第1章聲吶及聲吶方程聲吶（Sonar—SOundNAvigationandRanging）—利用水下聲信息進行探測、識別、定位、導(dǎo)航和通訊系統(tǒng)。1.1聲吶及其工作方式

水聲學第1章聲吶及聲吶方程21.1聲吶及其工作方式

聲吶分類按照工作方式分類：主動聲吶和被動聲吶

水聲學第1章聲吶及聲吶方程3主動聲吶信息流程：

1.1聲吶及其工作方式

被動聲吶（噪音聲吶站）信息流程：

水聲學第1章聲吶及聲吶方程41.1聲吶及其工作方式

水聲學第1章聲吶及聲吶方程5主被動聲吶有何區(qū)別？主動聲吶：聲源：通過接收目標回波實現(xiàn)目標探測（SL、TS）；傳播路徑：雙程（2TL）；背景干擾：環(huán)境噪聲和混響（NL、RL）。被動聲吶：通過接收被探測目標輻射噪聲實現(xiàn)目標探測（SL）；傳播路徑：單程（TL）；背景干擾：環(huán)境噪聲（NL）。1.1聲吶及其工作方式

主、被動聲吶工作信息流程基本組成？

1、海水介質(zhì)2、被探測目標3、聲吶設(shè)備聲吶工作信息流程三個基本環(huán)節(jié)

水聲學第1章聲吶及聲吶方程61.2聲吶參數(shù)聲吶參數(shù)

將影響聲吶設(shè)備工作的因素稱為聲吶參數(shù)。

1、闡述聲吶參數(shù)定義、物理意義；2、推導(dǎo)聲吶方程。

水聲學第1章聲吶及聲吶方程71.2聲吶參數(shù)

聲源級SL指向性指數(shù)DIT傳播損失TL目標強度TS傳播損失TL指向性指數(shù)DIR噪聲級NL等效平面波混響級RL檢測閾DT主動聲吶水聲學第1章聲吶及聲吶方程81.2聲吶參數(shù)

聲源級SL傳播損失TL指向性指數(shù)DIR噪聲級NL檢測閾DT被動聲吶水聲學第1章聲吶及聲吶方程91.2聲吶參數(shù)

1、主動聲吶聲源級SL（SourceLevel）描述主動聲吶所發(fā)射聲信號的強弱：I為發(fā)射器聲軸方向上離聲源聲中心1米處的聲強；I0為參考聲強(均方根聲壓為1微帕平面波對應(yīng)聲強)；聲源級反映了發(fā)射器輻射聲功率的大小。

水聲學第1章聲吶及聲吶方程101.2聲吶參數(shù)

將發(fā)射器做成具有一定的發(fā)射指向性；解釋原因：它可以提高輻射信號的強度，相應(yīng)也提高回聲信號強度，增加接收信號的信噪比，從而增加聲吶的作用距離。

如何提高主動聲吶作用距離？水聲學第1章聲吶及聲吶方程111.2聲吶參數(shù)

發(fā)射指向性指數(shù)DIT（DirectivityIndex）物理含義：1、在相同距離上，指向性發(fā)射器聲軸上聲級高出無指向性發(fā)射器輻射聲場聲級的分貝數(shù)；2、DIT越大，聲能在聲軸方向集中的程度越高；就有利于增加聲吶的作用距離。水聲學第1章聲吶及聲吶方程121.2聲吶參數(shù)

聲源級與聲功率的關(guān)系假設(shè)：1、介質(zhì)無聲吸收；2、聲源為點源；3、輻射聲功率為Pa(W)距離聲源聲中心1米處聲強：

水聲學第1章聲吶及聲吶方程131.2聲吶參數(shù)

聲源級與聲功率的關(guān)系無指向性聲源輻射聲功率與聲源級的關(guān)系：

有指向性聲源輻射聲功率與聲源級的關(guān)系：

常識：船用聲吶Pa為幾百瓦～幾千瓦，DIT為10～30dB，SL約為210～240dB。水聲學第1章聲吶及聲吶方程141.2聲吶參數(shù)

2、被動聲吶聲源級SL（SourceLevel）接收水聽器聲軸方向上、離目標聲學中心1米處測得的目標輻射噪聲強度IN和參考聲強之比的分貝數(shù)：注意：（1）目標輻射噪聲強度的測量應(yīng)在目標的遠場進行，并修正至目標聲學中心1m處；（2）IN指的的接收設(shè)備工作帶寬內(nèi)的噪聲強度；（3）輻射噪聲譜源級：水聲學第1章聲吶及聲吶方程151.2聲吶參數(shù)

3、傳播損失TL（TransmissionLoss）

定量描述聲波傳播一定距離后聲強度的衰減變化：引起聲強衰減的原因：（1）由于海水介質(zhì)本身的聲吸收；（2）聲波傳播過程的波陣面擴展（幾何擴展）；（3）海水中各種不均勻體的聲散射。水聲學第1章聲吶及聲吶方程161.2聲吶參數(shù)

4、目標強度TS（TargetStrength）定量描述目標反射本領(lǐng)的大?。耗繕薗CPIr1m常識：目標反射本領(lǐng)有差異。（1）不同目標回波不一樣；（2）回波與入射波特性（頻率、波陣面形狀）和目標特性（幾何形狀、材料等）有關(guān)。水聲學第1章聲吶及聲吶方程171.2聲吶參數(shù)

5、海洋環(huán)境噪聲級NL（NoiseLevel）海洋環(huán)境噪聲：由海洋中大量的各種各樣的噪聲源發(fā)出的聲波構(gòu)成的，它是聲吶設(shè)備的一種背景干擾。NL是度量環(huán)境噪聲強弱的量：注意：IN是測量帶寬內(nèi)的噪聲強度。海洋環(huán)境噪聲譜級：水聲學第1章聲吶及聲吶方程181.2聲吶參數(shù)

主動聲吶背景干擾環(huán)境噪聲平穩(wěn)的、各向同性的混響非平穩(wěn)的、非各向同性的水聲學第1章聲吶及聲吶方程191.2聲吶參數(shù)

（1）定量描述混響干擾的強弱；（2）利用平面波聲級來度量混響場的強弱。定義：已知強度為I的平面波軸向入射到水聽器上，水聽器輸出電壓值V；將水聽器移置于混響場中，聲軸指向目標，水聽器輸出電壓值也為V，則該平面波聲級就是混響級。

6、等效平面波混響級RL（ReverberationLevel）水聲學第1章聲吶及聲吶方程201.2聲吶參數(shù)

7、接收指向性指數(shù)DIR（DirectivityIndex）注意：指向性水聽器的軸向靈敏度等于無指向性水聽器的靈敏度。物理含義：接收系統(tǒng)抑制背景噪聲的能力。水聲學第1章聲吶及聲吶方程211.2聲吶參數(shù)

水聽器自由場（電壓）靈敏度：水聽器輸出端的開路電壓u與自由場中引入水聽器前其聲中心處聲壓p比值：例子：若水聽器自由場（電壓）靈敏度為-200dB，假設(shè)入射平面波的聲壓級為80dB，問其輸出端的開路電壓為多少？水聲學第1章聲吶及聲吶方程221.2聲吶參數(shù)

假設(shè)：1.水聽器靈敏度為單位值；2.噪聲場為各向同性，單位立體角內(nèi)的噪聲功率為Ii。無指向性水聽器產(chǎn)生的噪聲功率為：m為與靈敏度有關(guān)的比例常數(shù)；是單位立體角。水聲學第1章聲吶及聲吶方程231.2聲吶參數(shù)

是歸一化的聲束圖函數(shù)。指向性水聽器產(chǎn)生的噪聲功率為：

水聲學第1章聲吶及聲吶方程241.2聲吶參數(shù)

注意：參數(shù)DIR只對各向同性噪聲場中的平面波信號（是完全相關(guān)信號）有意義；否則需用陣增益AG來代替DIR。

根據(jù)接收指向性指數(shù)定義：水聲學第1章聲吶及聲吶方程251.2聲吶參數(shù)

換能器基陣的陣增益：

水聲學第1章聲吶及聲吶方程261.2聲吶參數(shù)

簡單幾何形狀換能器指向性：

水聲學第1章聲吶及聲吶方程271.2聲吶參數(shù)

定義：設(shè)備剛好能正常工作所需處理器輸入端信噪比值(SNR)8、檢測閾DT（DetectionThreshold）注意：對于同種職能的聲吶設(shè)備，檢測閾值較低的設(shè)備，其處理能力強，性能也好。常識：聲吶設(shè)備接收器接收聲吶信號和背景噪聲，兩部分的比值（信噪比）即接收帶寬內(nèi)的信號功率與工作帶寬內(nèi)（或1Hz帶寬內(nèi)）的噪聲功率之比，它影響設(shè)備的工作質(zhì)量，比值越高，設(shè)備就能正常工作，“判決”就越可信。水聲學第1章聲吶及聲吶方程281.3聲吶方程

1.將海水介質(zhì)、聲吶目標和聲吶設(shè)備作用聯(lián)系在一起；2.將信號與噪聲相聯(lián)系；3.綜合考慮水聲所特有的各種現(xiàn)象和效應(yīng)對聲吶設(shè)備的設(shè)計和應(yīng)用所產(chǎn)生影響的關(guān)系式。聲吶方程水聲學第1章聲吶及聲吶方程291.3聲吶方程

基本考慮1.聲吶方程基本原則：

信號級-背景干擾級=檢測閾2.背景干擾級含義：設(shè)備工作帶寬內(nèi)部分背景噪聲才起干擾作用。水聲學第1章聲吶及聲吶方程301.3聲吶方程

主動聲吶方程信號級（回聲信號級）：SL-2TL+TS背景干擾級：NL-DI（接收陣抑制背景噪聲）注意：換能器聲軸指向？

水聲學第1章聲吶及聲吶方程311.3聲吶方程

主動聲吶方程接收信號的信噪比：（SL-2TL+TS）-（NL-DI）主動聲吶方程（噪聲背景）：（SL-2TL+TS）-（NL-DI）＝DT注意：適用于收發(fā)合置型聲吶，對于收發(fā)分置聲吶，往返傳播損失不能簡單用2TL表示；適用于背景干擾為各向同性的環(huán)境噪聲情況。

水聲學第1章聲吶及聲吶方程321.3聲吶方程

主動聲吶方程主動聲吶方程（混響背景）：（SL-2TL+TS）-RL＝DT水聲學第1章聲吶及聲吶方程331.3聲吶方程

被動聲吶方程噪聲源發(fā)出的噪聲直接由噪聲源傳播至接收換能器；噪聲源發(fā)出的噪聲不經(jīng)目標反射，即無TS；背景干擾為環(huán)境噪聲，不存在混響干擾。水聲學第1章聲吶及聲吶方程341.3聲吶方程

被動聲吶方程（SL-TL）-（NL-DI）＝DT注意：SL噪聲源輻射噪聲的聲源級。被動聲吶存在混響背景聲吶方程嗎？為什么？水聲學第1章聲吶及聲吶方程351.4組合聲吶參數(shù)

回聲信號級：SL-2TL+TS加到主動聲吶接收換能器上的回聲信號的聲級。噪聲掩蔽級：NL-DI+DT工作在噪聲干擾中的聲吶設(shè)備正常工作所需的最低信號級?；祉懷诒渭墸篟L+DT工作在混響干擾中的聲吶設(shè)備正常工作所需的最低信號級?；芈曈嗔浚篠L-2TL+TS-（NL-DI+DT）主動聲吶回聲級超過噪聲掩蔽級的數(shù)量。優(yōu)質(zhì)因數(shù)：SL-（NL-DI+DT）對于被動聲吶，該量規(guī)定最大允許單程傳播損失；對于主動聲吶，當TS=0時，該量規(guī)定了最大允許雙程傳播損失。品質(zhì)因數(shù)：SL-（NL-DI）聲吶接收換能器測得的聲源級與噪聲背景干擾級之差。水聲學第1章聲吶及聲吶方程361.5聲吶方程的應(yīng)用

聲吶方程應(yīng)用

聲吶設(shè)備性能預(yù)報：已知設(shè)備特點和若干參數(shù)，對其它聲吶參數(shù)進行估計，如估計優(yōu)質(zhì)因數(shù)；

聲吶設(shè)備設(shè)計：預(yù)先規(guī)定設(shè)備職能及各項戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標，根據(jù)聲吶方程綜合評價各參數(shù)的影響，對參數(shù)合理選取和設(shè)備最佳設(shè)計，例如工作頻率選取—DI、TL。水聲學第1章聲吶及聲吶方程371.5聲吶方程的應(yīng)用

FigureofMerit(FOM)定義

被動聲吶允許的最大單程傳播損失；主動聲吶允許的最大雙程傳播損失.令TL或2TL=FOM,則可知允許的水聲信號傳播損失.被動聲吶FOMP=SL–NL+DI–DT主動聲吶FOMA=SL+TS–RL–DT(混響背景)FOMA=SL+TS–NL+DI–DT(噪聲背景)水聲學第1章聲吶及聲吶方程381.5聲吶方程的應(yīng)用

Range???根據(jù)FOM可以預(yù)報聲吶作用距離。FOM越高,允許信號傳播損失越大，則聲吶作用距離

越遠。檢測概率被動聲吶如果FOM>TL則檢測概率>50%如果FOM<TL則檢測概率<50%主動聲吶如果FOM>2TL則檢測概率>50%如果FOM<2TL則檢測概率<50%根據(jù)水聲傳播理論可以預(yù)報水聲傳播損失水聲學第1章聲吶及聲吶方程391.5聲吶方程的應(yīng)用

PropLossCurveMaxRangeDPMaxRangeBBFOM=70dB水聲學第1章聲吶及聲吶方程401.5聲吶方程的應(yīng)用

PropLossCurveMaxRangeDPMaxRangeCZFOM=90dB水聲學第1章聲吶及聲吶方程411.6聲吶方程的限制

聲吶方程瞬態(tài)形式聲吶方程是用聲強度來描述的，而聲強度是聲能流在某一時間間隔內(nèi)的平均值：注意：（1）長脈沖信號：回波信號寬度很接近發(fā)射信號脈沖寬度T。（2）短脈沖信號：由于介質(zhì)傳播的多途效應(yīng)、目標反射的物理效應(yīng)，接收到回聲信號波形會產(chǎn)生嚴重畸變，上式平均值會得到不確定的結(jié)果，上式不再適用。水聲學第1章聲吶及聲吶方程421.6聲吶方程的限制

聲吶方程瞬態(tài)形式近似處理：時間T內(nèi)對聲波能流密度E求平均而得聲強

注意：（1）對于長脈沖聲吶，T為發(fā)射脈沖寬度，回波脈沖寬度也近似等于此值；（2）對于短脈沖聲吶，T一般不確定，回聲寬度與發(fā)射寬度相差甚大。水聲學第1章聲吶及聲吶方程431.6聲吶方程的限制

聲吶方程瞬態(tài)形式短脈沖聲吶方程（R.J.Urick）：回聲脈沖寬度：式中，E是離聲源單位距離處的聲能流密度。水聲學第1章聲吶及聲吶方程441.6聲吶方程的限制

聲吶方程瞬態(tài)形式脈沖能流密度是平均聲強與其脈沖寬度的乘積：等效聲源級：水聲學第1章聲吶及聲吶方程451.6聲吶方程的限制

聲吶方程瞬態(tài)形式長脈沖：短脈沖：水聲學第1章聲吶及聲吶方程461.7聲吶方程及聲吶參數(shù)的確定

聲吶方程背景干擾類型如何確定？（1）根據(jù)聲吶適用場合，畫出回聲級、混響掩蔽級和噪聲掩蔽級隨距離的變化曲線，并由此合理地選用聲吶方程。主動聲吶的背景干擾包括混響和噪聲，它們對聲吶設(shè)備工作的影響不同，應(yīng)用聲吶方程需要確定背景干擾類型。（SL-2TL+TS）-（NL-DI）＝DT（SL-2TL+TS）-RL＝DT水聲學第1章聲吶及聲吶方程471.7聲吶方程及聲吶參數(shù)的確定

回聲級、噪聲級和混響級與距離的關(guān)系注意：隨距離衰減規(guī)律①噪聲掩蔽級隨距離不變；②回聲級和混響掩蔽級隨距離衰減；③一般，回聲級隨距離下降比混響掩蔽級要快。水聲學第1章聲吶及聲吶方程481.7聲吶方程及聲吶參數(shù)的確定

（2）回聲級曲線與混響掩蔽級曲線相交于混響限制距離Rr處（由混響聲吶方程確定）。（3）回聲級曲線與噪聲掩蔽級相交于噪聲限制距離Rn處（由噪聲聲吶方程確定）。作用距離受混響限制（噪聲掩蔽級I），選混響聲吶方程

作用距離受噪聲限制（噪聲掩蔽級II），選噪聲聲吶方程

（4）距離參數(shù)比較，確定干擾類型，選擇聲吶方程

水聲學第1章聲吶及聲吶方程491.7聲吶方程及聲吶參數(shù)的確定

OwnShip/Equipment發(fā)射聲源級(SL)主動聲吶參數(shù)決定主動聲吶探測距離的重要參數(shù)自

噪聲級(NLs)聲吶工作頻段中艦船輻射噪聲級指向性指數(shù)(DI)發(fā)射指向性指數(shù)接收指向性指數(shù)N=NL-DI水聲學第1章聲吶及聲吶方程501.7聲吶方程及聲吶參數(shù)的確定

SelfNoise機械噪聲Narrowband–specificfrequenciesMachinery(Pumps,reductiongears,powerplant,etc.)流噪聲BroadbandHighspeedcausesmorenoiseHullfouling-Animallifeonhull(notsmooth)空化噪聲

BroadbandPropellernoiseHigh/lowpressurephenomenonCounterDepthSpeedPrairie-Masker水聲學第1章聲吶及聲吶方程511.7聲吶方程及聲吶參數(shù)的確定

AcousticEnvironment環(huán)境

噪聲級(NLa)從Wenz曲線可以查出。傳播損失(TL)由于吸收、波陣面擴展和散射引起的聲源級減小量。等效平面波混響級(RL)主動聲吶發(fā)射聲信號的反向散射噪聲聲源級。水聲學第1章聲吶及聲吶方程521.7聲吶方程及聲吶參數(shù)的確定

環(huán)境噪聲生物噪聲

Producedbymarinelife.海上交通噪聲Atlongrangesonlylowfrequenciesarepresent.地震噪聲Movementoftheearth(eart