工程水聲學(xué)原理

1、1.1海洋中為什么使用聲？答：在人們迄今所熟知的各種能量形式中，在水中以聲波的 傳播性能最好。無論是光波還是電磁波，他們在水中的傳播衰減 都非常大，因而在海水中的傳播距離十分有限，遠(yuǎn)不能滿足人類 海洋活動的需要。1.2聲波在水中得以應(yīng)用的根本？答：R=ct，它能將距離與時間進(jìn)行互換。1.3海洋中聲傳播的特點(diǎn)、規(guī)律、研究方法。答：突出特點(diǎn)：由于海洋環(huán)境非常復(fù)雜，海洋中的聲傳播非 常復(fù)雜。規(guī)律：短距離，三維傳播，球面擴(kuò)展，海洋環(huán)境的影響較小， 采用確定性研究方法；長距離上，二維傳播，柱面擴(kuò)展，海洋環(huán) 境影響很大應(yīng)優(yōu)先考慮，用統(tǒng)計(jì)方法研究。1.4水聲學(xué)主要研究課題？答：主要研究攜有某種信息的聲波在水

2、中的產(chǎn)生、傳播和接 收。水聲物理研究聲波在海水中的傳播規(guī)律，水聲工程研究聲波 的產(chǎn)生和接收，包括水聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)和水聲技術(shù)兩部分。2.1 一維線性波動方程及其一般形式與含義其中：m = p/ ， n =匕3.1傳播損失TL的主要原因:擴(kuò)展損失：球面，柱面吸收損失：a = 10既4 10lg12，dB/m,2-13.2 地=10lg7=n-10lgr+ar3.3設(shè)計(jì)聲納時允許的吸收損失：極限距離r上a - r = 10 dB，可由 r T，或 f r4.1各向同性與非各向同性聲源：各向同性聲源：p = W j( W-kr ) r非各向同性聲源：p = B (K)(-kr) ,B(K)指向性函數(shù)。4.

3、2描述指向性的參數(shù):指向性因子：d =右B2dS 1答：一維線性波動方程 - =0，一般形式為如c0 指向性因子：DI = 10 lg ： 2 04.3指向性對SL的意義:V2 p- 丁0，其含義是將聲波隨空間的變化與聲波隨時 c2 dt 2間的變化聯(lián)系起來。無指向性聲源：SL = 10 lg W + 171 dB2.2何為簡諧波，諧波解?有指向性聲源：軸向，SLD(0) = 10 lg W + DI + 171 dB答：隨時間t作正弦或余弦規(guī)律的運(yùn)動，一般稱為簡諧振動，產(chǎn)生的波是簡諧波。諧波解為p (t, x) = ej(w-k)。非軸向，SL = SLD(0) - 10lg 苴=SLD(0

4、) - DL指向性損失：DL = 10 lg tB 22.3 Helmhoz 方程：v 2p(x) + k 2p (x) = 0。2.4自由空間中的聲：p(t,x) = p ej(g)a質(zhì)點(diǎn)振速：u (t, x) = u ej (Sk)， Ua聲阻抗率：Z = 7，特征阻抗：u聲強(qiáng)：I = 丁 j T pudt = 丁 p uPa ；p0 c04.4均勻線陣的指向性B(K )=sinc(K L/2)=K = k sin 0 = Trr sin 0sin(K L/2)KL/2sin( kL sin。)2氏sin 02聲功率：w = j IdS = Etp 0 c0d =艾，DI * 10lg(2

5、.5聲壓與聲強(qiáng)的對數(shù)表示艾)，4.5均勻線列陣指向性(M個陣元，聲壓級：SPL = 20lg 丁 dBpref聲強(qiáng)級：SIL = 10 lg T dB re Iref=6.76X 10-19W/m2。refre2.6平整界面上的聲反射與聲透射rePrefMB= sin(M 秘 sin 0 ) sin(M 氣 sin 0 )M sin( k sin 0 ) Msin( nd sin 0 )d * M，DI=10lgM4.6束控Snell定律：入射角0.與反射角9 :rsin 0 -i -c1i入射角1與透射角0t：聲壓反射系數(shù)：sin 0 = sin 0，即sin 0tc2R p p c cos

6、 0 - p c cos 0 r /cos 0 r /cos 0 mosr2 2i1 1t 2t1ip p c cos 0 + p c cos 0 r / cos 0 + r / cos 0 1 i2 2i1 1t2t1i聲壓透射系數(shù)：mcos0+i，2命 20in 2 一 sin 20i)p 2 p 2 c 2 cos 0 .2 r / cos 0p p c cos 0 + p c cos 0 r / cos 0 + r / cos 0 1 i r2 2 i r1 1 t2 t 1 i2 tm co.門e間距為d)波束圖控制：主要有主瓣寬度ne(0_3dB)旁瓣級、波束指向 角。4.7基陣尺

7、寸設(shè)計(jì)物體橫向尺寸為D，與基陣距離為r，則基陣的波束寬度應(yīng)為門 =De r對均勻線列陣，最小的實(shí)際基陣尺寸是L .minTS = 10 lg(QIi=10 lg。nQemin D fD例15.1目標(biāo)強(qiáng)度TS的定義:距離聲學(xué)中心1米處的反射聲強(qiáng)Ir與入射聲強(qiáng)Ii之比的對 數(shù)，即表示目標(biāo)對輻射聲波的反射能力。5.2大剛性球的目標(biāo)強(qiáng)度：TS = 10 lg 七 I = 10 lg a2，a 為球半徑 i5.3有限長圓柱體的目標(biāo)強(qiáng)度：TS = 10 lg aL2（5）2cos2 9 ，a為柱面半徑，L為主體長 -2人尤-度，X = Esin 9。當(dāng)聲波從正橫方向入射時： 人TS = 10 lg 鬟5.

8、4橢球形物體正橫方向入射時：TS = 20 lg 了，L為球體長軸長度艦艏入射時：TS = 20 lg D2，d為短軸長度46.1海洋為什么可以看成是近似水平分層的介質(zhì)?因?yàn)槁曀僖蕾囉诖怪弊鴺?biāo)z，即c=c（z）。6.2海洋中聲傳播的規(guī)律？Snell 定律：sin9i = sin91 cc對平面波嚴(yán)格成立對波長與聲線彎曲的曲率半徑相比很小的球 聲來源。在淺海，潮汐和海面波浪的海水靜壓力效應(yīng)可能成為壓 敏水聽器的主要低頻（低于1Hz的頻率）噪聲源。海洋湍流是1 至20Hz的十倍頻程范圍的低頻噪聲源。在50至500Hz的十倍頻 程內(nèi)，遠(yuǎn)處行船、遠(yuǎn)處風(fēng)暴是主要的噪聲源，且與行船的密集度 有關(guān)。在500

9、25000Hz的頻率范圍內(nèi)，海面粗糙度（海況、海面 波浪）是噪聲主要來源。超過100kHz頻率上，噪聲主要是熱噪 聲。7.2噪聲的譜級和帶級噪聲的噪聲級（帶級）：NL = 10 lg pN澆10 lg s“b吭p%噪聲的譜級:SNL = 10 lg SnNL = SNL + 10 lg B7.3環(huán)境噪聲、局部噪聲距離局部噪聲源R的距離上，噪聲級為NL = SL - 20 lg R局部噪聲源的譜噪聲級SNL = SL - 20 lg R + 10 lg B7.4陣增益各向同性環(huán)境噪聲，空間噪聲譜密度S與角度Q無關(guān)，AG = 10 lg so = 10 lg l = DIS 0 J B 2 d Q

10、J B 2 d Q非各向同性噪聲，基陣與噪聲同軸：基陣的等立體角Qe大于噪聲的空間立體角Qn時，AG=0；基陣的等立體角Qe小于噪聲的空間立體角Q時，AG = 10 lgS0QnnS0B2 (0)Q%面波也成立。6.3聲線：等相位面：6.4海洋中聲線彎曲的規(guī)律、特點(diǎn)向聲速小的方向彎曲基陣與噪聲不同軸：AG = 10 lg（典n典e）（SaS0） + B2（電, C8.1混響產(chǎn)生的原因、分類混響是指海洋中非均勻體產(chǎn)生的反向散射的總和，主要原因6.5線性聲速剖面中的聲線軌跡?圓弧6.6與聲速有關(guān)的因素：溫度T、深度（壓力p）h、鹽度S。溫度影響最大，隨T、h、S的增大而增大6.7海洋中聲速結(jié)構(gòu)?7

11、.1 Wenz 曲線：在低頻端，噪聲主要受地震活動和湍流的控制；中頻范圍受 風(fēng)動表面波產(chǎn)生的噪聲控制；在超過100kHz頻率上，噪聲主要 是熱噪聲。微震擾動、地殼通常的運(yùn)動是非常低頻率（低于1Hz的頻率） 的主要海洋噪聲源，單次大地震和遠(yuǎn)處火山爆發(fā)也是深海低頻噪 包括：海洋生物、泥沙粒子、氣泡、冷熱水團(tuán)、不平整的海面和 海底。海洋中產(chǎn)生混響的散射體有三種根本不同的類別。一種散射 體存在于海水本身或體積之中，它引起體積混響。海面混響是由 位于海面上或海面附近的散射體產(chǎn)生的。海底混響則是在海底上 或海底附近的散射體所引起的。海面混響和海底混響合成界面混 響。8.2混響強(qiáng)度的度量一等效平面波混響級R

12、L等效平面波混響級RL定義：設(shè)有接收器接收來自聲軸方向 的強(qiáng)度為I入射平面波，接收器輸出端電壓為V，若將此接收器 放置在混響聲場中，聲軸對著目標(biāo)，若在混響場中該接收器輸出 端電壓也為V，則此混響場的等效平面波混響級RL為RL = 10 1g -10I0為參考聲強(qiáng)。等效平面波混響級RL量度了在混響是主要的背景 干擾下，混響干擾的大小?；祉懯请S時間指數(shù)衰減的。8.3體積混響RL = SL + S - 40 1g r + 101g (仃甲 r 2 )=SL + S - 20 1g c + 10 1g (仃甲)r = m，散射強(qiáng)度SL01g七=】01g 3，叫r2產(chǎn)生混 響的體積。8.4界面混響海面混響：RL = SL 401g r + S + 101g (cT r)，海面混響：RL = SL 40 1g r + S + 10 1g (ct r)8.5混響統(tǒng)計(jì)特性：V (，) = a(t )v(t t )，a是)是相應(yīng)于第i個散射體的散 ii射波的隨機(jī)振幅，V (t- )表示單個散射信號的形狀。每個