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。

✧第二次世界大战后：随着电子信息技术和水声技术的迅速发展，形成了低频、大功率、大基

阵和综合信号处理为特征的新一代声纳。近年来，最佳时空增益处理机理论的发展、信号处理的自适应技术和大规模集成电路的应用，又酝酿更新一代水声设备的诞生。

✧水声物理研究：在两次大战期间，人们对海水中声波传播规律了解甚少，感到探测距离随季

节和一天的“早、中、晚”变化莫测，使水声设备的使用受到限制，“下午效应”就是这方

面的一个例子。促进各海军国进行水声物理方面的一系列研究，得到了理论和实验的总结规律：海水中声速分布及其对声传播的影响；用射线理论分析海洋中声传规律；海洋中声传播衰减规律和吸收机理；海底、海面的声学特性及对传播的影响；舰船噪声、混响，海洋环境噪声等水声干扰特性的了解；舰船等目标的反射本领等。为水声设备合理选择参数提供依据，形成一门独立学科。

✧ 二次世界大战后，水声技术在民用方面的应用日益广泛，海洋开发、捕鱼、海底地质测绘、

导航、水下机器人研制等方面都有水声设备的应用。

1.2 水声学的研究对象

⎩

⎨⎧段，并促进其发展。，为其研究提供新的手理提出新的内容和要求水声工程：它对水声物程设计提供合适参数。应用的理论依据，为工水声物理：它是水声程水声学

水声物理：从水声场的物理特性分析出发，主要研究海水介质及其边界（海底、海面）的声学特

性和声波在海水介质中的传播时所遵循的规律，及其对水声设备工作的影响。 水声信道（声信息的传输通道）复杂、多变的，声传播现象也是复杂、多变的。

水声工程：包括水下声系统和水声技术两方面。

水下声系统：是水声换能器及基阵，实现水下声能与电能之间的转换，研究内容主要为换能器材

料、结构、制作及其辐射、接收特性等。 《水声换能器及基阵》，周福洪编著

水声技术：广义——声波在水中完成某种职能的有关技术。

狭义——水声信号处理、显示技术，主要研究声信号在水中传播时的特性和背景干扰

（噪声和混响）的统计特性，在此基础上设计最佳时、空处理方案，实现信号检测，并完成目标参数估计和目标识别。

《水声信号处理基础》，钱秋珊、陆根源编

1.3 水声学的应用

水声的军事应用：

✧ 水雷引爆：压敏水雷、音响水雷 ✧ 制导鱼雷：主、被动制导 ✧ 舰载声纳：A/N-SQS-26 ✧ 拖曳声纳：A/N-SQS-35 ✧ 拖曳线阵以及声纳浮标等 水声的民用：

✧ 测深：常规测深仪、底层剖面仪、旁视声纳 ✧ 多普勒测速仪

✧鱼探仪：前视主动声纳

✧助鱼设备：计数、诱鱼

✧助潜设备：手提式小型的定位声纳

✧定位标志：新标、应答器

✧通讯与遥测

✧控制：声释放器、油井井口流量控制

✧声学流量计、波高传感器

1.4 内容安排

以声纳方程为主线，对它的每个参数从水声物理的角度进行阐述：

✧绪论：声纳方程

✧声学基础知识：

✧海洋声学特性：

✧海洋中的声传播理论：

✧典型传播条件下的声场：

✧声波在目标上的反射和散射：

✧海洋中的混响：

✧水下噪声：

✧声传播起伏：

教材：刘伯胜编《水声学原理》

1.5 声纳及其工作方式

声纳（Sonar—Sound Navigation and Ranging）：利用水下声信息进行探测、识别、定位、导航

和通讯的系统。

按照工作方式分类：主动声纳和被动声纳

主动声纳信息流程：发射系统发射携带一定信息的声信号（发射信号），在海水中传播时如遇到障碍物（潜艇、水雷、鱼雷、冰山、暗礁，统称声纳目标），产生回声信号；在某一方向上的回声信号传到接收基阵，并将其转换为电信号，经处理器处理后送到判决器，根据预先确定的原则进行判决，最后显示判决结果。