水声学原理(第一章)(课件)
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固体介质中的结构噪声用振动来描述，它的分贝定义实际上就是振 动量的分贝定义。 加速度级 速度级 位移级
L 20 log( a / a )
a 0
L 20 log( v / v )
wenku.baidu.comv 0
L 20 log( d / d )
d 0
9
12
加速度、速度和位移参考值是：
a 10 米/秒2，v 10米/秒， d 10 米。
3 1 / 2 电磁波在水中的衰减： 不能在水中远距离传播 1 . 4 2 1 0 f ( f k H z ) 分 贝 / 公 里
声波由于介质吸收引起的衰减： 0 . 0 1 1 f2 分 贝 / 公 里 能远距离传播 6 3/2 声波与电磁波衰减之比： 7 .7 1 0 f 10kHz声波水中衰减仅约 1分贝/公里 电磁波为4500分贝/公里
英国、法国联合研制的 舷侧阵声呐TSM2253
美国Lockheed Martin 公司研制的被动测距声 呐PUFFS
英国、法国联合研制的 投吊声呐
德国ATLAS公司研制 的拖曳线列阵 8
1.6 声学量的度量、分贝和级
声学中采用分贝计量的原因：
声学量的变化大到六、七个数量级以上 从窃窃私语到大型喷气式飞机起飞的声功率差十个数量级； 人耳的听阈在频率1kHz时是20μ Pa（微帕），痛阈是20Pa， 相差六个数量级； 在水中，一艘老式潜艇的辐射总声功率达到数瓦，而新型的 低噪声潜艇不到1微瓦，相差六、七个数量级。 人耳（仪器）的响应近似与声压或声强的对数成比例。
6 0
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0
应当指出的是，虽然结构噪声级与振动级的定义相同， 但实际测量和评价方法有区别的。因为结构噪声要反映 连续弹性体的振动特性，所以用一个点的振动级是无法 描述的。通常要用结构的整个辐射面上大量测点的统计 平均来描述。
水声学原理
范 军
上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室
2019/2/16 1
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。
1490年 达芬奇就提出声纳的原始概念 泰坦尼克号的沉没，开始最初的声纳设计
第一次世界大战的爆发促进了一系列军用声纳的发展（值得一提的 是郎之万在换能器上的贡献，并测得了水中1500米外潜艇回波）
一战和二战之间水声工程一直缓慢而稳步发展,最大的成就是对海 洋声传播机理的认识。（如“下午效应”现象的解释）
其它物理场：磁场、水压场、尾流场、温度场，也是可以检测，但可检测距离大
致与源本身尺度同一量级，不能在水中远距离传递信息。
2
1.2、声呐与雷达的异同
声呐与雷达的工作原理相似。但由于信息载体－声波与电磁波的差异决定了 声呐和雷达有重要差别。
a.电磁波速度30万公里/秒,声波在水中1.5公里/秒。决定： •工作频率差别大。雷达频率约GHz（ 1 0 •分辨率差。声图象模糊。
海洋水声监视系统：岸站（岸边海底固定式声呐）；预警系统 水声对抗器材：鱼雷报警声呐；声诱饵；干扰器；气幕弹
水中兵器自导：鱼雷声自导；水雷声引信；
其它：通讯仪、鱼探仪、多普勒测速仪、浅地层剖面仪等。
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主要声呐图片
7
美国DTI公司研制的合 德国ATLAS公司研制的 成孔径声呐 ASA92－25主动拖曳线声呐
9
Hz）
声呐频率约kHz（ 1 0
3
Hz）
•工作速率差别大。雷达搜速快，声呐搜索慢
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
1.3、水声技术的研究范围
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。
水声技术的成果突出反映在两个方面 1、声呐性能的不断提高：探测距离原来越远、对目标的定位、跟踪能力越来越强 2、应用声自导或声引信的水中兵器（鱼雷、水雷、深水炸弹等）的作战能力不断 提高。 因此，现代舰艇在水下面临的威胁与水声技术的水平有直接的关系。声隐身 性能是潜艇水下隐蔽性的核心。
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1.4、水声技术的发展历史
因此声学中定义一个以对数为基础的分贝单位，水声也一直沿用。
9
1.6.1、定义和参考
声压、声强和声功率用级和分贝（dB）来量度。他们是：
声 压 级 ： 声 强 级 ： 声 功 率 级 ：
L 2 0 l o g (p p ) p 0 L 1 0 l o g ( II ) I 0 L 1 0 l o g ( W W ) W 0
统。声呐的主要应用是军用声呐。按工作方式可以分为：主动声呐和被动声呐。 按安装平台分可以分为：
潜艇声呐：潜艇上的电子设备是声呐。一般核潜艇装有10～15部声呐。主要有： 艏部主、被动综合声呐；被动测距声呐；舷侧阵声呐；拖曳线列阵声呐。
水面舰声呐：舰艏声呐；变深拖曳声呐；拖曳线列阵声呐。
机载声呐和浮标：吊放声呐；声呐浮标。
d B d B d B
参考值
10
1.6.2声压级等于声强级:
I pp p L 10 log 10 log 20 log L I I cc p p
2 2 0
0
0
注意参考值不同产生的声级差别:
1971年以前曾用： =20μ Pa＝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＝1μ b（微巴）＝10－5μ Pa，换算到现在的标准 要加100分贝。 俄罗斯标准＝20μ Pa 由于空气声和水声参考值的不同，舱室内声级为L分贝的噪声若 无损耗地传到水下将变成L＋26分贝的水噪声。
二战期间为了探测德国潜艇，水声工程有了很大发展，出现了大量 新的理论和技术
战后水声工程随着计算机和电子计算发展，水声工程的应用在军用 、民用领域更为广泛。
5
1.5 声呐简介 声呐（声纳）-SONAR(Sound Navigation and Ranging)
凡是利用水下声信息进行探测、识别、定位、导航和通讯的系统，都通称为声呐系
固体介质中的结构噪声用振动来描述，它的分贝定义实际上就是振 动量的分贝定义。 加速度级 速度级 位移级
L 20 log( a / a )
a 0
L 20 log( v / v )
wenku.baidu.comv 0
L 20 log( d / d )
d 0
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加速度、速度和位移参考值是：
a 10 米/秒2，v 10米/秒， d 10 米。
3 1 / 2 电磁波在水中的衰减： 不能在水中远距离传播 1 . 4 2 1 0 f ( f k H z ) 分 贝 / 公 里
声波由于介质吸收引起的衰减： 0 . 0 1 1 f2 分 贝 / 公 里 能远距离传播 6 3/2 声波与电磁波衰减之比： 7 .7 1 0 f 10kHz声波水中衰减仅约 1分贝/公里 电磁波为4500分贝/公里
英国、法国联合研制的 舷侧阵声呐TSM2253
美国Lockheed Martin 公司研制的被动测距声 呐PUFFS
英国、法国联合研制的 投吊声呐
德国ATLAS公司研制 的拖曳线列阵 8
1.6 声学量的度量、分贝和级
声学中采用分贝计量的原因：
声学量的变化大到六、七个数量级以上 从窃窃私语到大型喷气式飞机起飞的声功率差十个数量级； 人耳的听阈在频率1kHz时是20μ Pa（微帕），痛阈是20Pa， 相差六个数量级； 在水中，一艘老式潜艇的辐射总声功率达到数瓦，而新型的 低噪声潜艇不到1微瓦，相差六、七个数量级。 人耳（仪器）的响应近似与声压或声强的对数成比例。
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应当指出的是，虽然结构噪声级与振动级的定义相同， 但实际测量和评价方法有区别的。因为结构噪声要反映 连续弹性体的振动特性，所以用一个点的振动级是无法 描述的。通常要用结构的整个辐射面上大量测点的统计 平均来描述。
水声学原理
范 军
上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室
2019/2/16 1
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。
1490年 达芬奇就提出声纳的原始概念 泰坦尼克号的沉没，开始最初的声纳设计
第一次世界大战的爆发促进了一系列军用声纳的发展（值得一提的 是郎之万在换能器上的贡献，并测得了水中1500米外潜艇回波）
一战和二战之间水声工程一直缓慢而稳步发展,最大的成就是对海 洋声传播机理的认识。（如“下午效应”现象的解释）
其它物理场：磁场、水压场、尾流场、温度场，也是可以检测，但可检测距离大
致与源本身尺度同一量级，不能在水中远距离传递信息。
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1.2、声呐与雷达的异同
声呐与雷达的工作原理相似。但由于信息载体－声波与电磁波的差异决定了 声呐和雷达有重要差别。
a.电磁波速度30万公里/秒,声波在水中1.5公里/秒。决定： •工作频率差别大。雷达频率约GHz（ 1 0 •分辨率差。声图象模糊。
海洋水声监视系统：岸站（岸边海底固定式声呐）；预警系统 水声对抗器材：鱼雷报警声呐；声诱饵；干扰器；气幕弹
水中兵器自导：鱼雷声自导；水雷声引信；
其它：通讯仪、鱼探仪、多普勒测速仪、浅地层剖面仪等。
6
主要声呐图片
7
美国DTI公司研制的合 德国ATLAS公司研制的 成孔径声呐 ASA92－25主动拖曳线声呐
9
Hz）
声呐频率约kHz（ 1 0
3
Hz）
•工作速率差别大。雷达搜速快，声呐搜索慢
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。
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1.3、水声技术的研究范围
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。
水声技术的成果突出反映在两个方面 1、声呐性能的不断提高：探测距离原来越远、对目标的定位、跟踪能力越来越强 2、应用声自导或声引信的水中兵器（鱼雷、水雷、深水炸弹等）的作战能力不断 提高。 因此，现代舰艇在水下面临的威胁与水声技术的水平有直接的关系。声隐身 性能是潜艇水下隐蔽性的核心。
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1.4、水声技术的发展历史
因此声学中定义一个以对数为基础的分贝单位，水声也一直沿用。
9
1.6.1、定义和参考
声压、声强和声功率用级和分贝（dB）来量度。他们是：
声 压 级 ： 声 强 级 ： 声 功 率 级 ：
L 2 0 l o g (p p ) p 0 L 1 0 l o g ( II ) I 0 L 1 0 l o g ( W W ) W 0
统。声呐的主要应用是军用声呐。按工作方式可以分为：主动声呐和被动声呐。 按安装平台分可以分为：
潜艇声呐：潜艇上的电子设备是声呐。一般核潜艇装有10～15部声呐。主要有： 艏部主、被动综合声呐；被动测距声呐；舷侧阵声呐；拖曳线列阵声呐。
水面舰声呐：舰艏声呐；变深拖曳声呐；拖曳线列阵声呐。
机载声呐和浮标：吊放声呐；声呐浮标。
d B d B d B
参考值
10
1.6.2声压级等于声强级:
I pp p L 10 log 10 log 20 log L I I cc p p
2 2 0
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注意参考值不同产生的声级差别:
1971年以前曾用： =20μ Pa＝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＝1μ b（微巴）＝10－5μ Pa，换算到现在的标准 要加100分贝。 俄罗斯标准＝20μ Pa 由于空气声和水声参考值的不同，舱室内声级为L分贝的噪声若 无损耗地传到水下将变成L＋26分贝的水噪声。
二战期间为了探测德国潜艇，水声工程有了很大发展，出现了大量 新的理论和技术
战后水声工程随着计算机和电子计算发展，水声工程的应用在军用 、民用领域更为广泛。
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1.5 声呐简介 声呐（声纳）-SONAR(Sound Navigation and Ranging)
凡是利用水下声信息进行探测、识别、定位、导航和通讯的系统，都通称为声呐系