第十八讲第6章海洋中的混响本讲主要内容：1、海底混响（重点）口海底混响的理论处理口海底散射强度口关于海底反向散射的理论解释2、体积混响（重点、难点）口体积混响理论口体积混响区域口体积散射强度$6.2海底混响、海底混响理论海底混响是一种界面混响。海底散射几何关系如右图所示。收发合置换能器距离海底高度为H，它们指向性分别为b(0,)、b(,p)。根据实际情况，H<<I，所以α元/2，这使得反向散射过程与换能器垂直指向性基本无关，故b(0,), b(0,0)可近似为6(0,0),b'(0,p)。海底混响的有效散射声强为：S,b(0,@)b'(0,p)dALncat海底反向散射强度S, =101g(S)dA-rdRdp2* Ig rs,b(0, p)b'(0, p)dRdp2~rs; b(0,p)b(0,)dp用一个理想指向性图替代发收组合的指向性束宽：" b(0,p)b(0, p)dp = "1×1dp=@
第十八讲 第 6 章 海洋中的混响 本讲主要内容： 1、海底混响（重点） ❑ 海底混响的理论处理 ❑ 海底散射强度 ❑ 关于海底反向散射的理论解释 2、体积混响（重点、难点） ❑ 体积混响理论 ❑ 体积混响区域 ❑ 体积散射强度 §6.2 海底混响 一、海底混响理论 海底混响是一种界面混响。海 底散射几何关系如右图所示。收发 合置换能器距离海底高度为 H，它 们指向性分别为 b(,) 、b(,)。 根据实际情况，H<<r，所以 / 2 ，这使得反向散射过程 与换能器垂直指向性基本无关，故 b(,)，b(,) 可近似为 b(0,)， b(0,)。 海底混响的有效散射声强为： 用一个理想指向性图 替代发收组合的指向性束宽： = = 0 2 0 b(0, )b (0, )d 1 1d
海底散射声强：CTdscat2r变化规律：海底散射声强度正比于发射声强、发射声信号脉冲宽度、收-发组合指向性束宽，并和距离的三次方成反比，即随时间的三次方衰减。海底混响的等效平面波混响级表达式：RL=SL+S,-401gr+101grdRL=SL+S,-401gr+10lg海面混响2CT2RL=SL+Sy-40lgr+10lg体积混响2二、海底散射强度海底散射强度主要受海底底质、掠射角和声波频率等因素影响。1、与声波频率关系1）比较平滑的海底（泥浆底或砂底）：在很宽频率范围内，随频率以3dB/倍频程增大；2）岩石、砂和岩石及淤泥、贝壳海底：与频率基本无关。解释：海底粗糙程度的影响：粗糙度大于波长，海底反向散射与频率无关：粗糙度小于波长时，散射强度随频率增大。根据海底散射强度随频率变化，将海底粗糙度分为三类。2、与海底底质和角度关系~24千然5和60千40100TH030千砂和岩五-10砂鲜20N-36010203040506070809010掠射角（度）抗射龟（度）注意：知道如何查图读数即可。常识：海底散射强度大于海水的体积混响和海面散射强度，对于工作在近海底的主动声呐来讲，海底混响可能成为主要于扰背景。三、关于海底反向散射的理论解释1、产生海底反向散射的主要原因是海底的起伏不平整性及表层的粗糙度；2、海底对声波的散射作用的本质是将投射到海底的声能量在空间中进行了重新分配;3、强粗糙面上的散射问题可用兰伯特（Lambert）定律描述
海底散射声强： 2 c rS r I I 4 b 0 scat = 变化规律： 海底散射声强度正比于发射声强、发射声信号脉冲宽度、收-发组合指向性束 宽，并和距离的三次方成反比，即随时间的三次方衰减。 海底混响的等效平面波混响级表达式： 二、海底散射强度 海底散射强度主要受海底底质、掠射角和声波频率等因素影响。 1、与声波频率关系 1）比较平滑的海底（泥浆底或砂底）：在很宽频率范围内，随频率以 3dB/倍频程 增大； 2） 岩石、砂和岩石及淤泥、贝壳海底：与频率基本无关。 解释： 海底粗糙程度的影响：粗糙度大于波长，海底反向散射与频率无关；粗糙度 小于波长时，散射强度随频率增大。根据海底散射强度随频率变化，将海底粗糙 度分为三类。 2、与海底底质和角度关系 注意：知道如何查图读数即可。 常识：海底散射强度大于海水的体积混响和海面散射强度，对于工作在近海底的 主动声呐来讲，海底混响可能成为主要干扰背景。 三、关于海底反向散射的理论解释 1、产生海底反向散射的主要原因是海底的起伏不平整性及表层的粗糙度； 2、海底对声波的散射作用的本质是将投射到海底的声能量在空间中进行了重新分 配； 3、强粗糙面上的散射问题可用兰伯特（Lambert）定律描述
四、混响预报例：设声呐工作频率为50kHz，声源级为120dB，发射脉冲宽度1ms，换能器为0.3m长的线状换能器，置于泥浆海底上方30m处，求相应离底的斜距为180m时的海底混响级。解：（1）声波掠射角r=180msin0=30/180福0 = 9.6°30m（2）海底散射强度Sb由掠射角和泥浆海底条件在上图的曲线查得Sb=-35dB（3）等效波束宽度Φ声呐工作频率50kHz，相应的波长为0.03m，又换能器为0.3m长的柱状换能器，所以由表6-3查得(0.1+ 9.2 = -8.810lg@Φ=10lgΦ=0.13弧度2元（4）混响面积Ar = (0.75)(0.13)(180)=17.80m2A=S2（5）等效平面波混响级RLRL=SL-40lgr+S,+10lg A=7.3dB$6.3体积混响一、对混响有贡献的区域海洋中所有散射体的散射波不会都在同一时刻到达接收器：它们距离声源和接收器的距离远近不一样，入射声波照射到散射体的时刻有先有后。某时刻的混响是该时刻所有到达接收器的散射波的总和。结论：海洋中部分散射体对某时刻的混响有贡献。考虑收发合置情况，位于O点，发射脉冲宽度为T，根据球面扩展假设，该脉冲在海水中形成一个厚度为Ct的扰动球壳层，发射脉冲结束后的/2时刻，该扰动球的内外半径为：rj=ct/2r; =ct/2+ctCT2解释：球壳内的散射体在1/2时刻的散射波，不能在同一时刻传到接收器。球壳内层半径为ri的A点脉冲后沿激发的散射波在t/2时刻开始传向接收点；而半径为ro的B点，脉冲前沿在时刻t/2-t/2开始向接收点发出散射波，到达A点的时刻恰好也是/2，它们可在t时刻同时到达接收点。注意：注意脉冲的前沿和后沿。位于r和ro之间的散射体都和B点类似，都会对t时刻的混响有贡献。上述推导也适用于海面和海底混响，圆环替代球壳
四、混响预报 例：设声呐工作频率为 50kHz，声源级为 120dB，发射脉冲宽度 1ms，换能器为 0.3m长的线状换能器，置于泥浆海底上方 30m处，求相应离底的斜距为 180m时的海底混响级。 解：（1）声波掠射角 sin = 30/180 = 9.6 （2）海底散射强度 Sb 由掠射角和泥浆海底条件在上图的曲线查得 Sb=-35dB （3）等效波束宽度 声呐工作频率 50kHz，相应的波长为 0.03m，又换能器为 0.3m长 的柱状换能器，所以由表 6-3 查得 9.2 8.8 2 0.1 10lg 10lg + = − = （4）混响面积 A （5）等效平面波混响级 RL §6.3 体积混响 一、对混响有贡献的区域 海洋中所有散射体的散射波不会都在同一时刻到达接收器：它们距离声源和 接收器的距离远近不一样，入射声波照射到散射体的时刻有先有后。某时刻的混 响是该时刻所有到达接收器的散射波的总和。 结论：海洋中部分散射体对某时刻的混响有贡献。 考虑收发合置情况，位于 O 点，发射脉冲宽度为 ，根据球面扩展假设，该 脉冲在海水中形成一个厚度为 c 的扰动球壳层，发射脉冲结束后的 t/2 时刻，该 扰动球的内外半径为： 解释： 球壳内的散射体在 t/2 时刻的散射波，不能在同一时刻传到接收器。球壳内 层半径为 r1的 A 点脉冲后沿激发的散射波在 t/2 时刻开始传向接收点；而半径为 r0的 B 点，脉冲前沿在时刻 t / 2− 2 开始向接收点发出散射波，到达 A 点的时刻 恰好也是 t/2，它们可在 t时刻同时到达接收点。 注意：注意脉冲的前沿和后沿。位于 r1和 r0之间的散射体都和 B 点类似，都会 对 t时刻的混响有贡献。上述推导也适用于海面和海底混响，圆环替代球 壳。 / 2 1 r = ct r = ct / 2+ c 2 = 0.13弧度2 r (0.75)(0.13)(180) 17.80m 2 c A = = = RL = SL− 40lg r +Sb +10lg A = 7.3dB
二、体积混响理论1、体积混响的等效平面波混响级：假设散射体为均匀分布，指向性发射器的指向性为b(e,)。(1)单位距离处的轴向声强为lo，则在空间(，)方向上的声为1.b(0,)；(2)考虑(O，)方向上r处有一体积为dV的体积散射体，根据上节假设（1)dV处的入射声强度为I。b(9,β)/r2(3)根据散射强度定义：Sy=10lg(uscar/Iimc），令SV=Isca/Iine，则可得在返回声源方向距离dV单位距离处的散射声强度为[.b(0,p)/rSvdVRb(0.96e.s.dy6(9.9)0.910b(0.e)12.1ob(op)FSxdPlob(8.9)Srdyr4(a) 反射(b)接收(4)在入射声波作用下，由dV产生的返回声源处的散射声强度为I.b(3,)S,dv /r4(5)设接收器指向性为b（,）（收发合置则有b'=b），则对接收器输出端有贡献声强绝对值为I.b(0,p)b(0,p)SvdV/r4(6)总的散射声强为：1.1b(8,)b(0,0)dv(7）根据假设，每个散射体元有相同贡献，总散射声强绝对值：1.Sv(.-b(0,p)b'(,p)dv(8）根据混响级定义和上式，体积混响等效平面波混响级为：1.b(0, p)b'(0, p)dvRL=10lg-I2、积分计算对体积混响有贡献的体积是厚度为ct/2的球壳层，则有：dV=r2CT体积元对接收点所张立体角dcr/22Pde
二、体积混响理论 1、体积混响的等效平面波混响级： 假设散射体为均匀分布，指向性发射器的指向性为 b( ,)。 (1) 单位距离处的轴向声强为 I0，则在空间 ( , ) 方向上的声为 ( , ) I 0b ； (2) 考虑 ( , ) 方向上 r 处有一体积为 dV 的体积散射体，根据上节假设（1）， dV 处的入射声强度为 2 0 I b(,)/r ； (3) 根据散射强度定义： ( ) V scat inc S =10lg I / I ，令 V scat inc S = I / I ，则可得在返 回声源方向距离 dV 单位距离处的散射声强度为 I b r SV dV 2 0 (,) / ； (4) 在入射声波作用下，由 dV 产生的返回声源处的散射声强度为 4 0 I b( , )S dV /r V (5) 设接收器指向性为 b(,) （收发合置则有 b = b ），则对接收器输出端有贡 献声强绝对值为 4 0 I b( , )b ( , )S dV /r V 。 (6) 总的散射声强为： V V b b dV r S I ( , ) ( , ) 0 4 (7) 根据假设，每个散射体元有相同贡献，总散射声强绝对值： V V b b dV r I S ( , ) ( , ) 1 0 4 (8) 根据混响级定义和上式，体积混响等效平面波混响级为： 2、积分计算 对体积混响有贡献的体积是厚度为 c / 2 的球壳层，则有：
代入等效平面波混响级积分公式得：IoSy.CT1bbd2RL=10lg)22Iref般不易求得，者将其视为发射-接收组合束宽，则可以用一理想的等效指向性来替代它设有立体角，具有如下指向性：在立体角平内，相对响应为1：在立体角外，响应为零，即"bb'dQ-1×ldQ=46610<0%bm0单<0<4元用理想指向性替代实际合成指向性，则等效平面CTYI。RL=10lg2Iref等效平面波混响级：RL=SL+S-401gr+101g发射声信散射体到接收产生混散射强度号声源级器之间的距离响体积r = ct /2体积混响等效平面波混响级的理论公式：ct.+10lgRL = SL + Sv - 20lg22变化规律：混响声强与入射声强度、发射信号的脉冲宽度、发射-接收换能器的组合指向性束宽等量成正比，与混响时间的平方成反比，与散射体元的散射强度也有关。常识：如何减小混响，即如何抗混响？在不影响作用距离的前提下，适当减小发射信号声功率；采用尖指向性的收发换能器，以得到窄的组合波束：发射信号采用窄脉冲宽度。三、深水体积混响源及其特征概念：回声强度强的水层称为深水散射层（DSL），它是体积混响的主要来源。混响源：生物性：磷虾科动物、乌贼和挠足类动物：非生物性：尘粒和砂粒、温度不均匀水团、海洋瑞流、舰船尾流。特点：有一定厚度；深度不固定不变的，具有昼夜迁移规律，深度变化可达几百米；具有低频选频特性。混响产生原因：
代入等效平面波混响级积分公式得： 设有立体角 ，具有如下指向性： 在立体角 内，相对响应为 1； 在立体角 外，响应为零，即 = = 0 4 0 bb d 1 1d 用理想指向性替代实际合成指向性，则等效平面波混响级为： = 2 4 0 2 10lg r r c S I I RL V ref 等效平面波混响级： r = ct / 2 体积混响等效平面波混响级的理论公式： = + − + 2 10lg 2 20lg ct c RL SL SV 变化规律：混响声强与入射声强度、发射信号的脉冲宽度、发射-接收换能器的组 合指向性束宽等量成正比，与混响时间的平方成反比，与散射体元的 散射强度也有关。 常识：如何减小混响，即如何抗混响？在不影响作用距离的前提下，适当减小发 射信号声功率；采用尖指向性的收发换能器，以得到窄的组合波束；发射 信号采用窄 脉冲宽度。 三、深水体积混响源及其特征 概念： 回声强度强的水层称为深水散射层（DSL），它是体积混响的主要来源。 混响源： 生物性：磷虾科动物、乌贼和挠足类动物； 非生物性：尘粒和砂粒、温度不均匀水团、海洋湍流、舰船尾流。 特点： 有一定厚度；深度不固定不变的，具有昼夜迁移规律，深度变化可达几 百米；具有低频选频特性。 混响产生原因：