水聲學(xué)的歷史、國內(nèi)外現(xiàn)狀及其未來發(fā)展ppt課件

1、水聲學(xué)的歷史、國內(nèi)外現(xiàn)狀及其開展方向報告人：何呈部 門：江蘇科技大學(xué) 電信學(xué)院水聲學(xué)Underwater Acoustics水聲學(xué)是聲學(xué)的一個分支學(xué)科。主要研討聲波在水下的產(chǎn)生、傳播和接納過程，用以處理與水下目的探測和信息傳輸過程有關(guān)的聲學(xué)問題。 水聲的重要性聲波是知的獨(dú)一可以在水中遠(yuǎn)間隔傳播的動搖，在這方面遠(yuǎn)比電磁波(如無線電波、光波等)好。水聲學(xué)隨著海洋的開發(fā)和利用開展起來，并得到了廣泛的運(yùn)用。水聲聲速丈量The first being the measurement of the speed of sound in seawater, ca. 1816, by Francois Beud

2、ant, in the French Mediterranean, involving an underwater bell and a swimmer waving a flag.水聲聲速丈量A more precise determination, with improved lightsound synchronization (Figure 1.2), was made in 1826 by Colladon and Sturm, in Lake Geneva.The Titanic and the Fessenden oscillatorThe tragic collision an

3、d subsequent sinking of RMS Titanic on the night of April 14/15, 1912 resulted in a flurry of activity and ideas directed at providing advance warning of nearby icebergs.Reginald Fessenden patented an electromagnetic transducer in 1913 and demonstrated its use by detecting the presence of an iceberg

4、 on April 27, 1914 at a distance of nearly two miles (i.e., approximately 34 km). This device became known as the Fessenden oscillatorWW1: a sense of urgencyIt took an even greater tragedy, the loss of life inflicted by U-boats during WW1, to provide the focus of intellect and resources that would l

5、ead to the development of a working underwater detection system.WW1: a sense of urgencyFrench and British efforts began in 1915, with Paul Langevin working in Paris with Russian engineer Constantin Chilowski, while A. B.Wood worked with Harold Gerrard in Manchester. The focus of the French research

6、was on echolocation (active sonar in modern terminology), while the British team concentrated initially on listening devices known as hydrophones (passive sonar).Langevin continued with his own work in Toulon, and by February 1918 had obtained echoes from a submarine using the high-frequency (40kHz)

7、 quartz transducers. Boyle followed suit a month later with a submarine echo from a distance of 500 yd (about 460 m).The term sonar was coined during WW2.WW1: a sense of urgencyOrigins of passive sonarAn experimental device comprising two towed eels and two ship-mounted M-V tubes was fitted to an Am

8、erican destroyer in April 1918.Sonar in its infancy (19181939)Fathometers and fish findersNational research laboratoriesTemperature and the afternoon effectSonar comes of age (1939)WW2水聲換能器的革新，關(guān)于溫度梯度影響聲傳播途徑的機(jī)理、聲吸收系數(shù)隨頻率變化等水聲學(xué)研討的成就，使聲吶得以不斷改良，并在第二次世界大戰(zhàn)期間反德國潛艇的大西洋戰(zhàn)役中起了重要作用。溫度梯度對聲傳播途徑的影響溫度梯度對聲傳播途徑的影響典型聲速

9、構(gòu)造溫度梯度對聲傳播途徑的影響溫度梯度對聲傳播途徑的影響海水聲吸收系數(shù)隨聲波頻率變化第二次世界大戰(zhàn)以后，為提高探測遠(yuǎn)間隔目的(如潛艇)的才干，水聲學(xué)研討的重點(diǎn)轉(zhuǎn)向低頻、大功率、深海和信號處置等方面。水聲學(xué)運(yùn)用的領(lǐng)域也越加廣泛，出現(xiàn)了許多新安裝，例如：水聲制導(dǎo)魚雷，音響水雷，主、被動掃描聲吶，水聲通訊儀，聲浮標(biāo)，聲航速儀，回聲探測儀，魚群探測儀，聲導(dǎo)航信標(biāo)，地貌儀，深、淺誨底地層剖面儀，水聲釋放器以及水聲遙測、控制器等。 水聲制導(dǎo)魚雷三大類：機(jī)載、艦載和艇載音響水雷可以感應(yīng)一定間隔內(nèi)艦船發(fā)動機(jī)和螺旋槳發(fā)出的噪聲，從而引爆水雷。掃描聲吶水聲通訊儀聲浮標(biāo)聲航速儀多普勒計(jì)程儀回聲探測儀用于水生植物或地

10、質(zhì)研討魚群探測儀水聲釋放器水聲學(xué)與海洋開發(fā)水聲作為遙測海洋的探頭，在長時間內(nèi)大面積延續(xù)監(jiān)測海洋的運(yùn)動過程以及海洋資源概念也已初步構(gòu)成。隨著海洋的開發(fā)，水聲學(xué)在海洋資源的調(diào)查開發(fā)、對海洋動力學(xué)過程和環(huán)境監(jiān)測、增進(jìn)人類對海洋環(huán)境的認(rèn)識等方面的運(yùn)用還將不斷地擴(kuò)展。 現(xiàn)代水聲學(xué)的開展方向現(xiàn)代水聲學(xué)的研討課題涉及面很廣，主要有：新型水聲換能器;水中非線性聲學(xué);水聲場的時空構(gòu)造;水聲信號處置技術(shù);海洋中的噪聲和混響、散射和起伏，目的反射和艦船輻射噪聲;海洋媒質(zhì)的聲學(xué)特性等。特別是水聲學(xué)正在與海洋、地質(zhì)、水生物等學(xué)科相互浸透，而構(gòu)成海洋聲學(xué)等研討領(lǐng)域。 水聲換能器水聲換能器是發(fā)射和接納水中聲信號的安裝，運(yùn)用

11、最廣泛的是電聲轉(zhuǎn)換的水聲換能器，即轉(zhuǎn)換電能為水中聲能的水聲發(fā)射器，以及轉(zhuǎn)換水中聲能為電能的水聲接納器(即水聽器)。水是聲阻抗率較高的媒質(zhì)，因此要發(fā)射較大聲功率就必需有較大的力。 水聲換能器常用的水聲換能器按其根本換能機(jī)理分為可逆式和不可逆式兩大類：可逆式(可作接納器)的有：電動、靜電、可變磁阻(電磁)、磁致伸縮和壓電水聲換能器。不可逆式(不可作接納器)的有：調(diào)制流體(流體動力)、氣動(如氣槍)、化學(xué)能(如信號彈)、機(jī)聲(如掃水雷聲源)等。 水聲換能器20世紀(jì)60年代以來，為了實(shí)現(xiàn)聲吶的遠(yuǎn)程探測，開展了不少新的換能資料、構(gòu)造振動方式和換能機(jī)理;開展了任務(wù)在低頻、寬帶、大功率和深水中的發(fā)射器，具有

12、高靈敏度、寬帶、低噪聲等性能的水聽器;出現(xiàn)了新型的水聲換能器，如復(fù)合壓電陶瓷水聽器、凹型彎張換能器、利用亥姆霍茲共鳴器原理制成的低頻水聽器、運(yùn)用射流開關(guān)技術(shù)的調(diào)制流體式換能器、聲光換能器等。 水聲參量陣水聲參量陣分為參量發(fā)射陣和參量接納陣兩類。它利用聲波在水內(nèi)傳播時產(chǎn)生的非線性相互作用。如發(fā)射器同時發(fā)出兩個頻率相近的高頻波(又稱原波)，由于非線性相互作用，那么還產(chǎn)生差頻涉及和頻波，這也可看作為一種新的轉(zhuǎn)換概念，參量發(fā)射陣?yán)玫木褪遣铑l波。 水聲學(xué)聲傳播海洋及其邊境(海面和海底)組成復(fù)雜多變的水聲傳播媒質(zhì)，它的復(fù)雜多變性主要表如今隨海區(qū)和季節(jié)而變化，從而有不同的傳播規(guī)律。從聲源發(fā)出的聲信號在傳播

13、過程中逐漸損失能量，這種傳播損失分為擴(kuò)展和衰減。擴(kuò)展損失表示聲波的波陣面從聲源向外不斷擴(kuò)展的簡單幾何效應(yīng)。但實(shí)踐上聲波經(jīng)常是在類似于波導(dǎo)中的傳播，可以在這種波導(dǎo)(稱為聲道)中定向性地傳播很長間隔。水聲學(xué)聲傳播衰減損失包括吸收、散射和聲能漏出聲道的效應(yīng)。呵斥吸收的緣由是海水的粘滯性、熱傳導(dǎo)性、海水中硫酸鎂和硼酸-硼酸鹽離子的弛豫機(jī)構(gòu)。吸收使聲強(qiáng)以指數(shù)方式隨間隔下降，吸收系數(shù)普通正比于頻率二次方，因此遠(yuǎn)程聲吶都選用較低頻率。呵斥散射的緣由包括海中氣泡、懸浮粒子、不均勻水團(tuán)、浮游生物以及邊境的不平整性，散射普通遠(yuǎn)小于吸收所引起的衰減。聲能漏出聲道的效應(yīng)那么因詳細(xì)聲道而異。水聲學(xué)聲傳播產(chǎn)生海洋傳播聲道

14、的條件是海洋邊境及特定聲速剖面。聲速剖面就是海洋的聲速分層構(gòu)造。海水中的聲速是溫度、鹽度和靜壓力(深度)的函數(shù)。它大致分為三層：外表層、主躍變層和深海等溫層。外表層中的聲速對溫度和風(fēng)的作用很敏感，有明顯的季節(jié)變化和日變化。在外表層以下約千米深度內(nèi)，溫度隨深度而下降，使聲速也隨深度下降，具有較強(qiáng)的負(fù)聲速梯度，稱為主躍變層。最下面的稱為深海等溫層，層中海水處于冷而均勻的穩(wěn)定形狀，聲速隨著深度的添加而添加。在主躍變層的負(fù)聲速梯度和深海等溫層的正聲速梯度之間存在一個定速極小值(聲道軸)，構(gòu)成較穩(wěn)定的深海聲道-聲發(fā)聲道。水聲學(xué)聲傳播在沿岸淺海及大陸架上，聲速剖面受較多的要素影響，有較強(qiáng)的地域變異性和短時

15、間不穩(wěn)定性。但平均而言，仍有比較明顯的季節(jié)特征。在冬季的典型聲速剖面是等溫層，在夏季往往是負(fù)躍層或負(fù)梯度。在淺海，由海面和海底構(gòu)成淺海聲道，聲波在聲道中由海面和海底不斷反射而傳播。海底的聲反射特性，特別是小掠射角的海底反射損失，是淺海聲場分析和聲吶作用間隔預(yù)告的重要參量，它決議于海底的底質(zhì)和構(gòu)造。水聲學(xué)聲傳播當(dāng)聲傳播程度間隔不特別遠(yuǎn)(幾百千米以內(nèi))時，往往把海洋看作分層媒質(zhì)，分層媒質(zhì)中的動搖實(shí)際在60年代已到達(dá)較為成熟的階段。水聲學(xué)聲散射海洋中存在著大量散射體以及起伏不平的界面。當(dāng)聲源發(fā)射聲波以后，碰到這些散射體，就會引起聲能在各個方向上重新分配，即產(chǎn)生散射波。其中前往到接納點(diǎn)的散射波的總和稱

16、為混響。混響是自動式聲吶的主要干擾。由產(chǎn)生混響的散射體不同性質(zhì)，可分為體積混響、海面混響和海底混響。對混響的研討大體上分為能量規(guī)律和統(tǒng)計(jì)規(guī)律兩個方面。混響的能量規(guī)律的實(shí)際分析以聲波在海洋中的傳播實(shí)際和散射實(shí)際的結(jié)合為出發(fā)點(diǎn)，主要涉及混響強(qiáng)度同信號參量和環(huán)境要素的聯(lián)絡(luò)以及衰減規(guī)律。水聲信號處置隨著聲納信號處置技術(shù)的開展，接納機(jī)輸出數(shù)據(jù)率不斷提高，靠聲納員來識別出目的并測定其參量是很困難的，這就開展了機(jī)器輔助檢測和自動檢測的技術(shù)。雖然水聲信號處置的實(shí)際與雷達(dá)很類似，但由于水聲信道的復(fù)雜性，仍有許多不同之處。水聲工程專業(yè) 水聲工程專業(yè)是一級學(xué)科船舶與海洋工程學(xué)下的二級學(xué)科共三個二級學(xué)科：船舶與海洋構(gòu)

17、造物設(shè)計(jì)制造，輪機(jī)工程，水聲工程：西北工業(yè)大學(xué)。水聲工程為國家重點(diǎn)學(xué)科，本學(xué)科所依托的國家級“水聲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 水聲技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在哈爾濱工程大學(xué)作為我國水聲技術(shù)根底研討最重要的研討單位之一，研討方向根本涵蓋了水聲技術(shù)的 全部研討領(lǐng)域，根底研討、運(yùn)用技術(shù)研討、水聲配備研制和系統(tǒng)集成技術(shù)研討等多方面調(diào)和開展。 水聲工程專業(yè)開設(shè)課程設(shè)置 聲納總體技術(shù)；信號處置；傳感器及聲系統(tǒng)；計(jì)量與測試技術(shù)。 畢業(yè)后可從事聲學(xué)、電子、計(jì)算機(jī)運(yùn)用及信息工程的科研任務(wù)。也可在漁業(yè)機(jī)械、石油、地質(zhì)、海洋儀器、醫(yī)療儀器等部門從事設(shè)計(jì)、消費(fèi)和科研任務(wù)。 開設(shè)水聲工程本科專業(yè)的大學(xué) 哈爾濱工程大學(xué) 西北工業(yè)大學(xué) 江蘇科技大學(xué) 考研專業(yè)之水聲工程專業(yè)學(xué)校排名 哈爾濱工程大學(xué)武漢理工大學(xué)上海交通大學(xué)西北工業(yè)大學(xué)大連理工大學(xué)華南理工大學(xué)廈門大學(xué)江蘇科技大學(xué)水聲工程專業(yè)就業(yè)方向 就業(yè)前景比較光明，就業(yè)面寬。畢業(yè)生可在水聲工程及相關(guān)領(lǐng)域中從事海洋聲場分析、水下噪聲及減振降噪、水聲信號處置、聲吶及水聲對抗系統(tǒng)與設(shè)計(jì)、水聲換能器與基陣的研討、設(shè)計(jì)