第二十讲 习题课第5章声波在目标上的反射和散射1测量柱形目标的TS值时，发现TS值随测量距离而变，说明这种变化关系及其原因。解：与测量距离关系：随着距离变大，TS值逐渐变大，距离大到某个值后，TS值不再随距离而变大。原因：（1）声呐换能器指向性原因，近距离上，入射声没有照射到目标全部，因而对回波有贡献的表面小，回波弱，随着距离变大，入射照射的面积变大，对回声有贡献的表面也变大，因而TS值也大，距离大到某个值时，整个目标都被入射声照射后，TS值不再随测量距离而变；（2）回声信号在近场与距离的一次方成反比，在远场与距离的二次方成反比，而归算至目标声中心1米处时都按球面规律归算，其后果必然导致远场测量结果大于近场。2在高频远场条件下，简单地用能量守恒关系推出半径为a的刚性球目标强度TS值表达式。解：入射到球面上的声功率：W，=πα?1。在散射场远场，如果为均匀球面场，则半径为r球面上散射声功率：W,=4元21,(r)根据能量守恒，有：W，=W，，元a1。=4m21(r)根据定义：TS=10lg(1,(r=1m)/1.)=10lg(a2/4)=20lg(a/2)3一只工作在50kHz频率的声呐换能器具有140dB声源强度。问从一个距离为1000m，半径为40m的球形物体上返回的回波信号强度是多少？解：由声呐方程可知，回声信号强度为EL=SL-2TL+TS又TL=20lg ra?TS=10lg4402所以EL=120-2X20lg1000+10lg=46dB44：在非消声水池中测量目标回声信号时，应注意些什么？设目标强度TSo的目
第二十讲 习题课 第 5 章 声波在目标上的反射和散射 1 测量柱形目标的 TS 值时，发现 TS 值随测量距离而变，说明这种变化关系 及其原因。 解：与测量距离关系：随着距离变大，TS 值逐渐变大，距离大到某个值后，TS 值不再随距离而变大。原因：（1）声呐换能器指向性原因，近距离上，入射声 没有照射到目标全部，因而对回波有贡献的表面小，回波弱，随着距离变大， 入射照射的面积变大，对回声有贡献的表面也变大，因而 TS 值也大，距离大 到某个值时，整个目标都被入射声照射后，TS 值不再随测量距离而变；（2）回 声信号在近场与距离的一次方成反比，在远场与距离的二次方成反比，而归算 至目标声中心 1 米处时都按球面规律归算，其后果必然导致远场测量结果大于 近场。 2 在高频远场条件下，简单地用能量守恒关系推出半径为 a 的刚性球目标强度 TS 值表达式。 解：入射到球面上的声功率： 0 2 W a I i = 在散射场远场，如果为均匀球面场，则半径为 r 球面上散射声功率： W r I (r) s s 2 = 4 根据能量守恒，有： Wi = Ws， a I r I (r) s 2 0 2 = 4 根据定义： 10lg( ( 1 ) ) 10lg( 4) 20lg( 2) 2 TS = I s r = m I 0 = a = a 3 一只工作在 50kHz 频率的声呐换能器具有 140dB 声源强度。问从一个距离 为 1000m，半径为 40m的球形物体上返回的回波信号强度是多少？ 解：由声呐方程可知，回声信号强度为 EL=SL-2TL+TS 又 TL= 20lg r TS= 4 10lg 2 a 所以 EL=120-2× 20lg 1000 + 4 40 10lg 2 =46dB 4 在非消声水池中测量目标回声信号时，应注意些什么？设目标强度 TS0 的目
标在入射声波照射下产生的回声强度为Iro，若其余条件不变，将目标强度未知的目标替代原目标，测得回波强度为Ir，求该目标的TS值。IiIro收发合置换能器+IiIr解：在非消声水池中测量目标回声信号，应保证：测量在远场、自由场中进Ir行，并应是稳态信号。TS=TS。+10Iglra5简述实验测量水下物体目标强度（TS值）的“应答器法”，给出有关计算式，测量中应注意哪些问题才能保证测量的准确？若“直接测量法”布置为：在开阔水域，点声源辐射器，无指向性接收器和被测物体依次排列，间距分别为Rl，R2；（R2>>d2/入；d：被测物体最大线度；入：声波波长）。接收器接收的点声源辐射声压幅值为Pi，接收的被测物体散射声压幅值为Ps：问：被测物体的目标强度（TS值）如何计算？（声波球面扩展，不计海水声吸收）解：“直接测量法”测量水下目标强度（其它略）：布置如下图。R1R2发射换能器接收水听器待测目标(1）辐射声压幅值：P=P./r接收器接收的声压幅值：P=P/R待测目标的入射声压为：P=P/(R+R）=PR/(R+R）接收器接收目标散射声压幅值：P,=Plm/R目标强度计算公式：TS=20g(P/P)=20lg(P(R+R)R/(RP)（2）实验注意事项：a接收水听器和待测目标置于发射换能器的远场区；
标在入射声波照射下产生的回声强度为 Ir0，若其余条件不变，将目标强度 未知的目标替代原目标，测得回波强度为 Ir，求该目标的 TS 值。 TS0 Ii Ir0 收发合置换能器 TS Ii Ir 解：在非消声水池中测量目标回声信号，应保证：测量在远场、自由场中进 行，并应是稳态信号。 0 0 10lg Ir Ir TS = TS + 5 简述实验测量水下物体目标强度（TS 值）的“应答器法”，给出有关计算 式，测量中应注意哪些问题才能保证测量的准确？若‘直接测量法’布置 为：在开阔水域，点声源辐射器，无指向性接收器和被测物体依次排列，间 距分别为 R1，R2；（R2>>d2 /λ；d：被测物体最大线度；λ：声波波长）。接 收器接收的点声源辐射声压幅值为 Pi，接收的被测物体散射声压幅值为 Ps； 问：被测物体的目标强度（TS 值）如何计算？（声波球面扩展，不计海水 声吸收） 解：“直接测量法”测量水下目标强度（其它略）：布置如下图。 （1） 辐射声压幅值： P P r = 0 接收器接收的声压幅值： Pi = P0 R1 待测目标的入射声压为： ( ) ( ) P2 = P0 R1 + R2 = PiR1 R1 + R2 接收器接收目标散射声压幅值： Ps = Pr r=1m R2 目标强度计算公式： ( ) ( ( ) ( )) TS Pr P2 Ps R1 R2 R2 R1Pi = 20lg = 20lg + （2） 实验注意事项： a. 接收水听器和待测目标置于发射换能器的远场区； R1 R2 发射换能器 接收水听器 待测目标
b.接收水听器置于待测努表散射声场的远场区；c..发射声信号的脉冲长度：t>2L/c，L为目标长度。6写出目标回声信号级表达式：目标回声信号是如何产生的，它有哪些特性，并简述其产生的原因？解：目标回声信号级EL=SL-2TL+TS目标回声信号是入射声与目标互相作用后产生的，它由镜反射波，目标上不规则处的散射波，目标的再辐射波等组成，回声信号的一般特性有：回声信号的脉宽一般比入射信号宽；与入射信号相比，有多下勒频偏：回声信号波形一般有较大的畸变等。7比较弹性目标和刚性目标回波信号的异同，并说明形成差异的原因解：回声信号的相同点：脉冲展宽，多卜勒频偏，波形畸变等回声信号的不同点：弹性目标回声信号随频率作剧烈振荡，其原因是在入射波的激励下，目标的某些固有振动模态被激励，这些振动的辐射波是回声信号的组成部分，它们和镜反射波、不规则处的散射波等分量的迭加得到总的回声信号，而这种相干迭加是和频率有关的，因而回声信号随频率而变。8在短脉冲入射时，如何判断壳体目标回波脉冲串中由壳面的镜面引起的回波脉冲?9已知水面船作匀速直线运动，船底的换能器以夹角θ向海底发射声波，频率为fo，收得海底回声信号的频率为fr，求该船的航行速度V。+水面海底解：考虑多卜勒效应，回声信号频率T,=J(1+2Vcos0）=-)C2fcos0C10柱形水雷长2m，半径为0.5m，端部为半球形。垂直入射时，水雷及其端部的目标强度表达式是什么？给定声波频率分别为10kHz和100kHz，计算目标强度。解：已知圆柱物体的目标强度公式为TS=10lg(aL?/2元)
b. 接收水听器置于待测努表散射声场的远场区； c. .发射声信号的脉冲长度： 2L c ，L 为目标长度。 6 写出目标回声信号级表达式；目标回声信号是如何产生的，它有哪些特性， 并简述其产生的原因？ 解：目标回声信号级 EL=SL-2TL+TS 目标回声信号是入射声与目标互相作用后产生的，它由镜反射波，目标上 不规则处的散射波，目标的再辐射波等组成， 回声信号的一般特性有：回声信号的脉宽一般比入射信号宽；与入射信号 相比，有多卜勒频偏；回声信号波形一般有较大的畸变等。 7 比较弹性目标和刚性目标回波信号的异同，并说明形成差异的原因。 解：回声信号的相同点：脉冲展宽，多卜勒频偏，波形畸变等回声信号的不同 点：弹性目标回声信号随频率作剧烈振荡，其原因是在入射波的激励下，目标 的某些固有振动模态被激励，这些振动的辐射波是回声信号的组成部分，它们 和镜反射波、不规则处的散射波等分量的迭加得到总的回声信号，而这种相干 迭加是和频率有关的，因而回声信号随频率而变。 8 在短脉冲入射时，如何判断壳体目标回波脉冲串中由壳面的镜面引起的回波 脉冲？ 9 已知水面船作匀速直线运动，船底的换能器以夹角 向海底发射声波，频率 为 f0，收得海底回声信号的频率为 fr，求该船的航行速度 v。 V f0 fr 水面 海底 解：考虑多卜勒效应，回声信号频率 = + c V f f r 2 cos 0 1 ( ) 2 0 cos 0 f f f C V r − = 10 柱形水雷长 2m，半径为 0.5m，端部为半球形。垂直入射时，水雷及其端部 的目标强度表达式是什么？给定声波频率分别为 10kHz 和 100kHz，计算目 标强度。 解：已知圆柱物体的目标强度公式为 TS= 10lg( / 2 ) 2 aL
在10kHz时，TS=10lg[(0.5×22)/(2×0.15)]=-2dB在100kHz时，TS=10lg[(0.5×22)/(2×0.015)]=8dB已知球形目标的目标强度公式为TS=10lg(α2/4)，对于大球，其目标强度不随频率变化，所以两个频率下，TS=10lg(0.52/4)=-12dB第6章海洋中的混响1什么是等效平面波混响级，说明混响信号的特性。一式中Io是参考声强，「是平面波声强。解：RL=10lg10将声呐换能器放入混响声场中，声轴指向目标，在混响的作用下，换能器输出开路电压V，再将声强为I的平面波沿声轴入射向换能器，如换能器的开路输出电压也等于V，则就用平面波声强度量混响强度，称RL为等效平面波混响级。混响是主动声呐特有的干扰，它是一个非平衡随机量，随时间衰减，它的瞬时值服从高斯分布，振幅服从瑞利分布。其频率特性基本上与发射信号相同，在空间中不是均匀的。2，为什么说海洋体积混响源是海洋生物？海面混响和海底混响是如何形成的？解：海洋体积混响主要来自深水散射层。深水散射层具有昼夜迁徒规律，早晚较浅，接近海面，白昼较深；该层具有一定厚度；且有选频特性，据此可以判定，该层是由海洋生物组成的，它们是体积混响的散射源。海面混响是由波浪海面不平整及海面附近的一层小气泡对声波的散射形成的，海底混响是海底的不平整及表面的粗糙度对声波的散射形成的。3海洋混响是如何形成的？它的强弱与哪些因素有关？解：海洋混响是由海洋中存在的大量不均匀性（如海底、海面的不平整，海面附近的气泡，海底的粗糙度，海洋生物等）对入射声波的散射波在接收点的迭加，混响首先与海水体积或海面、海底的散射强度有关，还与换能器等效联合指向性、发射脉冲宽度和入射声强度有关。4若海水的体积散射强度与空间位置无关为S，声呐的发射、接收指向性函数分别为R(①，@)和R(@,@)；发射声源级SL；信号脉冲宽度t。（1）简述
在 10kHz 时，TS= 10lg[( 0.5 2 )/(2 0.15)] 2 2 = − dB 在 100kHz 时，TS= 10lg[( 0.5 2 )/(2 0.015)] 8 2 = dB 已知球形目标的目标强度公式为 TS= 10lg( / 4) 2 a ，对于大球，其目标强度 不随频率变化，所以两个频率下，TS= 10lg( 0.5 / 4) 2 =-12dB 第 6 章 海洋中的混响 1 什么是等效平面波混响级，说明混响信号的特性。 解： 0 10lg I I RL = 式中 I0是参考声强，I 是平面波声强。 将声呐换能器放入混响声场中，声轴指向目标，在混响的作用下，换能器 输出开路电压 V，再将声强为 I 的平面波沿声轴入射向换能器，如换能器的开 路输出电压也等于 V，则就用平面波声强度量混响强度，称 RL 为等效平面波 混响级。 混响是主动声呐特有的干扰，它是一个非平衡随机量，随时间衰减，它的瞬时 值服从高斯分布，振幅服从瑞利分布。其频率特性基本上与发射信号相同，在 空间中不是均匀的。 2 为什么说海洋体积混响源是海洋生物？海面混响和海底混响是如何形成的？ 解：海洋体积混响主要来自深水散射层。深水散射层具有昼夜迁徒规律，早晚 较浅，接近海面，白昼较深；该层具有一定厚度；且有选频特性，据此可以判 定，该层是由海洋生物组成的，它们是体积混响的散射源。 海面混响是由波浪海面不平整及海面附近的一层小气泡对声波的散射形成 的，海底混响是海底的不平整及表面的粗糙度对声波的散射形成的。 3 海洋混响是如何形成的？它的强弱与哪些因素有关？ 解：海洋混响是由海洋中存在的大量不均匀性（如海底、海面的不平整，海面 附近的气泡，海底的粗糙度，海洋生物等）对入射声波的散射波在接收点的迭 加，混响首先与海水体积或海面、海底的散射强度有关，还与换能器等效联合 指向性、发射脉冲宽度和入射声强度有关。 4 若海水的体积散射强度与空间位置无关为 V S ，声呐的发射、接收指向性函 数分别为 ( ,) R1 和 ( ,) R2 ；发射声源级 SL；信号脉冲宽度 。（1）简述
计算海洋混响的最简单模型；（2）用此模型，推导出不均匀海水的体积混响等效平面波混响级RL的表达式。解：（1）计算混响的简单模型：声线直线传播；不计海水声吸收：散射体（面）单元均匀连续分布：每一散射体（面）单元散射声波的发生和结束与入射到此单元上的入射声波同时发生和结束；不计二次散射。（2）t时刻收发合置换能器接收的混响来自半径为ct/2和c（t+t）2的球壳间散射体的散射，此区域记作Vo。入射到体元dV的入射声波声强为：I.R(@,)/r2体元dV产生的散射波声强为：1oR(,g)/rsidV/r2dV产生的散射波声强等效平面波声强为：.R,(,)R,(@,)/r*sdV区域Vo散射的总等效平面波声强为：1=[1oR,(0,)R(e,g)/r*SdV如果ct/2>ct/2，则积分结果可近似为：I = IoS, /rct /2J R (0,0)R,(e,)dodp定义：收发合置换能器的等效束宽为：甲=[R,(8,)R,(0,)dod则：1=1oS/ryct/2=1.S/ryct/2等效平面波混响级为：RL=10lg(I/Iref)=SL-2TL+Sv+10lg(V)其中：声源级SL=10lg(I/lref)；传播损失TL=10lg(r-)；海水体积散射强度Sv；等效散射体积V=I=yr2cT/2。5已知目标强度为TS的目标位于海底，探测声呐与它之间的距离R，海底散射强度为Sb，探测声呐声源级SL，发射脉冲宽度t，换能器等效联合指向性Φ，海水中声速C，吸收系数α，写出接收信号信混比表达式。TS7解：等效平面波混响级RL=SL-40gr+S.+101g-2ar62（1）回声信号级EL=SL-2TL+TS=SL-401gr-2αr+TSE（2）回声信号信混比SR=EL-RL=TS-S,-10lg2
计算海洋混响的最简单模型；（2）用此模型，推导出不均匀海水的体积混响 等效平面波混响级 RLV 的表达式。 解：（1）计算混响的简单模型：声线直线传播；不计海水声吸收；散射体 （面）单元均匀连续分布；每一散射体（面）单元散射声波的发生和 结束与入射到此单元上的入射声波同时发生和结束；不计二次散射。 （2）t 时刻收发合置换能器接收的混响来自半径为 ct/2 和 c（t+ ）/2 的球壳 间散射体的散射，此区域记作 V0。 入射到体元 dV 的入射声波声强为： ( ) 2 0 1 I R , /r 体元 dV 产生的散射波声强为： ( ) 2 2 0 1 I R , /r S dV /r V dV 产生的散射波声强等效平面波声强为： I R ( )R ( ) r SV dV 4 0 1 2 , , / 区域 V0散射的总等效平面波声强为： ( ) ( ) = 0 4 0 1 2 , , / V I I R R r SV dV 如果 ct/2> c /2，则积分结果可近似为： ( ) ( ) I = I SV /r c / 2 R1 , R2 , dd 2 0 定义：收发合置换能器的等效束宽为： ( ) ( ) = R1 , R2 , dd 则： / / 2 / / 2 4 2 0 2 0 I I S r c I S r r c V V = = 等效平面波混响级为：RL=10lg(I/Iref)=SL-2TL+SV+10lg(V) 其中：声源级 SL=10lg(I/Iref)；传播损失 TL=10lg(r2 )；海水体积散射强度 SV；等效散射体积 V= / 2 2 I =r c 。 5 已知目标强度为 TS 的目标位于海底，探测声呐与它之间的距离 R，海底散 射强度为 Sb，探测声呐声源级 SL，发射脉冲宽度 ，换能器等效联合指向 性 ，海水中声速 C，吸收系数 ，写出接收信号信混比表达式。 TS R 解：等效平面波混响级 r c r RL SL r Sb 2 2 40lg 10lg − = − + + （1）回声信号级 EL=SL-2TL+TS=SL-40lgr-2 r+TS （2）回声信号信混比 = − = − − 2 10lg c r SR EL RL TS Sb