水聲學原理第一章1

1、第七章第七章 海洋中的混響海洋中的混響 第十九講第十九講 海洋混響基本概念、體積混響海洋混響基本概念、體積混響 College of Underwater Acoustic Engineering HEU2本講主要內容本講主要內容n實驗測量的混響信號實驗測量的混響信號n海洋混響基本概念海洋混響基本概念q混響的分類混響的分類q散射強度散射強度q等效平面波混響級等效平面波混響級q基本假定基本假定n體積混響體積混響q體積混響理論體積混響理論q深水體積混響源及其特征深水體積混響源及其特征q艦船尾流艦船尾流College of Underwater Acoustic Engineering HEU3局局

2、部部放放大大0、實驗測量的混響信號、實驗測量的混響信號n爆炸聲源混響時域波形及其音頻爆炸聲源混響時域波形及其音頻College of Underwater Acoustic Engineering HEU40、實驗測量的混響信號、實驗測量的混響信號n爆炸聲源混響時域波形局部放大爆炸聲源混響時域波形局部放大College of Underwater Acoustic Engineering HEU5海洋中存在大量的散射體海洋中存在大量的散射體（海洋生物、泥沙粒子、氣泡、水團等）（海洋生物、泥沙粒子、氣泡、水團等）聲波投射到散射體上聲波投射到散射體上產生散射產生散射散射聲波在接收點處散射聲波在接收

3、點處疊加疊加一、一、海洋混響基本概念海洋混響基本概念n混響的形成混響的形成n混響的特點混響的特點q緊跟在發(fā)射信號之后緊跟在發(fā)射信號之后q隨時間衰減隨時間衰減College of Underwater Acoustic Engineering HEU6一、海洋混響基本概念一、海洋混響基本概念n混響的分類混響的分類q海水中海水中流砂粒子、海洋生物，海水本身的不均勻性等對流砂粒子、海洋生物，海水本身的不均勻性等對聲波散射所形成的混響聲波散射所形成的混響體積混響體積混響q海面海面的不平整性和波浪形成的氣泡層對聲波散射所形成的不平整性和波浪形成的氣泡層對聲波散射所形成的混響的混響海面混響海面混響q海底海

4、底及其附近散射體形成的混響及其附近散射體形成的混響海底混響海底混響 ：海面混響和海底混響統(tǒng)稱為界面混響（散射體分布是海面混響和海底混響統(tǒng)稱為界面混響（散射體分布是二維的）二維的）College of Underwater Acoustic Engineering HEU7n散射強度散射強度q定義定義：參考距離：參考距離1米處被米處被單位面積單位面積或或體積體積所散射的聲強所散射的聲強度與入射度與入射平面波強度平面波強度比值的分貝數。比值的分貝數。 ：散射強度也是在遠場測量后再歸算到單位距離處的散射強度也是在遠場測量后再歸算到單位距離處的q應用應用：n散射強度是表征混響的一個基本比值，可利用它計

5、散射強度是表征混響的一個基本比值，可利用它計算各類混響的等效平面波混響級或進行混響預報；算各類混響的等效平面波混響級或進行混響預報；n體積混響的反向散射強度值為體積混響的反向散射強度值為-70dB-100dB，遠小，遠小于海面和海底值。于海面和海底值。issvIISlg10一、海洋混響基本概念一、海洋混響基本概念College of Underwater Acoustic Engineering HEU80lg10IIRL 一、海洋混響基本概念一、海洋混響基本概念n等效平面波混響級等效平面波混響級q描述描述：若接收器接收來自聲軸方向入射的強度為：若接收器接收來自聲軸方向入射的強度為I的平的平面

6、波輸出端電壓為面波輸出端電壓為V，如將接收器放置在混響聲場，聲，如將接收器放置在混響聲場，聲軸對著目標，接收器輸出端電壓也為軸對著目標，接收器輸出端電壓也為V，則混響場的等，則混響場的等效平面波混響級效平面波混響級RL為：為： ：混響是隨時間指數衰減的，因此，它對接收信號干擾混響是隨時間指數衰減的，因此，它對接收信號干擾的大小與信號到達時間有關。的大小與信號到達時間有關。College of Underwater Acoustic Engineering HEU9二、體積混響二、體積混響n基本假定基本假定q直線傳播，計及球面衰減和海水吸收；直線傳播，計及球面衰減和海水吸收；q散射體分布是隨機均

7、勻的，且每個散射體貢獻相同；散射體分布是隨機均勻的，且每個散射體貢獻相同；q散射體數量極多，單位體積元和面元有大量散射體；散射體數量極多，單位體積元和面元有大量散射體；q不考慮多次反射；不考慮多次反射；q脈沖時間足夠短，忽略體積元和面元尺度范圍內的傳播脈沖時間足夠短，忽略體積元和面元尺度范圍內的傳播效應。效應。College of Underwater Acoustic Engineering HEU10n對混響有貢獻的區(qū)域對混響有貢獻的區(qū)域 q海洋中存在大量散射體，它們距離聲源和接收器的遠近海洋中存在大量散射體，它們距離聲源和接收器的遠近不一樣，入射聲波照射到散射體的時刻有先后；不一樣，入射

8、聲波照射到散射體的時刻有先后；q某時刻的混響是該時刻所有到達接收器的散射波的總和某時刻的混響是該時刻所有到達接收器的散射波的總和。q結論結論：只有海洋中部分散射體對某時刻混響有貢獻：只有海洋中部分散射體對某時刻混響有貢獻 考慮收發(fā)合置情況，聲源、接收器位于考慮收發(fā)合置情況，聲源、接收器位于O點。發(fā)射脈點。發(fā)射脈沖寬度為沖寬度為 ，根據球面擴展假設，該脈沖在海水中形成一，根據球面擴展假設，該脈沖在海水中形成一個厚度為個厚度為 的擾動球殼層，發(fā)射脈沖結束后的的擾動球殼層，發(fā)射脈沖結束后的 時刻，時刻，該擾動球的內外半徑為：該擾動球的內外半徑為：c2/ t2/1ctr cctr2/2二、體積混響二、

9、體積混響College of Underwater Acoustic Engineering HEU11二、體積混響二、體積混響n對混響有貢獻的區(qū)域對混響有貢獻的區(qū)域College of Underwater Acoustic Engineering HEU12二、體積混響二、體積混響n對混響有貢獻的區(qū)域對混響有貢獻的區(qū)域q解釋解釋：球殼內的散射體在：球殼內的散射體在 時刻的散射波不能在同一時刻的散射波不能在同一時刻傳到接收器。球殼內層半徑為時刻傳到接收器。球殼內層半徑為 的的A點，點，脈沖后沿脈沖后沿激發(fā)的散射波在激發(fā)的散射波在 時刻開始傳向接收點；而半徑為時刻開始傳向接收點；而半徑為 的的

10、B點，點，脈沖前沿脈沖前沿在在 時刻開始時刻開始 向接收點發(fā)出散射波，到達向接收點發(fā)出散射波，到達A 點的時刻恰好也是點的時刻恰好也是 ，它們，它們 可在可在 時刻同時到達接收點。時刻同時到達接收點。2/ t1r0r22/t2/ t2/ ttCollege of Underwater Acoustic Engineering HEU13n對混響有貢獻的區(qū)域對混響有貢獻的區(qū)域q提示提示：位于：位于 和和 之間的散射體都和之間的散射體都和B點類似，都會點類似，都會對對 時刻的混響有貢獻。上述推導也適用于海面和海時刻的混響有貢獻。上述推導也適用于海面和海底混響，只是底混響，只是圓環(huán)替代球殼圓環(huán)替代球

11、殼。n體積混響理論體積混響理論1r0r二、體積混響二、體積混響t(a)發(fā)射發(fā)射(b)接收接收College of Underwater Acoustic Engineering HEU14n體積混響理論體積混響理論假設散射體為均勻分布，發(fā)射器的指向性為假設散射體為均勻分布，發(fā)射器的指向性為q單位距離處的軸向聲強為單位距離處的軸向聲強為 ，則在空間，則在空間 方向上的方向上的聲強為聲強為q考慮考慮 方向上方向上 處有一體積為處有一體積為dv的體積散射體，根的體積散射體，根據基本假設（據基本假設（1），），dv處的入射聲強度為處的入射聲強度為q散射強度的定義：散射強度的定義： 令：令：,b0I),

12、(),(0bI),(r20/ ),(rbIincscatVIIS/lg10incscatVIIS/二、體積混響二、體積混響College of Underwater Acoustic Engineering HEU15n體積混響理論體積混響理論q返回聲源方向距離返回聲源方向距離dv單位距離處的散射聲強度為單位距離處的散射聲強度為q在入射聲波作用下，由在入射聲波作用下，由dv產生的返回聲源處的散射聲產生的返回聲源處的散射聲強度為強度為q設接收器指向性為設接收器指向性為 （收發(fā)合置則有（收發(fā)合置則有 ），則對），則對接收器輸出端有貢獻的聲強絕對值為接收器輸出端有貢獻的聲強絕對值為dVSrbIV20

13、/ ),(40/),(rdVSbIV),(bbb 40/),(),(rdVSbbIV二、體積混響二、體積混響College of Underwater Acoustic Engineering HEU16n體積混響理論體積混響理論q總的散射聲強為：總的散射聲強為：q根據假設，每個散射體元有相同的貢獻，總散射聲強絕根據假設，每個散射體元有相同的貢獻，總散射聲強絕對值為：對值為：q體積混響等效平面波混響級為：體積混響等效平面波混響級為：VVdVbbrSI),(),(40VVdVbbrSI),(),(140VVrefdVbbrSIIRL),(),(1lg1040二、體積混響二、體積混響College

14、 of Underwater Acoustic Engineering HEU17二、體積混響二、體積混響n體積混響理論體積混響理論q積分計算積分計算 對體積混響有貢獻的體積是厚度為對體積混響有貢獻的體積是厚度為 的球殼層，的球殼層，則有則有 是體積元對接收點所張的立體角，將上式代入體積混響是體積元對接收點所張的立體角，將上式代入體積混響等效平面波混響級積分公式得：等效平面波混響級積分公式得：2/cdcrdV22ddbbrcSIIRLVref2012lg10College of Underwater Acoustic Engineering HEU18n體積混響理論體積混響理論q積分計算積分計

15、算n上式中積分上式中積分 一般不易求一般不易求 得，若將其視為發(fā)射得，若將其視為發(fā)射-接收的組合束寬，接收的組合束寬， 則用一理想的等效指向性來替代。則用一理想的等效指向性來替代。 設有立體角設有立體角 ，具有如下指向性：在立體角，具有如下指向性：在立體角 內，內，相對響應為相對響應為1；在立體角；在立體角 外，響應為零，即外，響應為零，即dbb二、體積混響二、體積混響04011ddbbCollege of Underwater Acoustic Engineering HEU19n體積混響理論體積混響理論q用理想指向性替代實際合成指向性，則等效平面波混響用理想指向性替代實際合成指向性，則等效

16、平面波混響級為級為 或寫成或寫成 是散射體到接收器之間的距離，它與傳播時間是散射體到接收器之間的距離，它與傳播時間 之間之間的關系為：的關系為：2402lg10rrcSIIRLVref22lg10lg40rcrSSLRLV2/ctr rt二、體積混響二、體積混響College of Underwater Acoustic Engineering HEU20n體積混響理論體積混響理論q特點特點： 體積混響等效平面波混響級的理論公式：體積混響等效平面波混響級的理論公式： n混響聲強與入射聲強度、發(fā)射信號的脈沖寬度、發(fā)混響聲強與入射聲強度、發(fā)射信號的脈沖寬度、發(fā)射射-接收換能器的組合指向性束寬等量成

17、正比；接收換能器的組合指向性束寬等量成正比；n混響強度與混響時間的平方成反比，與散射體元的混響強度與混響時間的平方成反比，與散射體元的散射強度也有關。散射強度也有關。 ：如何減小混響，即如何抗混響？如何減小混響，即如何抗混響？2lg102lg20cctSSLRLV二、體積混響二、體積混響College of Underwater Acoustic Engineering HEU21二、體積混響二、體積混響n如何減小混響，即如何抗混響？如何減小混響，即如何抗混響？q答案答案：在不影響聲納作用距離的前提下，適當減小發(fā)射：在不影響聲納作用距離的前提下，適當減小發(fā)射信號聲功率；采用尖指向性的收發(fā)換能器

18、，以得到窄的信號聲功率；采用尖指向性的收發(fā)換能器，以得到窄的組合波束；發(fā)射信號采用窄脈沖寬度。組合波束；發(fā)射信號采用窄脈沖寬度。n深水體積混響源及其特征深水體積混響源及其特征q概念概念：回聲強度強的層稱為深水散射層（：回聲強度強的層稱為深水散射層（DSL），它是），它是體積混響的主要來源；體積混響的主要來源；q混響源是生物性的混響源是生物性的：磷蝦科動物、烏賊和撓足類動物；：磷蝦科動物、烏賊和撓足類動物；q混響源是非生物性的混響源是非生物性的：塵粒和砂粒、溫度不均勻水團、：塵粒和砂粒、溫度不均勻水團、海洋湍流、艦船尾流海洋湍流、艦船尾流College of Underwater Acousti

19、c Engineering HEU22二、體積混響二、體積混響n深水體積混響源及其特征深水體積混響源及其特征q特點特點：有一定厚度；深度不固定不變的，具有晝夜遷移：有一定厚度；深度不固定不變的，具有晝夜遷移規(guī)律，深度變化可達幾百米；具有低頻選頻特性。規(guī)律，深度變化可達幾百米；具有低頻選頻特性。q混響產生的原因混響產生的原因：散射體是生物性的，為存在于海洋中：散射體是生物性的，為存在于海洋中的海洋生物；低頻選頻特性是由含氣魚鰾所造成；非生的海洋生物；低頻選頻特性是由含氣魚鰾所造成；非生物性的散射體對散射貢獻微不足道的。物性的散射體對散射貢獻微不足道的。q提示提示：用垂直向下的測深儀測量其深度。：用垂直向下的測深儀測量其深度。 College of Underwater Acoustic Engineering HEU23二、體積混響二、體積混響n深水體積混響源及其特征深水體積混響源及其特征q深水散射層聲學特性深水散射層聲學特性：n深度大約在深度大約在180900m，典型深度為，典型深度為400m，而其厚，而其厚度則為度則為90m；n在在1.612kHz范圍內，層中值具有頻率選擇性，在不范圍內，層中值具有頻率選擇性，在不同深度上，層有不同共振頻率，反映了層的多層結同深度上，層有不同共振頻率，反映了層的多層結構；構；n存在于全地球的海洋中，是全地球海洋聲學和生物