水声学基础第一章
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– 如测得了声压，就可以确定声强.
测量单位.
– 大气压, 巴, 帕斯卡, PSI, 达因/平方厘米, 毫米汞 柱.
2017/3/28
7
声波的计量
如何比较声波的强弱?
采用分贝（ DECIBELS）为单位. 声强比率的分贝表示. {声压级 (SPL)} 定义
– dB = 10 log (ratio) – SPL = 10 log (I/Io) = 10 log (P2/Po2) = 20 log (P/Po)
simulation,4th Edition, CRC, 2013.
顾金海、叶学千，水声学基础，国防工业出版社，1981. 网站： http://oalib.hlsresearch.com/
3
2017/3/28
第一章 绪 论
声波的基本知识 水声学的基本内涵 水声学的发展简史 水声学的主要研究对象 水声的主要应用 本课程的主要内容
2017/3/28 43
水声学发展历史
1925年， 研制出用于船舶导航水声设备——回声测深仪。
第二次世界大战促进了水声技术的飞速发展。
2017/3/28
44
水声学发展历史
二战期间，潜艇共击沉作战舰艇381艘，其中战列舰3艘，航 空母舰17艘，巡洋舰32艘，驱逐舰122艘，还有其它作战舰 艇207艘，击沉各种运输船5000余艘。 二战中各种舰艇共击沉航空母舰38艘，仅潜艇就击沉17艘。 被潜艇击沉的潜艇80艘。 在第二次世界大战中，德国“U-47”号潜艇于1939年10月潜 入英国位于苏格兰北部的海军基地，在港内击沉了英国的 排水量达33000多吨的大型战列舰“皇家橡树”号，创造了 军事史上的奇迹。 在双方被击沉的潜艇中，有60%是由水声设备发现的。
14
2.2 水声学基本内涵
水声学是围绕水声技术、水声对抗技术和水声工程 的基本需求来开展科学研究的 – 水声技术
利用声波作为信息载体来实现水下探测、定位、导航 和通信的原理与方法
– 水声对抗技术
在军事上，对抗水下声探测、定位、导航和通信的技 术措施与手段
– 水声工程
水声技术和对抗技术的工程目标实现
2017/3/28
36
水声学发展历史
1912年， 英国人Alexander Belm描述了回声定位设备。
1912年，英国人L.F. Richardon提出了回声定位方案（英国专 利）。
2017/3/28
37
水声学发展历史
The first working sonar system was designed and built in the United States by Canadian Reginald Fessenden in 1914. The Fessenden sonar was an electromagnetic moving-coil oscillator that emitted a lowfrequency noise and then switched to a receiver to listen for echoes. It was able to detect an iceberg underwater from 2 miles away, although with the low frequency, it could not precisely resolve its direction.
2017/3/28
11
2、水声学的基本内涵
2017/3/28
12
2.1 水声学的定义
水声学主要研究声波在水下的辐射、传播与 接收，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。
海面 声辐射 声传播 声接收
海水
海洋环境
海底
2017/3/28
13
水声学是声学的一个重要分支。
2017/3/28
– 声波是目前水下唯一有 效的远距离信息载体.
声波是最好的选择是 因为…
– 可以做超远距离传播 – 可以分辨海水中的目标 – 传播速度较快
2017/3/28
17
声波是水下远距离信息传输唯一有效载体
Baidu Nhomakorabea
2017/3/28
18
水声学与海洋环境
air-ocean interface
ocean volume
水声学基础 Introduction of Underwater Acoustics
本课程目的和任务
通过讲述声纳方程、海洋声传播特性、目标反 射和散射、海洋混响和水下噪声等内容，使学生了 解水声工程设计的基本方法、声纳设备以及水声学 的最新发展动态，掌握声波在海水中传播时的基本 现象和规律以及对声纳设备的影响，具有解决简单 的水声工程实际问题的能力。
2017/3/28
23
声波在水中的辐射、传播和接收受到环境 因素的显著影响
海水中声速分布对声传播 的影响环境
2017/3/28
24
水声设备设计和使用要与水声环境相匹配
根据水声波导的特点确定声纳设备的布放
根据水声波导的特点确定声纳的工作方式
根据水声信道的特点确定水声信号处理的 方案
目 标 声纳性能 预报模型 平 台
噪声模型
混响模型
声纳系统
海洋与水声集成 的声场预报模型 专家系统
危险评估
武器系统 代价评估 战术约束
经济代价
海洋环境
2017/3/28
32
3、水声学发展简史
2017/3/28
33
水声学发展历史
水声学起源 1490年，达.芬奇摘记中 提出用长管听远处航船 水声学第一次定量测量 1827年，瑞士物理学家 D.Colladon和法国数学家 C.Sturm合作，在日内瓦湖 测量了水中的声速。
2017/3/28
27
环境匹配信号处理方法需要计算大量拷贝声场
基于信道 自适应的 声场聚焦
2017/3/28
28
2017/3/28
29
海军作战需要充分利用水声环境
海底山对声传播的影响
2017/3/28
30
海洋环境中的声场分布
2017/3/28
31
海 洋 环 境 信 息 获 取 研 究
2017/3/28
34
水声学发展历史
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。
压电陶瓷 --PZT（锆钛酸铝）
2017/3/28
35
水声学发展历史
一个航海悲剧（1912年）和一次世界大战（1914年）推动 水声学迅速发展 1912年，泰坦尼克号沉没。
i.e.
2017/3/28
c(T, p, S) = fl = 1500 m/s
21
Speed of Sound in Water
Medium Effects: Elasticity and Density
Variable Effects of: Salinity
Salinity
Pressure
2017/3/28 15
声波是水下远距离信息传输唯一有效载体
应该采用何种方式探测水下目标?
–雷达
在水中传播衰减很大.
–光
提问???
作用距离非常近 ( 10米 到 100米 ).
–磁场特征
有用，但作用距离近 (100米以内).
–声波
???
2017/3/28 16
回答!!!
声波!
– SPL = 10 log(2P12/1 mPa) = 10 log(P12/1 mPa) + 10 log (2) – SPL = SPL1 + 3
数学计算方法
– SPL = 10 log ( 10SPL1/10 + 10SPL2/10 )
列表方法
2017/3/28
10
Adding Decibels
Pressure
Temperature
Temperature
Depth
2017/3/28
Depth
Depth
22
SOFAR声道
1944年，Ewing 和 Worzel作低频远距离声传 播实验 接收船布放水听器，发射船投放4磅爆炸声 源，两船相距 900海里 Ewing and Worzel第一次听到了SOFAR声道 (SOund Fixing And Ranging)传来的脉冲序列声。
1、声波的基本知识
2017/3/28
5
声波的基本知识
声探测的三个基本要素:
– 声源 – 任何振动物体. – 介质 – 探测器/接收器
物体的振动引起介质的压缩与膨胀 明确: l= c/f
2017/3/28 6
定 义
声功率 = 辐射的声波能量 / 秒 (Joules / s). 声强 = 声功率密度或声功率 / 单位面积. 声压 = 单位面积的受力.
– 因此…
SPL = 20 log ( P / 1 mPa )
2017/3/28 8
小测验
两个噪声源的声压级均为 60 dB. 两个噪声源共同辐射噪声的声压级是 多少? 60 + 60 = 120 ……… 对吗 …??
错!
60dB + 60dB = 63dB 具体如下…
2017/3/28 9
Combining Sound Pressure Levels (SPL) 两个相同的噪声源
2017/3/28
25
水声传播中的多途现象
Sound Speed Profile
VLA
Problems:
Ray bundle, Interaction with Bottom, Mode Coupling due to internal wave, front
2017/3/28 26
录音机记录到的爆炸脉冲波形
图9
54组声速剖面
2017/3/28
20
声波在水中的辐射、传播和接收受到环境 因素的显著影响
海水中的声速
c= fl 但… – c = 1500 m/s (c 是 海水中的声速 ).
声传播速度, 频率和波长相互联系, 但依赖环境参 数的变化:
– Temperature – 增加1o C = 声速增加3 m/s. – Pressure – 深度增加100米 = 声速增加1.7 m/s. – Salinity – 盐度增加1 PPT = 声速增加1.3 m/s.
ocean subbottom
2017/3/28
19
ù Ë É Ù (m/s)
06-02-2001 06-03-2001 06-03-2001 06-03-2001 06-05-2001 06-05-2001 06-06-2001 06-06-2001 1 9:35 00:58 1 5:56 23:45 14:01 23:57 08:57 23:57
2017/3/28
38
1914年，第一次世界大战爆发，反潜战出现-大西洋潜艇战役片断
2017/3/28
39
大西洋潜艇战役片断
2017/3/28
40
大西洋潜艇战役片断
2017/3/28
41
大西洋潜艇战役片断
2017/3/28
42
水声学发展历史
Powerful high frequency ultrasonic echo-sounding device was developed by emminent French physicist Paul Langé vin and Russian scientist Constantin Chilowsky. They called their device the 'hydrophone'. The transducer of the hydrophone consisted of a mosaic of thin quartz crystals glued between two steel plates with a resonant frequency of 150 KHz. Between 1915 and 1918 the hydrophone was further improved in classified research activities and was deployed extensively in the surveillance of German Uboats and submarines. The first known sinking of a submarine detected by hydrophone occurred in the Atlantic during World War I in April,1916.
水声学是本专业主要特色课程之一
教材：
刘伯胜、雷家煜，水声学原理，哈尔滨工程大学出 版社，2009.
主要参考资料：
R. J.尤立克著，洪申译，水声原理，哈尔滨船舶工程学院 出版社，1989. 汪德昭、尚尔昌，水声学（第二版），科学出版社，2013. P.C. Etter, Underwater acoustic modeling and
测量单位.
– 大气压, 巴, 帕斯卡, PSI, 达因/平方厘米, 毫米汞 柱.
2017/3/28
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声波的计量
如何比较声波的强弱?
采用分贝（ DECIBELS）为单位. 声强比率的分贝表示. {声压级 (SPL)} 定义
– dB = 10 log (ratio) – SPL = 10 log (I/Io) = 10 log (P2/Po2) = 20 log (P/Po)
simulation,4th Edition, CRC, 2013.
顾金海、叶学千，水声学基础，国防工业出版社，1981. 网站： http://oalib.hlsresearch.com/
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第一章 绪 论
声波的基本知识 水声学的基本内涵 水声学的发展简史 水声学的主要研究对象 水声的主要应用 本课程的主要内容
2017/3/28 43
水声学发展历史
1925年， 研制出用于船舶导航水声设备——回声测深仪。
第二次世界大战促进了水声技术的飞速发展。
2017/3/28
44
水声学发展历史
二战期间，潜艇共击沉作战舰艇381艘，其中战列舰3艘，航 空母舰17艘，巡洋舰32艘，驱逐舰122艘，还有其它作战舰 艇207艘，击沉各种运输船5000余艘。 二战中各种舰艇共击沉航空母舰38艘，仅潜艇就击沉17艘。 被潜艇击沉的潜艇80艘。 在第二次世界大战中，德国“U-47”号潜艇于1939年10月潜 入英国位于苏格兰北部的海军基地，在港内击沉了英国的 排水量达33000多吨的大型战列舰“皇家橡树”号，创造了 军事史上的奇迹。 在双方被击沉的潜艇中，有60%是由水声设备发现的。
14
2.2 水声学基本内涵
水声学是围绕水声技术、水声对抗技术和水声工程 的基本需求来开展科学研究的 – 水声技术
利用声波作为信息载体来实现水下探测、定位、导航 和通信的原理与方法
– 水声对抗技术
在军事上，对抗水下声探测、定位、导航和通信的技 术措施与手段
– 水声工程
水声技术和对抗技术的工程目标实现
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水声学发展历史
1912年， 英国人Alexander Belm描述了回声定位设备。
1912年，英国人L.F. Richardon提出了回声定位方案（英国专 利）。
2017/3/28
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水声学发展历史
The first working sonar system was designed and built in the United States by Canadian Reginald Fessenden in 1914. The Fessenden sonar was an electromagnetic moving-coil oscillator that emitted a lowfrequency noise and then switched to a receiver to listen for echoes. It was able to detect an iceberg underwater from 2 miles away, although with the low frequency, it could not precisely resolve its direction.
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2、水声学的基本内涵
2017/3/28
12
2.1 水声学的定义
水声学主要研究声波在水下的辐射、传播与 接收，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。
海面 声辐射 声传播 声接收
海水
海洋环境
海底
2017/3/28
13
水声学是声学的一个重要分支。
2017/3/28
– 声波是目前水下唯一有 效的远距离信息载体.
声波是最好的选择是 因为…
– 可以做超远距离传播 – 可以分辨海水中的目标 – 传播速度较快
2017/3/28
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声波是水下远距离信息传输唯一有效载体
Baidu Nhomakorabea
2017/3/28
18
水声学与海洋环境
air-ocean interface
ocean volume
水声学基础 Introduction of Underwater Acoustics
本课程目的和任务
通过讲述声纳方程、海洋声传播特性、目标反 射和散射、海洋混响和水下噪声等内容，使学生了 解水声工程设计的基本方法、声纳设备以及水声学 的最新发展动态，掌握声波在海水中传播时的基本 现象和规律以及对声纳设备的影响，具有解决简单 的水声工程实际问题的能力。
2017/3/28
23
声波在水中的辐射、传播和接收受到环境 因素的显著影响
海水中声速分布对声传播 的影响环境
2017/3/28
24
水声设备设计和使用要与水声环境相匹配
根据水声波导的特点确定声纳设备的布放
根据水声波导的特点确定声纳的工作方式
根据水声信道的特点确定水声信号处理的 方案
目 标 声纳性能 预报模型 平 台
噪声模型
混响模型
声纳系统
海洋与水声集成 的声场预报模型 专家系统
危险评估
武器系统 代价评估 战术约束
经济代价
海洋环境
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3、水声学发展简史
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水声学发展历史
水声学起源 1490年，达.芬奇摘记中 提出用长管听远处航船 水声学第一次定量测量 1827年，瑞士物理学家 D.Colladon和法国数学家 C.Sturm合作，在日内瓦湖 测量了水中的声速。
2017/3/28
27
环境匹配信号处理方法需要计算大量拷贝声场
基于信道 自适应的 声场聚焦
2017/3/28
28
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29
海军作战需要充分利用水声环境
海底山对声传播的影响
2017/3/28
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海洋环境中的声场分布
2017/3/28
31
海 洋 环 境 信 息 获 取 研 究
2017/3/28
34
水声学发展历史
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。
压电陶瓷 --PZT（锆钛酸铝）
2017/3/28
35
水声学发展历史
一个航海悲剧（1912年）和一次世界大战（1914年）推动 水声学迅速发展 1912年，泰坦尼克号沉没。
i.e.
2017/3/28
c(T, p, S) = fl = 1500 m/s
21
Speed of Sound in Water
Medium Effects: Elasticity and Density
Variable Effects of: Salinity
Salinity
Pressure
2017/3/28 15
声波是水下远距离信息传输唯一有效载体
应该采用何种方式探测水下目标?
–雷达
在水中传播衰减很大.
–光
提问???
作用距离非常近 ( 10米 到 100米 ).
–磁场特征
有用，但作用距离近 (100米以内).
–声波
???
2017/3/28 16
回答!!!
声波!
– SPL = 10 log(2P12/1 mPa) = 10 log(P12/1 mPa) + 10 log (2) – SPL = SPL1 + 3
数学计算方法
– SPL = 10 log ( 10SPL1/10 + 10SPL2/10 )
列表方法
2017/3/28
10
Adding Decibels
Pressure
Temperature
Temperature
Depth
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Depth
Depth
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SOFAR声道
1944年，Ewing 和 Worzel作低频远距离声传 播实验 接收船布放水听器，发射船投放4磅爆炸声 源，两船相距 900海里 Ewing and Worzel第一次听到了SOFAR声道 (SOund Fixing And Ranging)传来的脉冲序列声。
1、声波的基本知识
2017/3/28
5
声波的基本知识
声探测的三个基本要素:
– 声源 – 任何振动物体. – 介质 – 探测器/接收器
物体的振动引起介质的压缩与膨胀 明确: l= c/f
2017/3/28 6
定 义
声功率 = 辐射的声波能量 / 秒 (Joules / s). 声强 = 声功率密度或声功率 / 单位面积. 声压 = 单位面积的受力.
– 因此…
SPL = 20 log ( P / 1 mPa )
2017/3/28 8
小测验
两个噪声源的声压级均为 60 dB. 两个噪声源共同辐射噪声的声压级是 多少? 60 + 60 = 120 ……… 对吗 …??
错!
60dB + 60dB = 63dB 具体如下…
2017/3/28 9
Combining Sound Pressure Levels (SPL) 两个相同的噪声源
2017/3/28
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水声传播中的多途现象
Sound Speed Profile
VLA
Problems:
Ray bundle, Interaction with Bottom, Mode Coupling due to internal wave, front
2017/3/28 26
录音机记录到的爆炸脉冲波形
图9
54组声速剖面
2017/3/28
20
声波在水中的辐射、传播和接收受到环境 因素的显著影响
海水中的声速
c= fl 但… – c = 1500 m/s (c 是 海水中的声速 ).
声传播速度, 频率和波长相互联系, 但依赖环境参 数的变化:
– Temperature – 增加1o C = 声速增加3 m/s. – Pressure – 深度增加100米 = 声速增加1.7 m/s. – Salinity – 盐度增加1 PPT = 声速增加1.3 m/s.
ocean subbottom
2017/3/28
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ù Ë É Ù (m/s)
06-02-2001 06-03-2001 06-03-2001 06-03-2001 06-05-2001 06-05-2001 06-06-2001 06-06-2001 1 9:35 00:58 1 5:56 23:45 14:01 23:57 08:57 23:57
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1914年，第一次世界大战爆发，反潜战出现-大西洋潜艇战役片断
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39
大西洋潜艇战役片断
2017/3/28
40
大西洋潜艇战役片断
2017/3/28
41
大西洋潜艇战役片断
2017/3/28
42
水声学发展历史
Powerful high frequency ultrasonic echo-sounding device was developed by emminent French physicist Paul Langé vin and Russian scientist Constantin Chilowsky. They called their device the 'hydrophone'. The transducer of the hydrophone consisted of a mosaic of thin quartz crystals glued between two steel plates with a resonant frequency of 150 KHz. Between 1915 and 1918 the hydrophone was further improved in classified research activities and was deployed extensively in the surveillance of German Uboats and submarines. The first known sinking of a submarine detected by hydrophone occurred in the Atlantic during World War I in April,1916.
水声学是本专业主要特色课程之一
教材：
刘伯胜、雷家煜，水声学原理，哈尔滨工程大学出 版社，2009.
主要参考资料：
R. J.尤立克著，洪申译，水声原理，哈尔滨船舶工程学院 出版社，1989. 汪德昭、尚尔昌，水声学（第二版），科学出版社，2013. P.C. Etter, Underwater acoustic modeling and