并得到频谱图。
4. 散射角度计算：在实验设计中，可以通过改变发生器、接收器的位置以及测量声波的传播时间等方式，计算散射角度。
根据声波的传播速度和传播距离，可以使用三角函数计算获得。
5. 典型曲线绘制：根据实验数据和处理结果，可以绘制典型的曲线图，如散射角度与反射能量的关系图、散射角度与反射频率的关系图等。
声波传播过程中声学反射与散射机制研究
声波传播过程中声学反射与散射机制研究声波是一种机械波，它通过介质中的粒子振动传播。
在声波传播的过程中，声学反射和散射是两个重要的现象。
本文将探讨声波传播中的声学反射和散射机制，并分析它们在不同环境中的影响。
声学反射是指声波遇到界面时，一部分波能被反射回来。
反射的强度和角度取决于介质的性质和入射角度。
当声波从一个介质传播到另一个介质时，由于介质的密度和声速的不同，会导致声波的传播方向和速度发生变化。
这种变化会导致声波在界面上发生反射。
反射的强度可以通过反射系数来描述，反射系数越大，反射的强度越高。
在实际应用中，声学反射常常被用于测量和探测。
例如，声纳技术利用声波在水中的反射来探测水下物体。
声纳设备发射声波，当声波遇到物体时，一部分波能被物体反射回来，通过接收器接收到的反射波可以得到物体的位置和形状信息。
声学反射也被广泛应用于建筑和音响领域。
在音响设备中，反射可以改变声音的分布和品质，使得音响效果更加立体和自然。
与声学反射相对的是声学散射。
声学散射是指声波遇到不规则物体或介质时，波前会发生改变，导致波的传播方向发生随机变化。
散射可以使声波在空间中扩散，使得声音能够传播到更远的距离。
散射还可以改变声波的频谱特性，使得声音的频率分布更加均匀。
这对于音乐演奏和语音通信来说非常重要，因为散射可以使得声音在不同方向上都能够被听到，增强了声音的立体感和清晰度。
声学散射在建筑和城市规划中也起着重要的作用。
通过合理设计建筑物的形状和表面材料，可以使得声波在建筑物周围散射，从而减少噪音的传播和反射。
这对于提高城市环境的舒适度和减少噪音污染非常重要。
此外，声学散射还可以用于控制声场的分布和均匀性，例如在音乐厅和剧院中，通过合理设计散射体，可以使得观众在不同位置都能够听到相似的音质和音量。
声学反射和散射机制的研究对于优化声波传播效果和改善环境质量具有重要意义。
通过深入研究声波在不同介质和物体中的反射和散射规律，可以为声学工程提供理论依据和设计指导。
《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略2略3略4略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。
声信号级回声信号级混响掩蔽级噪声掩蔽级距离rr R r n6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 。
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 略3 略第二章 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。
解：海水中的声速与海水温度、密度和静压力（深度）有关，它们之间的关系难以用解析式表达。
z浅海负梯度C表面声道Cz 深海声道Cz2 略3 略4 略5 略6 声波在海水中传播时其声强会逐渐减少。
水声学-声波在目标上的反射和散射(2)
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一、目标强度的实验测量
实验室测量 注意事项 合理选择发射信号脉冲宽度——脉宽 1）选取依据：测试环境满足自由场条件（不能过宽）； 2）测量结果要达到稳态（不能过窄）。
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二、常见声纳目标的目标强度
提示：一般，声纳目标的目标强度值是根据实验测量得到 的，结果具有较大的离散性，下表是从统计的意义上给出 的规律性结果。
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一、目标强度的实验测量
应答器法 目标强度的计算 待测目标强度值：TS=B-A 优点：不需要确定传播损失；不需要对声源、应答器和 两个水听器作绝对校正。
实验室测量 测量方法：比较法和直接法。 注意事项 声源与目标之间的距离和目标与水听器之间的距离 应满足远场条件-两个远场
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三、目标回波
回波信号的形成 回音廊式回声（环绕波） 声波入射到A点除产生镜反射波外，还有折射波透射 到目标内部。折射波在目标内部传播，在B、C、… 上同样产生反射和折射，到达G点时，折射波恰好在 返回声源的方向上，它是回波的一部分。
目标散射声场指向性测量动画演示 本讲作业
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3
一、目标强度的实验测量
测量原理 目标强度测量示意图如下图所示：
AB Ir
Ii 目标
A是指向性声源，向待测目标辐射声波，发射声信号的 脉冲宽度根据测量条件合理选择。
B是水听器，接收来自目标的回波。
测量应满足远场条件：待测目标应位于声源辐射声场的 远场区；水听器应位于目标散射声场的远场区。
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4
一、目标强度的实验测量
测量原理 根据目标强度的定义：
TS 10lg Ir Ii r1
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5.5 目标回波
• 回波信号的形成
弹性散射波－圆柱倾斜入射时弹性散射波 （汤渭霖、陈德智首先发现）
5.5 目标回波
• 回波信号的形成
弹性散射波－圆柱斜入射螺旋环绕波 （鲍小玲首先发现）
5.5 目标回波
• 回波信号的形成
弹性散射波的作用－高分辨率声呐的有限长圆 柱声图像
5.6 刚性球体的散射声场
为书写方便，将时间因 子 pi P0eit 省略。
设散射波声压为 ps，它满足波动方程：
1 r2
r
r 2
ps r
1 r 2 sin
s in
ps
r2
1 sin 2
2 ps 2
k 2 ps
0
k c
5.6 刚性球体散射声场
考虑入射波对x轴对称性，散射波也关于x轴对称，
则它与变量 无关 ，则：
5.5 目标回波
❖ 目标回波：声波在传播途中遇到障碍物时产生散射 声波中，返回声源方向那部分声波。
❖ 目标回波是散射波的一部分，是入射波与目标相互 作用产生的，它携带目标的某些特征信息 。
❖ 测量回波信号——分析处理——提取目标特征（先 验知识）——目标检测和识别。
❖ 回顾 ♀大目标：目标前方次级声波——反射波；目标后方
在窄脉冲入射下，目标为许多散射体组成复杂目标， 回声脉冲展宽明显；若回声主要过程是镜反射，回声脉 冲展宽可以忽略。举例：潜艇目标，在正横方向，回波 展宽仅为10ms，在首尾方位，回波展宽为100ms。
5.5 目标回波
♀ 包络不规则性
回声包络是不规则的，特别当镜反射不起主要作 用时更是如此。
原因：目标上各散射体的散射波互相迭加干涉引 起的。另外，在目标回声中，还可能有个别的亮点， 是由目标上某些部位的产生镜反射引起的。例如，潜 艇的指挥台，几何亮点和弹性亮点。
5.5 目标回波
♀ 脉冲展宽
目标回声是由整个目标表面上的反射体和散射体 产生，整个物体表面都对回波有贡献。由于传播路径 不同，目标表面不同部分产生回波到达接收点在时间 上有先有后，加宽了回声信号的脉冲宽度。
平面波以掠射角入射到长
为L的目标上，在收发合置条
件下，回波脉冲将比入射脉 冲展宽：
2Lcos c
♀ 目标散射 目标表面不规则性，如棱角、边缘和小凸起物，
其曲率半径小于波长，回波由散射过程产生。
5.5 目标回波
• 回波信号的形成
5.5 目标回波
• 回波信号的形成
5.5 目标回波
• 回波信号的形成
♀ 目标再辐射
一般声纳目标为弹性物体，在入射声波的激励下， 目标某些固有振动模式被激发，向周围介质辐射声波， 它是目标回声组成部分，称为非镜反射回波。
次级声波——绕射波。
♀小目标：向空间各方向辐射次级声波——散射波。
♀与波长相当目标：反射、绕射、散射均起作用。
♀在声学中，近场次级声波——衍射波；远场次级声 波——散射波。在这里，统称为散射波。
5.5 目标回波
• 回波信号的形成
♀ 目标镜反射 镜反射是几何反射过程，服从反射定律。曲率半
径大于波长的目标，回波基本由镜反射过程产生，与 垂直入射点相邻的目标表面产生相干反射回声。
• 回波信号的一般特征
回波与入射波的差异 ♀ 多普勒频移
运动目标回波频率和入射波产生差异，这种差异 的大小 f 与入射波频率 f 及目标与声源之间距离变 化率V有关，满足如下关系：
f 2V f c
式中，c是海水中的声速。可以估计目标的速度。
目标接近声源时，取正号；目标远离声源时，取负号。 举例：声纳工作频率10 kHz，声源以10节（5 .15m/s）的 相对速度趋近目标时，回波频移为69Hz 。
♀ 调制效应
产生原因：
• 螺旋桨旋转引起目标的散射截面产生周期性变化， 引起回声幅度周期性变化。
• 运动船体与其尾流产生的两种回波干涉引起的调制 效应。
5.6 刚性球体散射声场
•上节讲述通过实验测量声纳目标的目标强度值； •本节讲述通过理论计算目标强度值及其物理特性。 •常见声纳目标几何形状基本接近于球形或柱形，将 其视为球体或圆柱体，简化数学运算，结果也适用 于实际声纳目标。
i
m
2m
1P0
jm kr
r
hm1 k
r达式为：
ps
m0
im 2m
1P0
djm ka d k a
dhm1 k a d k a
Pm
cos
hm1
k
re
it
对于散射波的远场，利用球汉克尔函数在大宗 量条件下近似展开：
hm1 kr
kr
i kr m1
1 e 2 kr
5.6 刚性球体散射声场
ps amPm cos hm1kr m0 待定常数，由边界条件确定
对于刚性球体有：
ur
ra
i
0
pi r
ps
0
ra
为了确定待定系数 am ，需要将入射波展开：
eikrcos 2m 1im jm krPm cos m0
5.6 刚性球体散射声场
根据边界条件，可确定待定系数 am ：
am
它与目标力学参数、状态以及与入射声波相对位 置等因素有关。如下图所示，窄平面波脉冲入射到铝 球上接收到的回波脉冲串。
5.5 目标回波
• 回波信号的形成
♀ 回音廊式回声（环绕波）
声波入射到A点除产生镜反射波外，还有折射波 投射到目标内部。折射波在目标内部传播，在B、 C、…上同样产生反射和折射，到达G点时，折射波 恰好在返回声源的方向上，它是回波的一部分。
远场散射波声压为：
ps
P0 kr
eikrt im 2m
m0
1
djm ka d k a
dhm1ka d k a
i
e
2m1 2
Pm
cos
记：
bm
im 2m
1
djm ka d k a
1 r2
r
r 2
ps r
1
r 2 sin
s in
ps
k
2
p
s
0
利用分离变量法，有：
ps Rr
根据勒让德方程的解有：
m am Pm cos
根据贝塞尔方程的解有：
根据辐射条件 cm 0
Rm bm hm1kr cm hm2kr
5.6 刚性球体散射声场
散射波声压的解为：
刚性不动球体物理含义： •刚性：在入射声波作用下球体不发生变形，声波透 不到球体内部，激不起球内部运动； •不动：球体不参与周围流体介质质点的运动。
5.6 刚性球体散射声场
取坐标系的原点和刚性球的球心重合，并取x轴 与入射平面波的传播方向一致，设刚性球的半径为a。 入射平面波声压为：
pi
P eikrcos t 0