水聲學第一章緒論.ppt

水聲學,第一章 緒論 上半部,水聲學的基本內涵 水聲學的發(fā)展簡史 水聲學的主要研究內容 水聲的主要應用 本課程的主要內容,1、水聲學的基本內涵,1.1 水聲學的定義,水聲學主要研究聲波在水下的輻射、傳播與接收，用以解決與水下目標探測和信息傳輸過程有關的各種聲學問題。,聲輻射,聲傳播,聲接收,海洋環(huán)境,海底,海面,海水,1.2 水聲學基本內涵,水聲學是圍繞水聲技術、水聲對抗技術和水聲工程的基本需求來開展科學研究的 水聲技術 利用聲波作為信息載體來實現(xiàn)水下探測、定位、導航和通信的原理與方法 水聲對抗技術 在軍事上，對抗水下聲探測、定位、導航和通信的技術措施與手段 水聲工程 水聲技術和對抗技術的工程目標實現(xiàn),磁場：作用距離在100米以內 光：作用距離近10米到100米 聲波：1分貝/公里，10kHz 頻率 電磁波：衰減4500分貝/公里 結論：聲波是目前唯一已知的水下遠距離信息傳輸的有效載體,1.3 各種波在水下的衰減,1.4 聲波在水下傳播最有效,ATOC-海洋氣候聲層析,ATOC實驗-低頻聲源,ATOC實驗-聲波傳播路徑,2、水聲學發(fā)展簡史,2.1 水聲學發(fā)展歷史,水聲學起源 1490年，達.芬奇摘記中提出用長管聽遠處航船 水聲學第一次定量測量 1827年，瑞士物理學家 D.Colladon 和法國數學家 C.Sturm合作，在日內瓦湖測 量了水中的聲速。,1840年，焦耳發(fā)現(xiàn)了磁致伸縮效應。 1880年，皮埃爾.居里發(fā)現(xiàn)了壓電效應。,壓電陶瓷 -PZT（鋯鈦酸鋁）,2.1 水聲學發(fā)展歷史,壓電效應,1912年， 英國人Alexander Belm描述了回聲定位設備。 1912年，英國人L.F. Richardon提出了回聲定位方案（英國專利）。,2.1 水聲學發(fā)展歷史,The first working sonar system was designed and built in the United States by Canadian Reginald Fessenden in 1914. The Fessenden sonar was an electromagnetic moving-coil oscillator that emitted a low-frequency noise and then switched to a receiver to listen for echoes. It was able to detect an iceberg underwater from 2 miles away, although with the low frequency, it could not precisely resolve its direction.,2.1 水聲學發(fā)展歷史,Powerful high frequency ultrasonic echo-sounding device was developed by emminent French physicist Paul Langvin and Russian scientist Constantin Chilowsky. They called their device the hydrophone. The transducer of the hydrophone consisted of a mosaic of thin quartz crystals glued between two steel plates with a resonant frequency of 150 KHz. Between 1915 and 1918 the hydrophone was further improved in classified research activities and was deployed extensively in the surveillance of German U-boats and submarines. The first known sinking of a submarine detected by hydrophone occurred in the Atlantic during World War I in April,1916.,2.1 水聲學發(fā)展歷史,1925年， 研制出用于船舶導航水聲設備回聲測深儀。 第二次世界大戰(zhàn)促進了水聲技術的飛速發(fā)展。,2.1 水聲學發(fā)展歷史,二戰(zhàn)以后的水聲技術與水聲學 傳感器技術 拖曳線列陣技術 水聲信號處理技術 水聲物理學研究 減振降噪與隱身技術,2.1 水聲學發(fā)展歷史,1959年，中蘇聯(lián)合水聲考察 1994年，南海水聲考察 2002年，海洋通量測量,2.1 水聲學發(fā)展歷史,3、水聲學主要研究對象,水聲學的主要研究內容,水聲學,水聲物理,水聲工程,水聲系統(tǒng),水聲技術,水聲物理,海洋環(huán)境聲特性 海水（聲學特性） 海底與海面（聲學特性） 水聲傳播（規(guī)律） 混響、噪聲、散射、聲起伏 對聲納設備工作的影響,水聲物理研究,水聲物理研究,水聲換能器 水聲基陣 水聲換能材料 水聲換能器設計原理與方法 水聲換能器工藝 聲基陣成陣技術 水聲換能器校準計量,水聲系統(tǒng),英國國家物理實驗室,耦合腔校準系統(tǒng),中頻校準水池定位系統(tǒng),高壓消聲水池,湖上試驗場及其安裝設備和測量系統(tǒng),4、水聲學的主要應用,軍事領域,水雷引信 聲制導魚雷 探雷聲納 小目標定位聲納 通信聲納 航空吊放聲納（浮標聲納） 拖曳聲納 拖曳線列陣聲納 水聲導航聲納,安靜型潛艇探測的需求,消聲瓦使高頻回波顯著降低，潛艇輻射噪聲也主要集中于低頻線譜。,Variable Depth Sonar,Towed from ship. Buoyancy, scope and ship speed determine depth. SL increased with depth. (Quenching limit) Operate below sonic layer depth.,VDS Deploying,VDS (Canada),Mine Hunting VDS,水中目標探測,S-3 SONOBUOYS,Dipping Sonar,Airborne and dipped into the ocean.,水中目標探測,測深 單波束測深儀 多波束測深儀 旁視聲納 側掃聲納 綜合孔徑測深儀 測速 多普勒測速儀（海流計） 相關測速儀（海流計）,民用領域,魚探儀 助漁設備（誘魚、計數、跟蹤） 助潛設備 水下定位 信標 應答器 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,海底特性探測,洋流和海水溫度探測,洋流和海水溫度探測,魚群探測、跟蹤和識別,水聲通訊,水聲通訊,水聲定位導航,水聲定位導航,5、本課程的主要內容,本課程的主要內容,建立聲納系統(tǒng)的基本概念 由聲納方程入手，將所有與聲納系統(tǒng)有關的物理參數聯(lián)系到一起，了解聲納系統(tǒng)設計、性能預測所需要的基本參數，建立基本的物理概念，明確水聲學的主要研究內容與聲納系統(tǒng)的關系。與換能器和信號處理有關的內容由于有單獨設立的課程，這里不再詳細討論。因此，由聲納方程引出有關的水聲物理問題，這些都是聲納系統(tǒng)設計必須認真考慮的因素，也是水聲學主要的研究內容。,海洋的聲學特性是水聲學研究的基礎，也是水聲學研究的基礎內容之一。 - 海洋環(huán)境的聲學特性是海洋監(jiān)測技術的基礎。海洋環(huán)境包括水體、海面和海底，有平均特性，也有不均勻性，他們的聲學特性對水聲設備的研制與使用都是至關重要的。,聲納及聲納方程 海洋的聲學特性 海洋中的聲傳播理論 典型傳播條件下的聲場 聲波在目標上的反射和散射 海洋中的混響 水下噪聲,水聲學的學習方法一點建議,與海洋學緊密結合 深入掌握聲納方程 注重理論聯(lián)系實踐 第一章 緒論 下半部,第一章 緒論 下半部,聲納及其工作方式（了解） 聲納參數（重點） 聲納方程（重點） 組合聲納參數（了解） 聲納方程的工程應用及限制（了解）,1 聲納及其工作方式,聲納（SonarSound Navigation and Ranging）：利用水下聲信息進行探測、識別、定位、導航和通訊的系統(tǒng)。 按照工作方式分類：主動聲納和被動聲納,主動聲納信息流程,接收陣,處理器,判決 顯示,目標,發(fā)射機,發(fā)射陣,信號源,干端,濕端,被動聲納通過接收被探測目標（聲源部分）如魚雷、潛 艇等的輻射噪聲，來實現(xiàn)水下目標探測。,被動聲納信息流程,接收陣,處理器,判決 顯示,目標,1 聲納及其工作方式,2 聲納參數,主、被動聲納工作信息流程的基本組成： 聲信號傳播介質（海水） 被探測目標 聲納設備 聲納參數 定義：將影響聲納設備工作的因素稱為聲納參數。,2.1 聲源級SL（Source Level）,聲源級SL：用來描述主動聲納所發(fā)射的聲信號的強弱（反應發(fā)射器輻射聲功率的大小） 定義：,式中，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微帕的平面波對應的聲強）。,解釋原因：可以提高輻射信號的強度，相應也提高回聲信號強度，增加接收信號的信噪比，從而增加聲納的作用距離。,為了提高主動聲納的作用距離，將發(fā)射器做成具有一定的發(fā)射指向性，如下圖所示。,發(fā)射指向性指數DIT：,式中： ID為指向性發(fā)射器在聲軸上測得的聲強度； IND為無指向性發(fā)射器輻射的聲強度。 含義： 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； DIT越大，聲能在聲軸方向集中的程度越高； DIT越大，就有利于增加聲納的作用距離。,已知聲功率時，如何計算SL？ 聲源級與聲功率的關系： 假設介質無聲吸收，聲源為點聲源，輻射聲功率為Pa（W），距聲源聲中心1米處聲強度為：,1）無指向性聲源輻射聲功率與聲源級的關系：,2）指向性聲源輻射聲功率與聲源級的關系：,常識：船用聲納Pa為幾百瓦幾千瓦，DIT為1030dB，SL約為210240dB。,2.2 傳播損失TL（Transmission Loss）,傳播損失TL定量描述聲波傳播一定距離后聲強度的衰減變化 定義：,式中，I1是離聲源聲中心1米處的聲強度；Ir 離聲源聲中心 r 米處的聲強度。,引起聲強衰減的原因： 1）由于海水介質本身的聲吸收 2）聲傳播過程波陣面的擴展 3）海水中各種不均勻體的散射,2.3 目標強度TS（Target Strength）,目標反射本領有差異：在同樣入射聲波的照射下，不同目標的回波是不一樣的。它除了與入射聲波特性（頻率、波陣面形狀）有關，還與目標的特性（幾何形狀、材料等）有關。 目標強度TS定量描述目標反射本領的大小 定義：,式中，Ii是目標處入射聲波的強度；Ir離目標聲中心1米處的回波強度。,2.4 海洋環(huán)境噪聲級NL（Noise Level）,海洋環(huán)境噪聲是由海洋中大量的各種各樣的噪聲源發(fā)出的聲波構成的，它是聲納設備的一種背景干擾。 環(huán)境噪聲級NL是度量環(huán)境噪聲強弱的量 定義：,式中I0為參考聲強度,IN是測量帶寬內（或1Hz頻帶內）的噪聲強度。,Question：海洋內部是安靜的嗎？,2.5 等效平面波混響級RL （Reverberation Level）,主動聲納的背景干擾： 1)環(huán)境噪聲一般是平穩(wěn)的和各向同性的 2)混響是非平穩(wěn)的和非各向同性的 等效平面波混響級RL： a)定量描述混響干擾的強弱 b)是利用平面波的聲級來度量混響場的強弱 c)定義：強度已知的平面波軸向入射到水聽器上，水聽器輸出電壓值為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。,2.6 接收指向性指數DI （Directivity Index）,接收換能器的接收指向性指數DI定義為：,其中，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。,QUESTION：何為水聽器靈敏度?,水聽器靈敏度Sh,定義： 水聽器處的聲壓為p，裝置的開路終端電壓是V，則水聽器的靈敏度為：,例子：已知水聽器的靈敏度為-200dB/V，假設入射平面波的聲壓級為80dB，問其輸出端的開路電壓為幾伏？,dB/V,式中，m為比例常數； 是元立體角。,設水聽器的靈敏度為單位值，噪聲場為各向同性的，單位立體角內的噪聲功率為Ii，無指向性水聽器產生的均方電壓為：,無指向性水聽器產生的均方電壓：,在同一噪聲場中，指向性水聽器產生的 均方電壓：,其中，b是歸一化的聲束圖函數， 是空間方位角。則接收指向性指數DI為：,參數DI只對各向同性噪聲場中的平面波信號（是完全相關信號）有意義； 具有其它方向特性的信號和噪聲場，需用陣增益來代替DI。,Caution：,對于幾何形狀簡單的換能器陣，可用陣尺寸來表示它的DI值。,2.7 檢測閾DT （Detection Threshold）,聲納設備接收器接收聲納信號和背景噪聲，兩部分的比值即接收帶寬內的信號功率或均方電壓與1Hz帶寬內（或接收帶寬）的噪聲功率或均方電壓的比，它影響設備的工作質量，比值越高，設備就能正常工作，“判決”就越可信。 檢測閾DT是設備剛好能正常工作所需的處理器輸入端的信噪比值 定義：,常識：對于同種職能的聲納設備，檢測閾值較低的設備，其處理能力強，性能也好。,3 聲納方程,聲納方程： 綜合考慮水聲所特有的各種現(xiàn)象和效應對聲納設備的設計和應用所產生影響的關系式。 它將海水介質、聲納目標和聲納設備的作用聯(lián)系在一起。 1、基本考慮 聲納方程的基本原則： 信號級背景干擾級=檢測閾（剛好完成預定職能） 背景干擾級的含義： 設備工作帶寬內部分背景噪聲才起干擾作用。,3.1 主動聲納方程,收發(fā)合置的主動聲納信號強度變化如下圖：,回聲信號級（信號級）：回聲到達接收陣的聲級 SL-2TL+TS 背景干擾級： NL-DI （接收陣接收指向性指數壓低背景噪聲） Caution：換能器聲軸指向目標，回聲信號不會被接收指向性指數壓低。 處理器處的電信號的信噪比： （SL-2TL+TS）-（NL-DI）,主動聲納方程（噪聲背景）： （SL-2TL+TS）-（NL-DI）=DT Caution：適用于收發(fā)合置型聲納，對于收發(fā)分置聲納，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。 主動聲納方程（混響背景）： SL-2TL+TS-RL=DT Caution：適用于收發(fā)合置型聲納，對于收發(fā)分置聲納，往返傳播損失不能簡單用2TL表示；適用于背景干擾為混響的情況。,3.2 被動聲納方程,與主動聲納相比，被動聲納特點： 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)出的噪聲不經目標反射，即無TS； 背景干擾為環(huán)境噪聲。 被動聲納方程： SL-TL-（NL-DI）=DT SL為噪聲源輻射噪聲的聲源級。,4 組合聲納參數,組合聲納參數：幾個聲納參數的組合量，它具有明確的物理含義。 回聲信號級：SL-2TL+TS加到主動聲納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納設備正常工作所需的最低信號級； 混響掩蔽級：RL+DT工作在混響干擾中的聲納設備正常工作所需的最低信號級；,4 組合聲納參數,回聲余量：SL-2TL+TS-（NL-DI+DT）主動聲納回聲級超過噪聲掩蔽級的數量； 優(yōu)質因數：SL-（NL-DI+DT）對于被動聲納，該量規(guī)定最大允許單程傳播損失；對于主動聲納，當TS=0時，該量規(guī)定了最大允許雙程傳播損失； 品質因數：SL-（NL-DI）聲納接收換能器測得的聲源級與噪聲級之差,5 聲納方程的應用及其限制,A. 聲納方程的應用（兩個基本用途） 聲納設備性能預報： 已知設備特點和若干參數，對其它聲納參數進行估計（例如估計最大傳播損失優(yōu)質因數）； 聲納設備設計： 預先規(guī)定設計設備的職能及各項戰(zhàn)術技術指標，根據聲納方程綜合評價各參數的影響，對參數合理選取和設備最佳設計（例如頻率的選取DI、TL）。,B.