第7章 水声学
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而声呐设计的基础就是水声学。 除舰载声呐外，远程警戒岸用声呐站，海底 固定式声呐站、航空兵声呐，从空中、海面 及水下组成水声警戒网。 鱼雷和水雷上也可装上小型声呐站用以攻击 目标。
2) 在渔业上的应用
在海洋中捕鱼用的鱼探仪，也是声呐的一种
形式 它根据鱼群回波信号的强弱来判断鱼群大小、 种类、密集程度及其方位 渔业工作者用声学方法来诱鱼、驱鱼，以提 高鱼获量。
3) 航运和开发海洋上的应用
目前常用的多卜勒导航声呐和卫星导航系统
相结合，可以精确地测出船的位置，进行水 下导航、定位、航程累计以及帮助大吨位的 货轮、油轮安全靠岸。 在开发海洋资源中，如水下施工，大陆架石 油、天然气勘探和开采中都必须用到水声设 备。
§7.2 海洋中的声波特性
一般说来，作为水声信道的海洋介质具有一
海水中介质的传播损失
海水有很大的电导率
海水对光波有很大的吸收
在海水中声波是 “信息”的理想 载体
不论是电磁波还是光波，由于它们的传播损
失相当大，都无法在海洋介质中作为远程探 测的工具。 在一定频率范围内，声波在海水中的传播损 失要比二者小2～3个数量级
声波能量在海水中传播损失的主要原因
一、水声吸声技术的应用 在水声技术方面，由于水声器材设备的性能提高， 作用距离增大，反水声器材探测的研究工作也相应 加强。 水声中研究吸声技术的主要目的是研究设计特殊的 吸声材料和结构，装在舰船上，以减小船体的振动 和辐射噪声；装在水声实验水池内壁消除反射声， 军用上还装在水下武器设备或潜水艇的外壳上以减 弱表面的反射回声。 在水声设备中广泛采用吸声等材料和结构；在水声 换能器及基阵设计、安装以及水声实验技术上也都 有大量需要。
由于复杂性，理论推导海水的声速公式是不
可能的，只能在大量测量的基础上建立经验 公式。目前比较精确的是Wilson 公式：
c 1449 . 14 c T c P c S c STP
式中
c T 4 . 5721 T 4 . 4532 10
1
2
T
P
2
2
2 . 6045 10
§7.3 声呐方程
声呐系统有两种工作方式： 1) 主动式声呐 2）被动式声呐
图7.3 声呐系统的工作原理
主动式声呐
由发射机发射出一个特定波形的声波信号，在传播 过程中当照射到一个目标时，将产生目标反射信号 或者叫回波信号，由接收机接收这个回波信号以及 叠加的背景干扰，对它进行信号处理，从而提取有 关信息。 在主动式声呐工作时，有两种可能的背景，一种是 与发射信号本身有关的，由信道中的非均匀体或起 伏表面产生的杂乱散射波的叠加，称为混响。另一 种是与发射信号本身无关的环境背景噪声。
个随机起伏的软表面，在表面附近有气泡层 海洋介质当中有些分散的或密集的非均匀散 射体，如鱼群、浮游生物等 存在不同尺寸的冷暖水团、层流、湍流、内 波及涡流。
海水介质的声速具有明显的随深度变化及微
弱的随水平变化特征，同时伴有随机起伏的 部分。 当存在密度梯度时会有显著的内波运动。 海水与海底沉积层具有粗糙的分界面，而一 般的海底沉积物又具有分层结构和水平变化 作为水声信息传输通道的海洋介质是十分复 杂多变的，并且还具有明显的地区性和季节 性!
2 3
T )
10
3
P ( 2 . 5294 10
7
T 1 . 8563 10
9
T ) P ( 1 . 9646 10
T)
T是温度，P是压力，S是盐度
上述公式过于冗长，较为简便又能保持一定
精度的是Lovett 公式：
c 1450 421 T 0 . 037 T 1 . 14 ( S 35 ) 0 . 175 P
(2)混响背影掩蔽时
SL 2 TL TS RL DT
被动式声呐的声呐方程
SL TL NL DI DT
SL TL NL DI DT
SL 2TL TS NL DI DT
表7.2 声纳参数的定义及参考位置
基本声纳方程的用途
一是对已有的声纳设备，根据其已经确定的
第七章 水声学基本概念
§7.1 引 言
水声学是一门新兴学科，主要研究声波在海
水中辐射、传播和接收的规律，用以解决与 水下目标探测和信息传输过程有关的各种声 学问题。 水声学在国防上、渔业上，航运和开发海洋 方面都有极为重要的意义。
1) 在国防上的应用
潜艇在海中执行任务时，声呐便是它的耳目，
被动式声呐
被动式声—系统不发射声波信号
只是用接收机去接收目标所辐射的噪声信号 此时只有一种干扰，即环境背景噪声。
声呐系统工作过程中涉及到三个环节： (1)系统本身的特性(如发射信号的功率及波形、 发射与接收的指向性等)； (2)目标的特性； (3)信道对信号的影响。 信道的影响，概括为三个方面： (1)信号能量的衰减； (2)信号波形的畸变与起伏： (3)加性干扰。
式中压力的单位是大气压，其它与上相同。
三、典型声速剖面
海面附近的局部对流是一种重要的热交换，
一方面由于阳光照射海面，被照暖的海水可 深达10米左右，另一方面，由于挥发、降雨 和辐射而变冷。冷水或含盐分大的水都因变 重而下沉。这一过程，再加上风吹动海面造 成的垂直方向的搅拌作用等，使得表面层形 成一个等温层 这一表面等温层有时称为混合层。
由于海水吸收产生的传播损失为：
式中是对数吸收系数，单位一般取为分贝/ 公里，r是传播距离，单位一般为公里。 实测资料表明，海水介质的吸收系数与温度、 深度及盐度都有一定的关系。 各个海区甚至在同一海区不同的季节条件下， 海水介质的吸收系数都会有较大的差异。
TL r
海水中声波的吸收系数
等温层的声速主要取决于海水压力，故声速
可能出现微弱的增加，形成微弱的声速正梯 度而且还常常受到季节气候的严重影响。 主跃层的声速主要受温度控制，声速随温度 降低而减小，出现负主跃层。深海等温层中 的声速随着压力的增加而提升，出现正声速 梯度 在负主跃层和深海等温层之间出现一个声速 最小的水层。
3 . 5216 10
3
4
9
T
P
3
3
c P 1 . 60272 10
P 1 . 0268 10
5
3 . 3603 10
12
P
4
c S 1 . 39799 ( S 35 ) 1 . 69202 10
c STP ( S 35 )( 1 . 1244 10 1 . 2943 10
一、海洋中声波传播损失的概念
任何形式的能量(如声波、电磁波、光波等等)在其 辐射和传播过程中，在能量上总会有损耗 即随着传播距离的增加信号能量按照一定的规律逐 渐减弱。 对水声设备来说，这种传播损耗是决定设备作用距 离的主要因素之一。因此，在水声传播问题中，传 播损失是一个主要的物理量。 在水声工程中将传播问题归结为信号在介质中的能 量衰减问题，并且常用传播损失TL来定量描述。
海靠近海岸，处于大陆架区域，将受到更多 的不稳定因素影响，如受到陆地淡水流的冲 刷、潮汐影响和陆地气候的影响，这样导致 表面的温度更加不稳定，所以浅海的声速剖 面不象深海那样出现三层结构， 就其平均来说，仍然有比较明显的季节特性， 在冬季，浅海典型声速剖面是等温层，即出 现声速的微弱正梯度，而夏季则出现跃变层， 在冬春之交时，则出现声速的负梯度。
系统参数在各种不同信道环境中预估其作用 距离； 二是在新型声纳的设计、论证中，根据已经 确定的作用距离指标来分析和估计能适应于 各种不同信道环境中的系统参数设计。 这两方面的任务可以统称为“声纳作用距离 分析和预报”。它把声呐设备的设计、研制 工作和水声信道的规律性研究紧密联系在一 起。
§7.4 水声吸声结构
当信噪比高于某个满足一定概率判据的检测
阈时，就作出目标存在的判决；当信噪比小 于检测阈时，就作出目标不存在的判决。 声呐方程就是根据目标刚好能被检测时，即 信噪比等于检测阈时所建立起来的。
主动式声呐的声呐方程
(1)噪声背景掩蔽时
SL 2 TL TS NL DI DT
基本的物理量之一。 它是温度、盐度和静压力的函数，这是海水 中的声速具有较明显的深度分布的基本原因。 在温度、盐度和静压力中，以温度影响最为 显著。 温度增加时声速增大，而密度变化不明显； 盐度增加时声速增大；静压增加时声速增大。
温度对声速的变化最有影响，而在海面附近
的温度较海底的(特别是深海)温度随时间和 空间的变化范围更大，随着深度的增加，声 速变化范围越来越小。 在表面，声速可以在1430～1530米/秒范围 内变化，这个数值是设计声速仪时必须考虑 的动态范围。
海水中声波的吸收系数用 1 ——
来表征 吸收系数适用的频率范围如表7.1所示。
4
海水中声波的吸收系数
选用时如果在临近交界的频率上，要同时考
虑两种吸收作用，所以总的吸收系数是相应 的吸收系数之和。 吸收系数的经验公式如下：
1 2 . 68 10
2
Df fT
2
实际的海水介质总是有界的，并且是非均匀的，
7 2 2 4
( S 35 )
7
2
5
T 7 . 7711 10
3
T
2
7 . 7016 10
9
P
P
3 . 1580 10
PT 1 . 5790 10
6
PT
8
2
)
P ( 1 . 8607 10
2
T 7 . 4812 10
T
2
4 . 5283 10
减作用 信道对信号波形的畸变与起伏的影响，则与 系统本身的某些特性一起反映在声呐参数 DT(检测阈)中； 信道的加性干涉则由混响级RL和噪声级NL 来反映。
声纳系统一般是用来进行水下探测（发现目
标）、识别（确定目标性质）、鱼雷制导、通 讯、导航等。 为完成每一项目的都需有一定的信噪比(S/N)， 这个信噪比值取决于系统所完成的职能和所要 求的工作质量(一般由检测概率与虚警概率这一 对数值标定)。 例如识别任务相对于检测任务就要求有较高的 信噪比。 对大的检测概率和小的虚警概率相应地也要求 较高的信噪比。
因而致使声波在边界面上产生反射，使声能在 某种边界面上“漏泄”掉，称为边界损耗 造成海水中声波传播损失的原因主要有三个方 面： 1 扩展损耗——波阵面的扩展 2 吸收损耗——不可逆的声能转换成其他能量 3 边界损耗——边界上能量的“漏泄”
二、海水中声速的基本公式
海水中的声速是研究声波在海水中传播的最
从声纳系统的设计和使用来讲，很希望能够
把信道的这些影响归纳成为几个简单而有用 的参数(称为声呐参数)，用一个方程（称为 声纳方程）把它们融合在一起 该方程是将信道影响、目标和设备特性综合 在一起的一个关系式，它对声纳设备的设计 和性能评价以及作用距离的估计非常方便有 用。
声纳参数TL(传播损失)：反映信道的能量衰
以上提出的声速剖面三层结构，对于深海是
比较稳定的。 但即使是深海，随着经纬度、季节和昼夜气 候的不同，也会发生很大的变化。 因此，必须根据各个海区、季节和昼夜的不 同，具体地进行实际测量分析。 图7.2表示一个实际的深海声速和温度的剖面。
图7.2 实际深海声速、温度剖面图
浅海的声速剖面结构是极不稳定的，因为浅
较深部的海水则处于较为稳定的状态，由比
较冷而均匀的水构成。 在表面等温层与深部冷水之间，存在一个过 渡层，温度激烈变化(减低)，即产生温度跃 变，这一层就是熟知的主跃层。 因此，海洋中的基本温度垂直结构是一个三 层结构，它决定了如图7.1所示的海洋典型声 速剖面。
图7.1 深海典型声速剖面图
扩散损耗
波阵面在传播过程中不断扩大，使得在单位时间内 单位面积上能量的减小，即平均功率密度减小，也 就是声强的减小，即为扩散损耗。这是不可避免的
衰减损耗
海水介质并非是理想介质，在传播过程中将声能吸 收而转换成其它不可逆的能量(如热能等)而消耗， 这种损失称为衰减损耗。
边界损耗
海水吸收产生的传播损失
而声呐设计的基础就是水声学。 除舰载声呐外，远程警戒岸用声呐站，海底 固定式声呐站、航空兵声呐，从空中、海面 及水下组成水声警戒网。 鱼雷和水雷上也可装上小型声呐站用以攻击 目标。
2) 在渔业上的应用
在海洋中捕鱼用的鱼探仪，也是声呐的一种
形式 它根据鱼群回波信号的强弱来判断鱼群大小、 种类、密集程度及其方位 渔业工作者用声学方法来诱鱼、驱鱼，以提 高鱼获量。
3) 航运和开发海洋上的应用
目前常用的多卜勒导航声呐和卫星导航系统
相结合，可以精确地测出船的位置，进行水 下导航、定位、航程累计以及帮助大吨位的 货轮、油轮安全靠岸。 在开发海洋资源中，如水下施工，大陆架石 油、天然气勘探和开采中都必须用到水声设 备。
§7.2 海洋中的声波特性
一般说来，作为水声信道的海洋介质具有一
海水中介质的传播损失
海水有很大的电导率
海水对光波有很大的吸收
在海水中声波是 “信息”的理想 载体
不论是电磁波还是光波，由于它们的传播损
失相当大，都无法在海洋介质中作为远程探 测的工具。 在一定频率范围内，声波在海水中的传播损 失要比二者小2～3个数量级
声波能量在海水中传播损失的主要原因
一、水声吸声技术的应用 在水声技术方面，由于水声器材设备的性能提高， 作用距离增大，反水声器材探测的研究工作也相应 加强。 水声中研究吸声技术的主要目的是研究设计特殊的 吸声材料和结构，装在舰船上，以减小船体的振动 和辐射噪声；装在水声实验水池内壁消除反射声， 军用上还装在水下武器设备或潜水艇的外壳上以减 弱表面的反射回声。 在水声设备中广泛采用吸声等材料和结构；在水声 换能器及基阵设计、安装以及水声实验技术上也都 有大量需要。
由于复杂性，理论推导海水的声速公式是不
可能的，只能在大量测量的基础上建立经验 公式。目前比较精确的是Wilson 公式：
c 1449 . 14 c T c P c S c STP
式中
c T 4 . 5721 T 4 . 4532 10
1
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T
P
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2 . 6045 10
§7.3 声呐方程
声呐系统有两种工作方式： 1) 主动式声呐 2）被动式声呐
图7.3 声呐系统的工作原理
主动式声呐
由发射机发射出一个特定波形的声波信号，在传播 过程中当照射到一个目标时，将产生目标反射信号 或者叫回波信号，由接收机接收这个回波信号以及 叠加的背景干扰，对它进行信号处理，从而提取有 关信息。 在主动式声呐工作时，有两种可能的背景，一种是 与发射信号本身有关的，由信道中的非均匀体或起 伏表面产生的杂乱散射波的叠加，称为混响。另一 种是与发射信号本身无关的环境背景噪声。
个随机起伏的软表面，在表面附近有气泡层 海洋介质当中有些分散的或密集的非均匀散 射体，如鱼群、浮游生物等 存在不同尺寸的冷暖水团、层流、湍流、内 波及涡流。
海水介质的声速具有明显的随深度变化及微
弱的随水平变化特征，同时伴有随机起伏的 部分。 当存在密度梯度时会有显著的内波运动。 海水与海底沉积层具有粗糙的分界面，而一 般的海底沉积物又具有分层结构和水平变化 作为水声信息传输通道的海洋介质是十分复 杂多变的，并且还具有明显的地区性和季节 性!
2 3
T )
10
3
P ( 2 . 5294 10
7
T 1 . 8563 10
9
T ) P ( 1 . 9646 10
T)
T是温度，P是压力，S是盐度
上述公式过于冗长，较为简便又能保持一定
精度的是Lovett 公式：
c 1450 421 T 0 . 037 T 1 . 14 ( S 35 ) 0 . 175 P
(2)混响背影掩蔽时
SL 2 TL TS RL DT
被动式声呐的声呐方程
SL TL NL DI DT
SL TL NL DI DT
SL 2TL TS NL DI DT
表7.2 声纳参数的定义及参考位置
基本声纳方程的用途
一是对已有的声纳设备，根据其已经确定的
第七章 水声学基本概念
§7.1 引 言
水声学是一门新兴学科，主要研究声波在海
水中辐射、传播和接收的规律，用以解决与 水下目标探测和信息传输过程有关的各种声 学问题。 水声学在国防上、渔业上，航运和开发海洋 方面都有极为重要的意义。
1) 在国防上的应用
潜艇在海中执行任务时，声呐便是它的耳目，
被动式声呐
被动式声—系统不发射声波信号
只是用接收机去接收目标所辐射的噪声信号 此时只有一种干扰，即环境背景噪声。
声呐系统工作过程中涉及到三个环节： (1)系统本身的特性(如发射信号的功率及波形、 发射与接收的指向性等)； (2)目标的特性； (3)信道对信号的影响。 信道的影响，概括为三个方面： (1)信号能量的衰减； (2)信号波形的畸变与起伏： (3)加性干扰。
式中压力的单位是大气压，其它与上相同。
三、典型声速剖面
海面附近的局部对流是一种重要的热交换，
一方面由于阳光照射海面，被照暖的海水可 深达10米左右，另一方面，由于挥发、降雨 和辐射而变冷。冷水或含盐分大的水都因变 重而下沉。这一过程，再加上风吹动海面造 成的垂直方向的搅拌作用等，使得表面层形 成一个等温层 这一表面等温层有时称为混合层。
由于海水吸收产生的传播损失为：
式中是对数吸收系数，单位一般取为分贝/ 公里，r是传播距离，单位一般为公里。 实测资料表明，海水介质的吸收系数与温度、 深度及盐度都有一定的关系。 各个海区甚至在同一海区不同的季节条件下， 海水介质的吸收系数都会有较大的差异。
TL r
海水中声波的吸收系数
等温层的声速主要取决于海水压力，故声速
可能出现微弱的增加，形成微弱的声速正梯 度而且还常常受到季节气候的严重影响。 主跃层的声速主要受温度控制，声速随温度 降低而减小，出现负主跃层。深海等温层中 的声速随着压力的增加而提升，出现正声速 梯度 在负主跃层和深海等温层之间出现一个声速 最小的水层。
3 . 5216 10
3
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T
P
3
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c P 1 . 60272 10
P 1 . 0268 10
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3 . 3603 10
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c S 1 . 39799 ( S 35 ) 1 . 69202 10
c STP ( S 35 )( 1 . 1244 10 1 . 2943 10
一、海洋中声波传播损失的概念
任何形式的能量(如声波、电磁波、光波等等)在其 辐射和传播过程中，在能量上总会有损耗 即随着传播距离的增加信号能量按照一定的规律逐 渐减弱。 对水声设备来说，这种传播损耗是决定设备作用距 离的主要因素之一。因此，在水声传播问题中，传 播损失是一个主要的物理量。 在水声工程中将传播问题归结为信号在介质中的能 量衰减问题，并且常用传播损失TL来定量描述。
海靠近海岸，处于大陆架区域，将受到更多 的不稳定因素影响，如受到陆地淡水流的冲 刷、潮汐影响和陆地气候的影响，这样导致 表面的温度更加不稳定，所以浅海的声速剖 面不象深海那样出现三层结构， 就其平均来说，仍然有比较明显的季节特性， 在冬季，浅海典型声速剖面是等温层，即出 现声速的微弱正梯度，而夏季则出现跃变层， 在冬春之交时，则出现声速的负梯度。
系统参数在各种不同信道环境中预估其作用 距离； 二是在新型声纳的设计、论证中，根据已经 确定的作用距离指标来分析和估计能适应于 各种不同信道环境中的系统参数设计。 这两方面的任务可以统称为“声纳作用距离 分析和预报”。它把声呐设备的设计、研制 工作和水声信道的规律性研究紧密联系在一 起。
§7.4 水声吸声结构
当信噪比高于某个满足一定概率判据的检测
阈时，就作出目标存在的判决；当信噪比小 于检测阈时，就作出目标不存在的判决。 声呐方程就是根据目标刚好能被检测时，即 信噪比等于检测阈时所建立起来的。
主动式声呐的声呐方程
(1)噪声背景掩蔽时
SL 2 TL TS NL DI DT
基本的物理量之一。 它是温度、盐度和静压力的函数，这是海水 中的声速具有较明显的深度分布的基本原因。 在温度、盐度和静压力中，以温度影响最为 显著。 温度增加时声速增大，而密度变化不明显； 盐度增加时声速增大；静压增加时声速增大。
温度对声速的变化最有影响，而在海面附近
的温度较海底的(特别是深海)温度随时间和 空间的变化范围更大，随着深度的增加，声 速变化范围越来越小。 在表面，声速可以在1430～1530米/秒范围 内变化，这个数值是设计声速仪时必须考虑 的动态范围。
海水中声波的吸收系数用 1 ——
来表征 吸收系数适用的频率范围如表7.1所示。
4
海水中声波的吸收系数
选用时如果在临近交界的频率上，要同时考
虑两种吸收作用，所以总的吸收系数是相应 的吸收系数之和。 吸收系数的经验公式如下：
1 2 . 68 10
2
Df fT
2
实际的海水介质总是有界的，并且是非均匀的，
7 2 2 4
( S 35 )
7
2
5
T 7 . 7711 10
3
T
2
7 . 7016 10
9
P
P
3 . 1580 10
PT 1 . 5790 10
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PT
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2
)
P ( 1 . 8607 10
2
T 7 . 4812 10
T
2
4 . 5283 10
减作用 信道对信号波形的畸变与起伏的影响，则与 系统本身的某些特性一起反映在声呐参数 DT(检测阈)中； 信道的加性干涉则由混响级RL和噪声级NL 来反映。
声纳系统一般是用来进行水下探测（发现目
标）、识别（确定目标性质）、鱼雷制导、通 讯、导航等。 为完成每一项目的都需有一定的信噪比(S/N)， 这个信噪比值取决于系统所完成的职能和所要 求的工作质量(一般由检测概率与虚警概率这一 对数值标定)。 例如识别任务相对于检测任务就要求有较高的 信噪比。 对大的检测概率和小的虚警概率相应地也要求 较高的信噪比。
因而致使声波在边界面上产生反射，使声能在 某种边界面上“漏泄”掉，称为边界损耗 造成海水中声波传播损失的原因主要有三个方 面： 1 扩展损耗——波阵面的扩展 2 吸收损耗——不可逆的声能转换成其他能量 3 边界损耗——边界上能量的“漏泄”
二、海水中声速的基本公式
海水中的声速是研究声波在海水中传播的最
从声纳系统的设计和使用来讲，很希望能够
把信道的这些影响归纳成为几个简单而有用 的参数(称为声呐参数)，用一个方程（称为 声纳方程）把它们融合在一起 该方程是将信道影响、目标和设备特性综合 在一起的一个关系式，它对声纳设备的设计 和性能评价以及作用距离的估计非常方便有 用。
声纳参数TL(传播损失)：反映信道的能量衰
以上提出的声速剖面三层结构，对于深海是
比较稳定的。 但即使是深海，随着经纬度、季节和昼夜气 候的不同，也会发生很大的变化。 因此，必须根据各个海区、季节和昼夜的不 同，具体地进行实际测量分析。 图7.2表示一个实际的深海声速和温度的剖面。
图7.2 实际深海声速、温度剖面图
浅海的声速剖面结构是极不稳定的，因为浅
较深部的海水则处于较为稳定的状态，由比
较冷而均匀的水构成。 在表面等温层与深部冷水之间，存在一个过 渡层，温度激烈变化(减低)，即产生温度跃 变，这一层就是熟知的主跃层。 因此，海洋中的基本温度垂直结构是一个三 层结构，它决定了如图7.1所示的海洋典型声 速剖面。
图7.1 深海典型声速剖面图
扩散损耗
波阵面在传播过程中不断扩大，使得在单位时间内 单位面积上能量的减小，即平均功率密度减小，也 就是声强的减小，即为扩散损耗。这是不可避免的
衰减损耗
海水介质并非是理想介质，在传播过程中将声能吸 收而转换成其它不可逆的能量(如热能等)而消耗， 这种损失称为衰减损耗。
边界损耗
海水吸收产生的传播损失