绪论第一讲第1章本将主要内容：水声学概述（了解）主动声呐方程及其各参数的概念、物理意义（重、难点）；被动声呐方程及其各参数的概念、物理意义（重、难点）组合声呐参数的物理意义（了解）；声呐方程的工程应用及限制（重点）。$1.1水声学概述1、本课程且的和任务：通过讲述声呐方程、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、声呐设备止确使用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呐设备的影响，具有解决简单的水声工程实际问题的能力。■水声学是本专业主要特色课程之一.教学科研紧密结合是本课程重要的特色之一教材：.刘伯胜、孟家煜，水声学原理，哈尔滨工程大学出版社，1997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，科学出版社，1979顾金海、叶学千，水声学基础，国防工业出版社，1981.2、声波的基本知识1）声探测的三个基本要素：一声源-任何振动物体一介质一探测器/接收器2）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=单位面积的受力一如测得了声压，就可以确定声强·测量单位一大气压，巴，帕斯卡，PSI，达因/平方厘米，毫米汞柱
第一讲 第 1 章 绪 论 本将主要内容： 水声学概述（了解） 主动声呐方程及其各参数的概念、物理意义（重、难点） ； 被动声呐方程及其各参数的概念、物理意义（重、难点） ； 组合声呐参数的物理意义（了解） ； 声呐方程的工程应用及限制（重点）。 §1.1 水声学概述 1、本课程目的和任务：通过讲述声呐方程、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、声呐设备正确使用 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 呐设备的影响，具有解决简单的水声工程实际问题的能力。 ▪ 水声学是本专业主要特色课程之一 ▪ 教学科研紧密结合是本课程重要的特色之一 教材： ▪ 刘伯胜、孟家煜，水声学原理，哈尔滨工程大学出版社，1997. 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，科学出版社，1979. ▪ 顾金海、叶学千，水声学基础，国防工业出版社，1981. 2、声波的基本知识 1）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 2）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. – 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
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=10log(ratio)-SPL=10log (I/I)=101og (P°/P。)=201og (P/P)SPL=201og（P/1mPa）小测验两个噪声源的声压级均为60dB，两个噪声源共同辐射噪声的声压级是多少?60+60=120对么？-SPL=SPL+SPL2=201og(P/1mPa)+201og(P2/1mPa)-SPL=10log(2P°/1mPa)=101og(Pr/1mPa)+10log(2)-SPL=SPLI+3数学计算方法SPL =10 10g (10SPL/10 + 105PL/10)一3、水声学的基本内涵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，用以解决与水下标探测和信息传输过程有关的各种声学问题。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声波是水下远距离信息传输唯一有效载体■声波是水下远距离信息传输唯一有效载体■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■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呐设备的布放■根据水声波导的特点确定声呐的工作方式■根据水声信道的特点确定水声信号处理的方案录音机记录到的爆炸脉冲波形-海军作战需要充分利用水声环境
▪ 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 /Po 2 ) = 20 log (P/Po) SPL = 20 log ( P / 1 mPa ) ▪ 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 对么? – SPL = SPL1 + SPL2 = 20 log(P1/1 mPa) + 20 log(P2/1 mPa) – SPL = 10 log(2P1 2 /1 mPa) = 10 log(P1 2 /1 mPa) + 10 log (2) – SPL = SPL1 + 3 ▪ 数学计算方法 – SPL = 10 log ( 10SPL 1 /10 + 10SPL 2 /10 ) 3、水声学的基本内涵 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。 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 ▪ 声波是水下远距离信息传输唯一有效载体 ▪ 声波是水下远距离信息传输唯一有效载体 ▪ 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 ▪ 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呐设备的布放 ▪ 根据水声波导的特点确定声呐的工作方式 ▪ 根据水声信道的特点确定水声信号处理的方案 ▪ 录音机记录到的爆炸脉冲波形 ▪ 海军作战需要充分利用水声环境
■海底山对声传播的影响■海洋环境中的声场分布3、水声学发展简史4、水声学发展历史5、水声学主要研究对象1）水声学的主要研究内容■水声物理■海洋环境声特性海水（声学特性）一海底与海面（声学特性）■水声传播（规律）混响、噪声、散射、声起伏对声呐设备工作的影响-水声技术（水声信号处理、显示技术、信号检测（目标检测）、参数估计（参数估计）、目标识别）其它的（概述）：水声物理研究、水声系统、水声换能器、水声基阵、水声换-能材料、水声换能器设计原理与方法、水声换能器工艺、声基阵成阵技术、水声换能器校准计量6、水声学的主要应用军事应用（水雷引信、声制导鱼雷、探雷声呐、小目标定位声呐、通信声呐、·航空吊放声呐（浮标声呐）、拖电声呐、拖电线列阵声呐、水声导航声呐等）民事应用（测深、测速、鱼探仪、助渔设备（诱鱼、计数、跟踪）、助潜设备、水下定位、通讯与遥测、声控）■海洋监测（海底特性探测、海底特性探测、海底特性探测、海底特性探测、洋流和海水温度探测、洋流和海水温度探测、鱼群探测、跟踪和识别■水声通讯·水声定位导航7、本课程的主要内容：建立声呐系统的基本概念由声呐方程入手，将所有与声呐系统有关的物理参数联系到一起，了解声呐系统设计、性能预测所需要的基本参数，建立基本的物理概念，明确水声学的主要研究内容与声呐系统的关系。与换能器和信号处理有关的内容由于有单独设立的课程，这里不再详细讨论。因此，由声呐方程引出有关的水声物理问题，这些都是声呐系统设计必须认真考虑的因素，也是水声学主要的研究内容。·声呐及声呐方程海洋的声学特性·
▪ 海底山对声传播的影响 ▪ 海洋环境中的声场分布 3、水声学发展简史 4、水声学发展历史 5、水声学主要研究对象 1）水声学的主要研究内容 ▪ 水声物理 ▪ 海洋环境声特性 – 海水（声学特性） – 海底与海面（声学特性） ▪ 水声传播（规律） ▪ 混响、噪声、散射、声起伏 ▪ 对声呐设备工作的影响 ▪ 水声技术 （水声信号处理、显示技术、信号检测（目标检测）、参数估计（参 数估计）、目标识别） ▪ 其它的（概述）：水声物理研究、水声系统、水声换能器、水声基阵、水声换 能材料、水声换能器设计原理与方法、水声换能器工艺、声基阵成阵技术、水 声换能器校准计量 6、水声学的主要应用 ▪ 军事应用（水雷引信、声制导鱼雷、探雷声呐、小目标定位声呐、通信声呐、 航空吊放声呐（浮标声呐）、拖曳声呐、拖曳线列阵声呐、水声导航声呐等） ▪ 民事应用（测深、测速、鱼探仪、助渔设备（诱鱼、计数、跟踪）、助潜设 备、水下定位、通讯与遥测、声控） ▪ 海洋监测（海底特性探测、海底特性探测、海底特性探测、海底特性探测、洋 流和海水温度探测、洋流和海水温度探测、鱼群探测、跟踪和识别） ▪ 水声通讯 ▪ 水声定位导航 7、本课程的主要内容：建立声呐系统的基本概念 由声呐方程入手，将所有与声呐系统有关的物理参数联系到一起，了解声呐 系统设计、性能预测所需要的基本参数，建立基本的物理概念，明确水声学的主 要研究内容与声呐系统的关系。与换能器和信号处理有关的内容由于有单独设立 的课程，这里不再详细讨论。因此，由声呐方程引出有关的水声物理问题，这些 都是声呐系统设计必须认真考虑的因素，也是水声学主要的研究内容。 ▪ 声呐及声呐方程 ▪ 海洋的声学特性
海洋中的声传播理论典型传播条件下的声场声波在目标上的反射和散射海洋中的混响■水下噪声8、水声学的学习方法一点建议：与海洋学紧密结合、充分掌握声呐方程、注重理论联系实践$ 1. 2声呐方程一、声呐及其工作方式判决目标接收阵处理器显示被动声呐信息流程声呐参数主、被动声呐工作信息流程的基本组成：声信号传播介质（海水）、被探目声呐设备、声呐参数定义：将影响声呐设备工作的因素称为声呐参数。1、声源级SL：用来描述主动声呐所发射的声信号的强弱（反应发射器辐射声功率的大小）1SL=10lg1式中，I为发射器声轴方向上离声源声中心1米处的声强，I.为参考声强（均方根声压为1微帕的平面波对应的声强）。为了提高主动声呐的作用距离，将发射器做成具有一定的发射指向性，如下图所示。无指向性发射器指向性发射器CLND声轴解释原因：可以提高辐射信号的强度，相应也提高回声信号强度，增加接收信号的信噪比，从而增加声呐的作用距离。发射指向性指数DIT:DI, =101g pA式中：Is为指向性发射器在声轴上测得的声强度；
▪ 海洋中的声传播理论 ▪ 典型传播条件下的声场 ▪ 声波在目标上的反射和散射 ▪ 海洋中的混响 ▪ 水下噪声 8、水声学的学习方法一点建议：与海洋学紧密结合、充分掌握声呐方程、注重理论联 系实践 §1.2 声呐方程 一、声呐及其工作方式 被动声呐信息流程 二、 声呐参数 主、被动声呐工作信息流程的基本组成：声信号传播介质（海水）、被探目声呐设 备、声呐参数 定义：将影响声呐设备工作的因素称为声呐参数。 1、声源级 SL：用来描述主动声呐所发射的声信号的强弱（反应发射器辐射声功率的大 小） 0 1 10lg = = r I I SL 式中，I 为发射器声轴方向上离声源声中心 1 米处的声强，I0为参考声强（均 方根声压为 1 微帕的平面波对应的声强）。 为了提高主动声呐的作用距离，将发射器做成具有一定的发射指向性，如下图 所示。 解释原因：可以提高辐射信号的强度，相应也提高回声信号强度，增加接收信号 的信噪比，从而增加声呐的作用距离。 发射指向性指数 DIT： 式中： ID为指向性发射器在声轴上测得的声强度； ND D T I I DI =10lg
I为无指向性发射器辐射的声强度。含义：V在相同距离上，指向性发射器声轴上声级高出无指向性发射器辐射声场声级的分贝数：VDI越大，声能在声轴方向集中的程度越高：VDI，越大，就有利于增加声呐的作用距离。声源级与声功率的关系：假设介质无声吸收，声源为点声源，辐射声功率为P（W），距声源声中心1米处声强度为：1/r=I = P /4元(W/m2)1）无指向性声源辐射声功率与声源级的关系：SL = 10lg P +170.772）指向性声源辐射声功率与声源级的关系：SL = 10 lg P。 +170.77 + DI 2、传播损失TL：定量描述声波传播一定距离后声强度的衰减变化TL=101g ↓I式中，I是离声源声中心1米处的声强度：I离声源声中心r米处的声强度。引起声强衰减的原因：1）由于海水介质本身的声吸收；2）声传播过程波阵面的扩展：3）海水中各种不均匀体的散射。3、且标强度TS：目标反射本领有差异：在同样入射声波的照射下，不同目标的回波是不一样的。它除了与入射声波特性（频率、波阵面形状）有关，还与目标的特性（几何形状、材料等）有关。ITS = 10lgI.A式中，I是目标处入射声波的强度；I.离目标声中心1米处的回波强度。4、海洋环境噪声级NL：海洋环境噪声是由海洋中大量的各种各样的噪声源发出的声波构成的，它是声呐设备的一种背景干扰。环境噪声级NL是度量环境噪声强弱的量INNL=10lg-1o式中I.为参考声强度，Is是测量带宽内（或1Hz频带内）的噪声强度
IND为无指向性发射器辐射的声强度。 含义： ✓ 在相同距离上，指向性发射器声轴上声级高出无 指向性发射器辐射声 场声级的分贝数； ✓ DIT越大，声能在声轴方向集中的程度越高； ✓ DIT越大，就有利于增加声呐的作用距离。 声源级与声功率的关系：假设介质无声吸收，声源为点声源，辐射声功率为 Pa （W），距声源声中心 1 米处声强度为： ( ) 2 1 I Pa 4 W m r = = 1）无指向性声源辐射声功率与声源级的关系： SL =10lg Pa +170.77 2）指向性声源辐射声功率与声源级的关系： SL = Pa + 77 + DIT 10lg 170. 2、传播损失 TL：定量描述声波传播一定距离后声强度的衰减变化 r I I TL 1 =10lg 式中，I1是离声源声中心 1 米处的声强度；Ir 离声源声中心 r 米处的声强度。 引起声强衰减的原因：1）由于海水介质本身的声吸收；2）声传播过程波阵面的 扩展；3）海水中各种不均匀体的散射。 3、目标强度 TS：目标反射本领有差异：在同样入射声波的照射下，不同目标的回波是 不一样的。它除了与入射声波特性（频率、波阵面形状）有关，还 与目标的特性（几何形状、材料等）有关。 1 10lg = = r i r I I TS 式中，Ii是目标处入射声波的强度；Ir离目标声中心 1 米处的回波强度。 4、海洋环境噪声级 NL：海洋环境噪声是由海洋中大量的各种各样的噪声源发出的声波 构成的，它是声呐设备的一种背景干扰。环境噪声级 NL 是度 量环境噪声强弱的量 0 10lg I I NL N = 式中 I0为参考声强度,IN是测量带宽内（或 1Hz 频带内）的噪声强度