水聲學講義

第1章緒論

本章主要內(nèi)容*

水聲學概述（了解〉

主動聲吶方程及其各叁數(shù)的概念、物理意義（窗、定點）I

被動聲吶方程及其各套數(shù)的修念、物理意義（?、》點〉I

趣合聲吶參皴的物理意義（TM）?.

聲吶方程的工程應用及限制（?點）,

§1.1水聲學概述

I、本課程目的和任務:通過講述聲吶方程、海洋聲傳播特性、目/反射和散射、

海洋混響和水下噪聲等內(nèi)容.使學生了解水聲工程設計的基本方法、聲明設

翁止確使用以及水聲學的最新發(fā)收動態(tài),掌握聲波在海水中傳播時的基本說

阪和規(guī)律以及對聲吶設的的影響，具〃解決荷單的水聲工理實際問13的能力.

■水聲學是本。業(yè)主要特色課程之一

?教學科研京宓結(jié)合是本課程更要的特色之一

教材，

?劉俏勝、孟家煜.水聲學原理，哈爾濱工程大學出版社.1997.

主要參考負科：

?R.J.尤立克著，洪小譯，水聲原理,哈爾濱始船工用學院出板社，1989.

?汪德昭'尚爾昌，水聲學，科學出版社，1979.

?顧金海、葉學千，水聲學基砒，國防工業(yè)出版社，1981.

2.聲波的基本知識

1）聲探測的三個基本要素:

-聲源-任何振動物體,

-介質(zhì)

-探測器，接收器

2）定義：

?聲功率=輜射的聲波能量/杪（Jou】es/s）.

?聲強=聲功率巒度或聲功率/單位面枳.

?尚壓=次位面枳的受力.

-如測得了聲壓，就可以確定由強.

?冽量單位.

-大氣壓,巴.帕斯卡,PSI,達因/平方解米,毫米汞柱.

?，卜波的計量：如何比較人波的強崩？

?采用分貝(DECIBELS)為單位.

?聲強比率的分貝衣小.《聲樂級(SPL)}

?定義

-dK=10log(ratio)

-SPI.=10IOR(I/IJ=10log(P7P.:)=20IOR(P/P.)

SPL=20log(I*/1ml%)

?小測驗

西個噪聲源的聲壓級均為60dB,四個噪小源共同輻射噪聲的聲Ik很是

一少,GQ?60-120對么?

-SPL=SPL：+SPL=20logd*,/!ml'a)+20log(PJImPa)

-SPL=10I<>R(2P.7IBIPH)=10I<K(PJ/1mPa)?10log(2)

-SPL=SPL3

?數(shù)學計餌方法

-SPL=10lo&(10%“+)

3、水聲學的基本內(nèi)涵

【)水聲學的定義:水聲學主要研究盧波在水卜的制射、傳堀與接收，用以解

決與水卜.H標探熬和佰息傳輸過程有關(guān)的各種聲學m.

2)水外學號本內(nèi)涵:水聲學是用燒水凈技術(shù)，水而對抗技術(shù)和水聲工程的喳

本需求來開展科學研究的

水聲技術(shù):利用聲波作為信息就體來實現(xiàn)水下探測、定位、導航和通信的

原理與方法.

水聲對抗技術(shù):在軍事上.對抗水卜聲探淵、定位、導航和通信的技術(shù)措

施與手段

水，I：積：水入技術(shù)和對抗技術(shù)的工程目標實現(xiàn)

?聲波是水下遠距離信息傳輸唯一有效驍體

?聲波是水下遠距離信息傳輸唯書效我體

?聲波在水中的幅射、傳播和接收受到環(huán)境因素的顯為影響

?海水中聲速分布灼聲傳播的重響環(huán)境

?水渾設備設計和使用費與水聲環(huán)境相匹配

?根據(jù)水聲波導的特點確定啟吶設笛的布放

?根提;水聲波導的特點確定聲吶的工作方式

?根據(jù)水水<.i道的特點確定水聲信號處理的方案

■錄音機記錄到的爆炸脈沖波形

?海軍作臧齋瞿充分利用水向環(huán)境

?海底山時再傳播的影響

?海洋環(huán)境中的聲場分布

3、水聲學發(fā)履簡史

4、水聲學發(fā)展歷史

5、水聲學上要研完對以

1）水海學的4；要研究內(nèi)容

■水田物理

?海洋訃境聲特性

-海水（聲學特性）

-海底與海面（聲學特性）

?水力傳播（規(guī)律）

?混晌、嗓聲、敢射、E起伏

?對聲吶改備工作的極響

?水聲技術(shù)（水聲信號處理、顯小技術(shù)、信號檢測（目標檢測）、參數(shù)估

計（參數(shù)估計）、目標識別》

■其它的（微述）：水聲物理研究、水產(chǎn)系統(tǒng)、水聲換能器、水聲基陣、水

聲換能材料、水再換能器沒汁原理H方法，水聲換能需H藝、潦基陣成陣

技術(shù)、水再換能器校準計量

6,水聲學的主要應用

?一郭應用,水雷引信、聲制導魚笛、探雷聲咕、小口標定但聲明、通信市

吶'航空吊放聲吶（浮標聲吶）、描出聲吶、拖電線列陣聲吶、水聲導航

聲吶等）

■民事應用（測深、測速.倒探儀.助漁設備《誘魚、計數(shù)、跟蹤）、助港

設備、水下定位、通訊與遙測,聲控）

■海洋監(jiān)測<海底特性探測、海底特性探測、海底特性探測、溝岐特性探測、

洋流和海水溫度探測、洋流和海水濕度探測、魚群探潴、般蹤和識別）

?水聲通訊

■水聲定位導航

7、木課徨的土要內(nèi)容：建：門:;吶系統(tǒng)的叢A樵念

由聲吶方程入手，將所有與聲吶系統(tǒng)有關(guān)的物理參數(shù)聯(lián)系劃,起.r辨

聲吶系統(tǒng)設計、性能預測所需要的展本參數(shù)，建立堪本的物理概念,明確未

小學的主嬰研宣內(nèi)容與出吶系統(tǒng)的關(guān)系按耗涔和信號處理行關(guān)的內(nèi)容由

于有單獨設屯的課程，運甲不再詳細討論.因此，由聲吶方程引出有大的水

聲物理問題，這叫都是向吶系統(tǒng)設計必然認交考期的因索，也是水再學士耍

的研究內(nèi)容.

?盧咕及聲吶方程

?海洋的聲學牯性

?海洋中的小傳播理論

?典型傳播條件浦的聲場

?河波在目標上的反射和微射

?海洋中的泥響

?水下喋聲

8、水聲學加學習方法?小建議：與海洋學緊率結(jié)合、充分學樨聲吶方理、注取

理論聯(lián)系丈踐

§1.2聲吶方程

、聲吶及其工作方式

技動聲吶—思流一

二、聲吶叁數(shù)

主、被動由吶工作信息流程的基本組成：由信號傳播介魴（海水）.但探H

聲吶設笛、聲吶參數(shù)

定義：將影響聲吶沒茁工作的因素稱為聲吶魅數(shù)：

I、聲源級SL：用來描述主動聲吶所發(fā)射的聲信號的強弱（反應發(fā)射器輻射聲功

率的大?。?/p>

S￡=101g—

式中,I為發(fā)射器聲軸方向上離聲源聲中心1米處的盧強，h為參號市

強（均方根力壓為1成帕的平曲波對應的內(nèi)強）

為了提高主動聲吶的作用即感，將發(fā)射器做成具有一定的發(fā)射指向性，

如下圖所示.

一杼.原囚:可以提島輔對信號的強度，相應也提島回聲信號強度.增加接收

信號的信噪比,從而增加聲吶的作用地離.

發(fā)射指T性指數(shù)D3

---/j/rwioig^e-

/AiD

式中:

I,為指向性發(fā)射器在聲軸上測得的聲強度：

k為無指向性發(fā)射器輯射的聲強發(fā).

含義：

/?相同距離匕指向性發(fā)射器聲軸上聲級高出無指向性發(fā)射爆

/DL越大，聲能在聲軸方向柒中的程度越島：

/1>1,越人，就有利于增加聲吶的作用即離：

擊源級I,由功率的關(guān)系I假設介質(zhì)￡由吸收,聲源為點聲源，羯射聲功率為

P.（V）.距聲源內(nèi)中心I米處之強度為：

/*=2/4+/加）

1）無指向性濟源部射聲功率1j聲源段的關(guān)系：

S￡=101g^+170.77

2）指向性聲源幅射聲功率，，聲源級的關(guān)系：

SL=101gPa+170.77+DIT

2.傳播損失T1,定應描述聲波傳播一定期高后再強度的案被變化

71=101g人

，r

式中，L是離聲源聲中心1米處的聲強度；L高聲源聲中心r米處的聲強

度,

引起聲強哀流的原因：1）由于海水介歷本身的聲吸收；2）聲傳播過程波侔

所的擴展：3）海水中各種不均勻體的散時.

3、「1標強度is：n標反射本領(lǐng)有洋異：d同樣入時聲波的照射下,不同n標的

何波是不一樣的。它除了與入射聲波特刊（物率.波陣面市狀》

有美，還與n標的特性（幾何形狀、材料等）有關(guān).

7s=l（）lg^

人I

式中，L是目標處入射聲波的強度:1.離n標出中心1米處的何波強度.

4,溝洋壞埴嗓盧級M：海洋環(huán)境聯(lián)海是由海洋中大盤的各種各樣的味聲說發(fā)出

的聲波構(gòu)成的，它是聲吶設備的?種背好干擾.環(huán)境噪

聲級NL是度境環(huán)境噪聲強弱的量

M=IOIg-^-

式中式為參考聲旗度，卜是1盤帶寬內(nèi)（或1Hz顏帶內(nèi)）的噪聲強度.

5,等效平面波混響級RL

主動聲吶的背景干擾：

D環(huán)境噪m-一般是平確的和各向忖性的

2）混響一是IIT'穩(wěn)的和II各向H性的

等效乎曲波混響級RL：

a）定量描述混響干擾的強弱

的是利用平面波的聲級來度同混響場的強弱

c）定義：強度已知的平面波軸向入射到水斷器上.水聽器輸出電/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L

則該平面波聲級就是混響級，

6、接收指向性指數(shù)【）1：接收換使器的接收指向性指數(shù)1）1定義為：

無指向性水聽器產(chǎn)牛?的噪聲功率

-8指向性水聽那產(chǎn)生的噪而痛'

其中，指向性水聽器的軸向靈敏度等于無指向性水聽器的過敏度.

水所需”敏度w：水所潺處的由壓為【）,裝置的開路終魅電樂是y,則水所

器的靈敏度為

S.?20lg（v/p）d?/?

例：已知水聽器的鞏敏度為200州八北程設入射平面波的聲壓線為80dR?

向其輸出端的開路電壓為幾伏？

^￡_

?一數(shù)DI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:

?爐其它方向特性俏信號和噪聲場,；?用參數(shù)陣招益來代替1）1.

對于幾何形狀箭雌的換能器陣，可用陣尺寸來表示它的DI值

型或DMOlR

n

粒,為上〉，1的建00r7

鈣*橋上宣&為D?12/J吟以’em311

的港?，xD/2uu6I

________X________

間能為d附個”間隔墾1IzWe-ahs。2

元均翻妙傳??ni^hn^/41.(

“￡3”

2

cm23*/4,

雙星出?間距M.K?2出3，犀

2m出sm^/41

20〃

7、馀測網(wǎng)DT：是設備剛好能il:常T.作所需的處珅器輸入劑的信聯(lián)比值

聲吶次符接收翳接收聲吶信號和背景咪聲,西部分的比值即接收帶寬內(nèi)的信號功

率或均方電壓與III/.帶寬內(nèi)（或接收帶寬）的味片功率或均方電

壓的比，它影響設備的工作斯量，比值越高，出品就能正常工作.

“判決”就越可信.

剛好完成某種職能時的信號功率

~g——出端上的噪■功洋

常識：時于同種職能的聲吶設的，檢測閾假較低的設法.箕處理能力強.性

能也好.

一.、南吶方程:綜合考慮水聲所將行的各種現(xiàn)像和效應對聲吶設龍的設計和應用

所產(chǎn)生影響的關(guān)系式.它將海水介場、聲吶目標和聲吶設各的作

用聯(lián)系在一起

I、基本考慮：

聲吶方程的玷本原財：

信號級一背，干擾級=粉洌蚓（剛好;c成校定職掂）

背一干擾級的含義；設義工作帶寬內(nèi)部分背景嗓聲才起干擾作用.

2、E動聲吶方程：收發(fā)合巴的卜:動聲吶信I；強度變化如F：

or

|-“l(fā)t-卜-|H“.**

上動聲吶方程(噪聲背景)：

(-TS)-(NLDI)=DI

注j適用于收發(fā)合度里聲吶,對于收發(fā)分?!聲吶,往返傳播掾央不健瑪舉用2TL

表示:適用F背景干擾為各向同性的環(huán)埴雌萍情況.

主動啟吶萬祖(混響背般》:

5L-2TL+TS--T

注:適用于收發(fā)合算型聲吶,對于收發(fā)分置出吶,it返傳播指失不能埼單用2TL

/衣；適用于曹景卜擾為混喻的情況.

3,被動聲吶方程

與4?:動聲吶相比，被動再吶特點：

.噪聲■發(fā)出的噪用直接由噪泮源傳播至接收換脆霹：

.噪聲源發(fā)出的噪聲不經(jīng)目標反射.即無TS：

.背景「擾為環(huán)埴噪聲。

故動聲的力程：

SL-TL-<NL-DI)=DT

￡中，SL為嗓聲源情時噪聲的聲源級.，

四、血合聲吶參數(shù)，幾個聲吶參數(shù)的組合是，它具有明確的物理含義

回聲信號V：SL-2TL+TS——加到主動聲吶接收換能涔上的忖聲信號的聲級：

噪聲捱藁韁：NLTH+DT--工作在噪聲I?擾中的聲吶設備正常工作所需的最

低信號級；

混響推中級：RL,DT一一工作在混響十優(yōu)中的聲吶設備正常工作所需的最低信

號為

I可聲余垃：SL-2TL-TS-(NL-D1+DT)——主動聲吶向聲級超過味啟施獻級的

敷量:

優(yōu)質(zhì)內(nèi)數(shù)：SL-<\L-DI+[1T)——對于被動聲吶，該第規(guī)定最大允許敢程傳福

損失?對于主動聲吶，當TS二0時,燈盤規(guī)定了地大允注雙理傳福

掇失：

品質(zhì)因數(shù)：SL(NL-DI)——聲吶接收換能觀測得的聲源級號味聲級之差.

五、由吶方程的應用及其陽制

L聲吶方程的應用（兩個基本用途）

一吶設備件能預報：

已知設備特點和若干參數(shù).對其它向明參數(shù)進行伍計（例如估計坡大傳播

損央——優(yōu)庾閃敢）；

聲吶設備詆讓：

項先投定設計設備的職能及第項戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標?根據(jù)聲吶方程標合押價各

參數(shù)的重響，對寥數(shù)合理選取和設招蚊仔設計（例如頻率的選取一DLTL）.

2、向吶方N的限制:啟吶方N是用聲強度來描述的，而再強度是尚能流在某一

時間間隔內(nèi)的平均值：

/=切〃4

?長豚沖信號，回波睛號的寬度很接近發(fā)射信號肽沖寬度T

?當聲源發(fā)射聲」上iR府的肽沖信號，或者由于介質(zhì)的傳播效應、目標反

射的物理效應.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.

3,I可聲級.噪聲掩蔽級和混響捷蔽級叮躋離的關(guān)系

主動聲吶的竹炭干擾包括混響和噪聲，它們對聲吶設法工作的影響不同.

應用聲吶方程需要確定背景干擾類型.

（-“S）-（―二0

（SL-2TL+TS）-（NL-DITT）-0

注:如柯確定混峋還是嗨聲是湛吶的書聯(lián)干擾?

谷7首先由出冏聲級、混響掩蔽級和噪聲攤蔽級隔距離的變化胸線1

阿聲撥'噪向掩般繪和混響掩威坦與即需的關(guān)系

”網(wǎng)聲和混響都是地距離而哀減的，而噪聲保持不變.f,網(wǎng)聲曲線的

即禺下降比混響攤藪統(tǒng)曲線要快.二齊和文丁混響限制印離A：處（由混

響聲吶方程確定》.而回聲曲線與噪聲掩裁級相殳r噪聲眼制帥國此處

（由噪聲聲吶方程確定）?

2）對丁賺聲掩想/I.R<R,聲吶設備正常工作的距離出也因虻聲吶作

用距離受混響限制,選擇阻響聲吶力程：

3》對于噪聲施蔽級11,R3.,而聲吶設備1E常工作的距離代凡，因此聲吶

作用即離受曝聲限制，選擇噪聲聲響方程.

小結(jié)?通過本講學習.掌握聲吶參數(shù)的意義、聲吶方程及其應用

本節(jié)習■

1.什么是聲吶？聲吶可以完成部枝任務？

2.主被、動聲吶的信息流程白.何不同？

3.發(fā)射指向性指數(shù)物理含義是什么？

4,請寫出主動聲吶方程和被動聲吶方程？在聲吶方程中備頊參數(shù)的物理點又是

什么？

5.環(huán)境噪聲和海洋混響都是主動聲吶的干擾.在實叼工作中如何確定用種干擾

是主要的？

6.已知混口句是某主動聲吶的主要|?憂.現(xiàn)曲談聲吶的聲源紜增和10dB,何用吶

作用即離肢提充多少？又，在其余條件不變的佶況下，將讀潦吶發(fā)射功率地博一

倍，問作用即離如何變化.

§1.3聲學基礎(chǔ)（回顧重要知識點）

本講主要內(nèi)容：

■聲學基礎(chǔ)知識《了解》

■波動方程的導出（了解）

■聲場中的能比關(guān)系（了解）

■等間距均勻點源離敢直線陣的聲輜射（了解）

■均勻連續(xù)自線陣的聲輻射（了解）

■無限大障板上Y面轆射器的聲細射（了解）

■聲波的接收方向特性（「解》

、詢學基礎(chǔ)知識

1、聲波:機械振動狀態(tài)在介質(zhì)中傳播形成的?種波動形式,

2、分類：

□20Hz以下的振動稱為次聲

U高卜201dlz的振動稱為超卡

□20Hz至20kHz的再振稱為音振聲

2二流體介質(zhì)中,聲波我現(xiàn)為縮波(OmpressionalFave),即二波.

二在固體中風仃蝴波也仃掖波(切變波ShearWave).

5.田兵：振動在介班中傳播行時間滯后，即聲波在介順中代播有一定速度.

稱為聲速.

6、聲場:聲波所及的區(qū)域；

7、水壓:由于聲波擾動引起介質(zhì)質(zhì)點壓強的慢化，這種變化量稱為盧王，

〃=1)

8、偵點振速:由于聲波擾動引起的介質(zhì)質(zhì)點運動速度的變化量.

五=0&)

:、波動方程導出

?設條件：

■介質(zhì)靜止、均勻.連勾的,

■介質(zhì)是理想是體介流；

■小振幅波”

波動方程行出的個系本方程:

⑴連續(xù)性性程———里守忸恒定:介質(zhì)流入體元的凈質(zhì)量等于箔度變化引起

的體元內(nèi)助后的增加

除=-。仿7)

OT

⑵狀態(tài)方程絕熱壓縮定律:介偵的壓縮和膨眠過程是絕熱過程

聲波的傳播速度：

dP=c1dp

③運動方桎牛帔第.定律

Ai-=-V^

由

12

V2nbP

波動方程6L濟

(▽：'拉怦拉斯算符

2d2d2d2

H.用坐標系:H蘇,獷?數(shù)

sin8

:

球“林系：廣rsm0M產(chǎn)sin-Of夕

16(dy1d3a1

V3二7而l寫尸二指+谷)

柱坐標素：

二、用場中的能量

L盧能:由于聲波傳播而引起的介質(zhì)能用的培量稱為聲能：顯然聲能是介

質(zhì)運動的機械能.

2.聲場總依ht：動I佗“I便

3、出隹密健?

體枳匕內(nèi)的總聲能為:

單位體枳內(nèi)的蝌時盧他密度為:

平均聲能反巒境：

￡=-(￡,///

7?品，

四、介場特性阻抗和聲ftl抗率

］、聲阻抗率：一場中茉點聲壓匹振速之比z=R”

平而一聲阻抗率：Z=±QM

聚此明：平曲波聲壓和施速處處同相(止向波)或反向(反向該)，六強處

處相等，其聲阻抗率9嫉率無關(guān).

2、球而波

(kr)2kr夕"r,

Z=pc'/s+Ipc—IF=/e中1

o1+(⑺-n1+(")-71+(Ar)2所不

送說明，近海禺.聲H：和報速的相位差出大：坨肉.而H、和振速的相位接

近相等.

五、柑速段和群速愛

I、相速相：

M

.I

定義：振動狀態(tài)在介陵中傳播的速度

逑注意：若介順的相速度與頻率無關(guān)，則為苓弊地介質(zhì)，反之為頻散介質(zhì).

2、群速度：

dk

定義：聲能盤傳播的速度，波群和波包的相速)

豪注感：林領(lǐng)敢介質(zhì)：J='j瘋?cè)?介偵："T”心

六、平面波在兩種不同均勻介暝界面上的反射和折射

1.垂直入肘;在分界面上，由于兩介質(zhì)的特性阻抗不同,聲波分界面上會發(fā)

生反射和折射.

聲一反總系數(shù)：

R=J"2-PR=Z「Z\

EGQ+。向22+Z(

聲樂透射系數(shù):

=^=衛(wèi)

P,質(zhì)Zz+4

illh述齊式可知，聲波住分界而上反射M透射的大小決定于媒質(zhì)的林竹阻

抗,具體分析如Fr

□一％=Z.時，育R=0,Ml,一卻透射

□巧2,<2：時.右飛>0.D>0.硬邊界.反射波雨壓和入射波而壓

同相

□當ZQ2.時.有R<0,D>0.軟邊界.反射波向壓和人時力有壓

反相

U-Zd<Z時，行R*l.D〃2,絕對硬，及射波市m和入對波市

壓大小相等.樹位相同.所以在分界面上合成出壓為入紈聲壓的兩

倍，實際I:發(fā)生的是全反附.

透射搔夫TL

2、斜入射

邊界條件

口聲壓連續(xù)

U一向一點提速連續(xù)

出壓反射系數(shù)：

展=且=XV2cos--叩Jcosa=Z-。

p,0Ccwa+?！阠osaZ”+Zln

盧樂透時系數(shù)：

￡)=土==22溫

[P2c2cos4+0|qa用az2n+Z|fl

家注疝：江同，:，因抗&；；，?」「用,向趣乂之比

Zs="、r/a）s0,Z?”=pC/COS0,

（z2

七、坊間即均勻點源離散自或陣的聲軸射

L輻弟聲東，

p（r,0,0=如產(chǎn)&/2-）￡/仆"

4"M

3、方向性圖

（】）當dsin夕=41時,聲樂振啕出現(xiàn)極大值I.對應極大值的方向:

口力""5"丁’時，十小振曲山現(xiàn)汶檢大心（芳的》,對應次級人值的

方向：

任次極K海壓'J】?.帙力市壓比值為

2/)1-+1x

由該俏可如到E旁時比：I：極大叮笫?次極火（也是次極大中做大的比

值的分貝攻

20log

（3）當"dsin6=以.iHn的差數(shù)倍時，喇=。

,，I茄七小"卜「"，孑?：？J:，”招.工一；I廣：，.，:：j

方向：

8=arcsin

方向鐵增或主^束童（全開角）：上極大值的旁范個線小值之間的夾簫.

@=2arusin'')

4、方向性因子和方向性指數(shù)

發(fā)射方向性閃向在遠場發(fā)射陣竟大響扈方向上市強去同佻離位各方向嚴

強平均值之比,

，「「以〃”『co$田"4

發(fā)射指向性指數(shù)：發(fā)射科的方向性因f的分貝數(shù)。

Di,二lOlg/f

八、均勻Ji續(xù)巨鼓科的戶輜射

1、輻射聲壓方向性圖

令d-f).n?<?.nd-L.則陣長為I.的均勻連續(xù)直級陣的方向性函數(shù)為:

主誑柬究和-3dB束寬:

0蝕=2aivsin^().42;j

°=2arcsin|

米注廠在續(xù)百線向冰力時會出現(xiàn)棚第

方向性出夕，

2kL

R=-----------W

%JS何"22sinki.4arikl.

R

和方向性函數(shù):

九、無限大力板上平面捕射器的由隔射

1、平面圓杉活活的輜射

設半徑為a的同形平面活塞鐳然在無墨大障板k如圖所示，活塞位于

北曠平面內(nèi)，向上半空間輻射聲波，土場對稱「2軸..活塞表面各點的振幅和

相位相同,則

—誓，得

軸線上聲壓變化：軸線聲壓隨距離起伏變化，呈觀很強的相「效應。

近場聲

2rJkasin^J

■注意:活塞運場盧軍與球面波?樣與市尚成反比，市場具仃方向性:

2,方向件函數(shù)

活塞露射聲場的方向性函數(shù)為：

2J|(A,?sin0}

。(0=

Av/sin〃

■;幽回形活案不公出現(xiàn)即犯

3、波束寬度

6>=2;ircs.in[0.61—

*_WB=2arcsin,0.26—

-I.方向性因『和方向》指敵

2ka

Ofr=2Dlg(fta)=20

卜、聲波的接收方向特性

1、接收方向件函數(shù)

定義：設離接收系統(tǒng)參專中心的遠場處理面上有點溝?接收系統(tǒng)的輸出電

壓V」J接收中心的方位有關(guān)，則接收系統(tǒng)方向性函數(shù)為：

%,少)=|v(^.d

|v(o.o)|

式中,\（0,0）為參考方位上的輸出電力,一般選取輸出電壓岐大值.

柒注意：運場條件：

r?入

2,接收方向性指數(shù)

接收方向性因子:

4T

R=

N1t

接收方向性指數(shù):

4n

DI二10-NLQ—NLd

fDM前c

案注危：同可逆換能器.11接收指向性指數(shù)和發(fā)射指向性指數(shù)相同.

總結(jié)：通過本講學習.回顧《聲學基礎(chǔ)》課程中與本課程相關(guān)的知識點.

習題:

什么條件F發(fā)生海底全反射，此時反射系數(shù)有什么特點，說明其為理意義

第2章海洋的聲學特性

§2,1海洋聲學參數(shù)及傳播損失

木講主要內(nèi)容

■聲速經(jīng)驗公式（了解）

■海泮中聲速的變化（有點:

■傳播衰減概述《索點）

■純水和泡水的也吸收（歪點）

■非均勻液體中的聲費鼠（J'解）

-、海水中的聲速

I、聲速（SoundSpeed）：海洋中甲要的聲學參數(shù),也是海洋中小傳播的越倏本

物理參數(shù).流體介質(zhì)中，聲波為坤性縱波,聲注為：

廂

式中，空度P和絕熱壓縮系數(shù)屬都是溫微八趾度5和梆壓力P的函數(shù)，

因此，聲速也是Tewer&lure、Stilinily、Pressure的函數(shù).

2,聲速外里公式一

□海洋中的加速隨溫度1（10）、鹽度S（笈八壓力P（Ag/cW）

的增人而增大。

□經(jīng)53公式是許多海上測量實驗總結(jié)得到的.

*注：

□單位

□海水中鹽度變化不大，典型便:站％.：

□經(jīng)常用深段首代好壓力，每下降10m水深近似煙加】個大氣1￡的任

力.

3、烏鐫公式

C=1450+4.217-0.03772+1.14（5-35）+0.175F

4、聲朝互

□向速劑面儀5VP——SoundVelocityProfile

□，鹽深惻量儀CTD-Conductivity,Tp?perature,Depth

口拋棄式溫度測‘點儀XRTeXprndableBathyThermoRrnph

5、海洋中的聲速變化

□海洋中聲速的垂在分層性庖

《x,y,z）=4z）

口—一悌度

de

8.=—=^TST+^SS+^PSP

1）溫慢變化1度，聲速變化約伍心

2）鹽度變化1注.聲逵變化為Im/s

3）壓力變化I個人氣壓，聲速變化約0.2m/*

6、海中聲速的基本結(jié)構(gòu)

溫度垂直分布的“二層結(jié)構(gòu)”：

□表面層（表面等溫?如介U）:海洋表面受到陽光照射，水溫較

高，但又受到風雨攪拌作用

□季節(jié)戲變層:在表面層之F.特征是「@悌度虞聲速佛明此悌

度隨季節(jié)向弁.旻、秋季節(jié).躍變層明顯1冬*春■《北冰洋）季節(jié).

躍變層與表面層合并在一起.

□圭區(qū)納立漢度隨深度巨變的層.特征是負的溫度悌度或聲速悌度.

季節(jié)對它的影響微弱.

U深海一溫層:在深海內(nèi)部，水湍比收低而IL穩(wěn)定，特征是正聲速栩

度.

7,溫度的李W變化.日變化和緯度變化

8、河水出度的起伏變化

溫度起伏的原因多種多樣:湍潦、海面波浪.渦旋、內(nèi)淤等因素

聲傳播起伏的原因之一?

9、聲速分由分類（分成四類）

A:下圖為深海聲道典型聲速分布,卦點：在某一深度處有一聲速最小I

兩圖不同之處：圖（a）表面出速小r兩底聲速：圖（b）表面聲速大手

海底聲速.

-一類深海聲道聲it分布

R:卜圖為四面聲道聲速分布,特點：在某一深度處有一聲速極大值.

形成原因：在秋冬季節(jié)，水面海度較低，加上風浪找溝表面層海發(fā)

均勻分布.在整內(nèi)形成也聲速柳發(fā)分布.

第.類表面一道■速分布

C.卜圖為反聲道聲速分布,特點?聲速曉深度中調(diào)下降.形或原囚：海祥

上部的海水受到太陽嘴爆照射的結(jié)果.

第1一反?道聲速分布

D,卜圖為淺海常見聲速分布.特點，聲速的深度單調(diào)卜降?形成原囚，海

洋上廂的海水受到太陽強”照射的結(jié)果.圖（d＞與圖（e）不同之

處：后者是淺海中的奐悌度分布,需計入海底對聲傳播的址響.

第四類■海常見一速分布

；、海水中的聲吸收

L傳播衰減概述

聲波傳播的強度食觥（傳播損失》原因：

1），收損失（幾何衰減）?聲波波陣面在傳播過程中不斷/我引杷的聲SI

費M.

U諭諧平面波聲壓：

p=poexpKfrf-A.v）J

沒有N履推失

7Z=IOlg嬰=0（國

/（x）

□葡諧味血液標7

p=—-Ar)]

擴屣損失

4^-20Igr

7L=l()lg

，(「)

—失的一般形式

71=/IIOIgr的

n-0；適用管道中的聲傳姆，平面波傳胡,TL-0；

n=l：近用上而田山和深海盧道.柱面波怙播.TL=10logr.相當于

全反射海底和全反射海面組成的理想波導中的傳播條件：

-1.5：適用計及海底聲吸收時的淺海聲傳播.ll.-15logr.相當

于讓人界面聲吸收所引起的對沖面波的傳播根失的修正：

n=2：適用于開同水域（自由場），球面波傳播?TL=201ogi；

2）吸收損失,均勻介質(zhì)的粘粉性、偏傳導性啜及其它躺像過程以起的聲強

—

U均勻介陸的再吸收：

介一切變粘而的聲吸收（經(jīng)典聲吸收）

介?熱傳導聲吸收（經(jīng)典聲吸收J

照理啖收（機吸收）

吸收系數(shù)：

。=軻盒卜⑶島］

聲吸收引起的傳播損失：

TL=IOIg-^7-r=a（^-l）*ar（x?I）

/（?V）

總—失（擴取?吸收）等于：

7Z.=/il（）lgr+crr

純水的國吸收:實際吸收系數(shù)的測址值遠大r經(jīng)典吸收系數(shù)理論值,兩

者整值稱為超吸收.

一水的超吸收;海水的聲吸收系數(shù)與聲波卿率、溫度、壓力、鹽陵等因

素有關(guān)，但鹽度的影響技?。簩τ诓煌暡l詞應選

擇不同的經(jīng)般公式來計算海水的吸收系數(shù)，

3）放射:介斯的不均勻性引起的聲波散射導致聲強費減..不均勻性包括：

海洋中泥沙、氣泡,浮浙生物等懸浮觸子以及介岐本身的不均

勻性和海水界面對聲波的儂射.

2、北均勺液體中的聲費減：含仃氣泡群的海水具仃非常高的聲吸收

1）熱傳導效應：氣泡和縮、彩喉，內(nèi)部濕度升而，發(fā)々熱交換，聲能轉(zhuǎn)化為熱

能而消耗掉.

2）粘滯性：海水對氣泡壓縮、膨張的砧滯作用，也消履部分聲能.

3）4散射：氣泡壓縮、腳張形成二次聲犒射，對人射戶產(chǎn)生被射，使聲能明

匕減小?

常識；一艘驅(qū)逐肥以15節(jié)航速航行將產(chǎn)生5006長的尾流，8kHz我堿系數(shù)為

0.8dB/a.40kllz衰減系數(shù)為1.XdB/m,I節(jié)=I海里/小時=0.51S米/秒

《】海里=1852米）.

總結(jié)：通過本講學習，掌舜海洋中聲速的變化規(guī)律，以及聲被哀減的原因.

本蟒思考題

1、海水中的聲速與噴些因衣仃關(guān)？畫出三種常見的海水聲速分布.

2,聲波住海水中傳播時K聲強會逐漸或少.《I》說明原因：（2）和擇什么

叫物理費叔？什么叫幾何哀減？（31號出海洋中聲傳播損失的常用TL衣

ii式，并指明嘿項反映的主要是幾何衰減，哪項反映的主要是物刑衰減；

（I）試給出三種不同海洋環(huán)境下的幾何衰減的“衣達式.

3、聲吶A,B有相等的聲源級.但聲吶A工作領(lǐng)率八商手內(nèi)吶B工作頻率以問

哪臺聲吶作用踮離遠，說明以兇

§2.2海底海面聲學特性和海洋內(nèi)部不均勻性

本講主要內(nèi)容

■海底聲學特性《了解）

■海面聲學特性（ri?）

■彩洋內(nèi)就的不均勻性（了解）

-、海底聲季特性

】、海底結(jié)構(gòu)、地形和沉積層是影響聲波傳播的蟲蔓因素.

1＞海底對聲波的吸收、散射和反射等聲學特性關(guān)系到水聲設備作用嵬離的

遠近.

2＞海底聲波反射系數(shù)與海底地形有明顯的依檢關(guān)系,島于幾千描殛率的聲

波，海底樹育度是膨陰聲波反射的工翌作用.

3）反向窗切：L.朝聲源方向的聲散射?）：單位界面上單位立體角中所敞

射出去的功率與入射波強度之比.

2,深海平原海底反向胸肘強度與入射角的關(guān)系

12在小入射角時,做時強度肺入射角增大而減小.馬頻率一般無關(guān)：

2》入射角＞5度時，敞時強度101現(xiàn)近似比腐〃成正比：

3）大入射角時,放射船度可能與授察的四次方成正比.

3、非常粗房海底反向散射強度與入射角的關(guān)系

1＞反向散射期度幾乎手入射他無關(guān)

,1、人們關(guān)心的海底參數(shù)

□聲速（反演）

□密度（反演）

□哀誠系數(shù)（反演）

U底偵（取樣》

□垂直分層結(jié)構(gòu)（取樣）

5、溝底特性探測

□多波束側(cè)門聲吶探測海底地形

6、溝聯(lián)沉積層

U描述：國蓋海底之上的一層非凝固態(tài)（處于液態(tài)和固態(tài)之間）的物

質(zhì)?

口聲速：沉積狀中有壓縮波速度（聲速）C和切變波速度Cs兩種，

□泉M系數(shù)（dB/i?）

a=KT

力為常數(shù)；r為頰率，單位一也：力為站數(shù),通常取1

7、海底盧反射損失

定義:反射聲振幅相對入射聲振幅減小的分貝數(shù)

=-20lg^=-20ig|V

P.

u海底反射系數(shù)模和反射損失B1,值隨掠射角的變化

高聲速海底低出速海底

U

(

M

全

)

*

?

他

幡

□海底反射根失的二個特征

夕’，是海底反射狗頭的一個特包

■存在個“分界驚射角”

參數(shù)

■-—時，反肘Y失值較小,隨3增大而增奧.

■可?>?時.反射損失較大，與中無明顯依鞅關(guān)系

底反射損失/化校里一:參數(shù)模型

Q(fl.0

-20.(#.34”＜二

n-etJc2

□三參數(shù)：，「同、Q

□參數(shù)計算

￡的計竟

?=arocos（〃）

V'“的計/

陶q卅喈

m+nP\

Q的計算_________

Q*[-帥（皿-“」0d十”產(chǎn)4一片

------------------------mcostf,-i^sin:d一n'

蠹注直：實際向底（在?吸收,可將海底聲速視為復數(shù),此時不會發(fā)工

全內(nèi)反射.按照H上的方法計律：

ImM.

M*

與書上結(jié)果:。=-、,M'M+財;）略有不同.

恿：一?參數(shù)模率可用于分析海洋中市場的Y?均結(jié)構(gòu)

二'海面聲學特性

?海面波浪

□周期性牖期、波長.波速和液高等量描述箕特征：

u隨機起伏性——概率密度分布、方差、譜和相關(guān)函數(shù)等描述其特征。

2、波浪的施木特征

口電力表面波：以重力作為恢發(fā)力的波動

□衣面張力波：以表面張力作為恢其力

口波浪的形成和等級

■平均波高

■有效波高

■平均1/10齡大波高

3、波浪的統(tǒng)計特征

U波浪的概率密度分布

常識：花水亦學中羥密將波曲的概率分布視為島斯分布.

□充分成長的海浪譜

■PivrsonMoskowitzi5J(PMiff)

，1、海面腹面層內(nèi)的氣