華北理工水聲學(xué)課件06海洋中的混響

第6章海洋中的混響第十七講海水中氣泡的聲學(xué)特性、海面混響

2本講主要內(nèi)容海水中氣泡的聲學(xué)特性海面表層內(nèi)的空氣泡小氣泡對聲波的吸收作用小氣泡的共振頻率單個(gè)氣泡的散射截面、吸收截面和消聲界面衰減系數(shù)含氣泡水介質(zhì)中的聲速海面混響海面散射的理論處理3本講主要內(nèi)容海面混響海面散射強(qiáng)度關(guān)于海面散射的理論4海水中氣泡的聲學(xué)特性海面表層內(nèi)的空氣泡海面的不平整性及波浪產(chǎn)生的小氣泡對聲波的散射形成海面混響海面混響的特性與水中氣泡的聲學(xué)特性密切相關(guān)小氣泡對聲波的吸收作用小氣泡不屬于吸聲材料；小氣泡群的吸收和散射作用使得聲波通過這種氣泡群后會產(chǎn)生很大衰減。衰減的原因1）氣泡散射—?dú)馀莸拇嬖谑菇橘|(zhì)出現(xiàn)不連續(xù)性；5海水中氣泡的聲學(xué)特性小氣泡對聲波的吸收作用衰減的原因2）氣泡再輻射——在入射聲波作用下，氣泡作受迫振動(dòng)，向周圍介質(zhì)輻射聲能；3）氣泡熱傳導(dǎo)——?dú)馀莸膲嚎s、膨脹產(chǎn)生熱傳導(dǎo)；流體粘滯作用——水介質(zhì)與氣泡的磨擦產(chǎn)生熱能。結(jié)論：氣泡對聲波的衰減來自氣泡的吸收作用和散射作用

6海水中氣泡的聲學(xué)特性小氣泡的共振頻率小氣泡類似于諧振腔，在聲波的作用下，其振動(dòng)機(jī)理類比電路如下：等效彈性系數(shù)—共振質(zhì)量—輻射聲阻—總壓力—7海水中氣泡的聲學(xué)特性小氣泡的共振頻率其中，

為氣泡半徑；

為氣泡的表面積；

為小氣泡的體積；

為作用氣泡的壓力；是氣體等壓比熱和等容比熱的比值，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，由上圖可知小氣泡作受迫振動(dòng)時(shí)的等效機(jī)械阻抗：氣泡的共振頻率：8海水中氣泡的聲學(xué)特性小氣泡的共振頻率例：對于水中的氣泡，取，空氣的設(shè)氣泡在水面附近，則為1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，據(jù)此可得諧振頻率：單位：kHz，a的單位為cm。結(jié)論1）半徑在（0.1~0.01）cm數(shù)量級范圍內(nèi)的氣泡的共振頻率為（3.3~33）kHz，而聲納的工作頻率恰好在此范圍，所以該半徑范圍的氣泡對聲納工作影響最大。9海水中氣泡的聲學(xué)特性小氣泡的共振頻率結(jié)論

2）海水中壓力P0與海水深度d有關(guān)，則深度d處的空氣泡的共振頻率為單位：kHz，a的單位為cm；d的單位為m。單個(gè)氣泡的散射截面、吸收截面和消聲截面根據(jù)機(jī)電類比，小氣泡的散射功率就是消耗在電阻上的功率：10海水中氣泡的聲學(xué)特性單個(gè)氣泡的散射截面、吸收截面和消聲截面

式中，是入射聲的強(qiáng)度。定義散射截面，則單個(gè)氣泡的散射截面：11海水中氣泡的聲學(xué)特性單個(gè)氣泡的散射截面、吸收截面和消聲截面以上兩式表明：聲波頻率與散射功率、散射截面有關(guān)；當(dāng)時(shí)，氣泡處于共振狀態(tài)，散射功率、散射截面達(dá)到最大，分別為：單個(gè)氣泡的的消聲截面＝散射截面＋吸收截面（因?yàn)闅馀莸南曌饔檬怯缮⑸渥饔煤臀兆饔脴?gòu)成）。

12海水中氣泡的聲學(xué)特性衰減系數(shù)定義：平面聲波在含氣泡水中傳播時(shí)的聲強(qiáng)度衰減式中，和分別為聲波傳播方向上相距單位距離的兩點(diǎn)聲強(qiáng)。設(shè)每個(gè)氣泡的消聲截面為，每水介質(zhì)中含有

個(gè)共振氣泡，則衰減系數(shù)為：

dB/m

注意：上式忽略氣泡間的多次散射，僅適用于氣泡濃度不大的情況。13海水中氣泡的聲學(xué)特性含氣泡水介質(zhì)中的聲速含氣泡水中的聲速與氣泡含量、聲波頻率有關(guān)；當(dāng)聲波頻率低于氣泡共振頻率，氣泡的存在使聲速明顯減??；相反，當(dāng)聲波頻率遠(yuǎn)高于共振頻率，氣泡對聲速不產(chǎn)生明顯影響；若聲波頻率就在共振頻率附近，則隨著頻率的變化，聲速發(fā)生劇烈改變。

14海面混響海面混響的理論處理設(shè)收發(fā)合置換能器位于O點(diǎn)，離海面散射層的距離為；收發(fā)換能器指向性分別為、聲源在散射層上的投影點(diǎn)到圓環(huán)內(nèi)側(cè)距離為聲源到圓環(huán)內(nèi)側(cè)的斜距為。

15海面混響海面混響的理論處理海面對混響有貢獻(xiàn)的區(qū)域是厚度為H，寬為的球臺狀圓環(huán)，如圖所示。對于海面混響，也可以像體積混響一樣來推導(dǎo)等效平面波混響級表達(dá)式，不同的是積分體積改變了，散射強(qiáng)度采用界面散射強(qiáng)度

。

16海面混響海面混響的理論處理類似體積混響的理論處理，對混響有貢獻(xiàn)的散射聲強(qiáng)：

提示：只有工作在近海面的聲納才可能受到海面混響的嚴(yán)重干擾，因此可假設(shè)，，，在上述假設(shè)條件下，收發(fā)換能器垂直指向性不起作用，只有水平指向性才起作用，這樣散射面近似在平面內(nèi)，所以有：17海面混響海面混響的理論處理則散射聲強(qiáng)為：

同體積混響一樣，用一個(gè)理想指向性替代發(fā)-收組合指向性束寬：最終，散射聲強(qiáng)為：18海面混響海面混響的理論處理特點(diǎn)1）散射聲強(qiáng)度正比于發(fā)射聲強(qiáng)、發(fā)射聲信號脈沖寬度、發(fā)-收換能器組合指向性束角；2）與距離的三次方成反比，即隨時(shí)間的三次方衰減。海面混響的等效平面波混響級表達(dá)式：19海面混響海面混響的理論處理海面混響等效平面波混響級1）若散射層內(nèi)是均勻的，則恰好就是界面散射強(qiáng)度；則海面混響的等效平面波混響級表達(dá)式：2）若散射層內(nèi)是不均勻的，則20海面混響海面散射強(qiáng)度計(jì)算海面混響的RL，必須知道，因此，對海面混響的研究實(shí)際是對的研究。海上測量結(jié)果表明：海面散射強(qiáng)度與掠射角、工作頻率和海面上風(fēng)速有關(guān)，見右圖（60kHz）。海面散射強(qiáng)度與掠射角、風(fēng)速的關(guān)系分成三個(gè)區(qū)域：21海面混響海面散射強(qiáng)度與掠射角關(guān)系1）掠射角小于300，散射強(qiáng)度幾乎不隨掠射角而變，但隨風(fēng)速增加而增加。原因：氣泡散射，氣泡密度變大。2）掠射角在300~700范圍，散射強(qiáng)度值隨風(fēng)速的增長逐漸變慢。原因：海表面的反向散射是主要原因。3）掠射角在700~900范圍，尤其是在接近正投射情況下，散射強(qiáng)度值反而隨風(fēng)速增加而減小。22海面混響海面散射強(qiáng)度與掠射角關(guān)系3）原因：鏡反射減小，海面破碎程度嚴(yán)重。結(jié)論：在不同掠射角范圍內(nèi)，海面混響產(chǎn)生機(jī)理有所不同。與頻率關(guān)系1）小掠射角角度時(shí)，散射強(qiáng)度為3dB/倍頻程關(guān)系；2）垂直入射時(shí)，此關(guān)系不明顯。23海面混響海面散射強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式Chapman和Harris等人得到了計(jì)算海面反向散射強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)公式（風(fēng)速：0~30節(jié)，頻率：0.4kHz~6.4kHz）關(guān)于海面散射的理論Echart理論將海面看作隨機(jī)不平整表面，混響為海面上次級輻射聲源的貢獻(xiàn)和：24海面混響關(guān)于海面散射的理論Echart理論光柵理論

Marsh等人提出的理論：提示：不涉及風(fēng)速、聲波頻率，不符合海面散射的實(shí)際物理過程。25海面混響關(guān)于海面散射的理論用粗糙度、波長和角度描述

注意：由于海面散射的復(fù)雜性及易變性，以上介紹的理論都只在一定的范圍內(nèi)才能解釋海上實(shí)際測量結(jié)果。第6章海洋中的混響第十八講海底混響、體積混響27本講主要內(nèi)容海底混響海底混響的理論處理海底散射強(qiáng)度關(guān)于海底反向散射的理論解釋混響的統(tǒng)計(jì)特性分布函數(shù)及平均起伏率混響的相關(guān)特性頻率分布混響的預(yù)報(bào)28海底混響海底混響的理論處理海底散射的幾何關(guān)系如右圖所示。收發(fā)合置換能器距離海底高度為H，它們的指向性分別為、。根據(jù)實(shí)際情況，，所以，這使得反向散射過程與換能器垂直指向性基本無關(guān)，故指向性可近似為，。29海底混響海底混響的理論處理類似于體積混響理論處理的推導(dǎo)過程，海底混響的有效散射聲強(qiáng)為：

為海底反向散射強(qiáng)度；面元30海底混響海底混響的理論處理用一個(gè)理想指向性圖替代發(fā)收組合的指向性束寬：由得海底散射聲強(qiáng)：

31海底混響海底混響的理論處理特點(diǎn)1）海底散射聲強(qiáng)度正比于發(fā)射聲強(qiáng)、發(fā)射聲信號脈沖寬度、收-發(fā)組合指向性束寬；2）與距離的三次方成反比，即隨時(shí)間三次方衰減海底混響的等效平面波混響級表達(dá)式：海底散射強(qiáng)度

海底散射強(qiáng)度主要受底質(zhì)、掠射角和頻率影響。32海底混響海底散射強(qiáng)度與聲波頻率的關(guān)系

1）比較平滑的海底（泥漿底或砂底）：在很寬頻率范圍內(nèi)，隨頻率以3dB/倍頻程增大；2）巖石、砂和巖石及淤泥、貝殼海底：與頻率基本無關(guān)。

解釋：海底粗糙程度影響散射過程：粗糙度大于波長，海底反向散射與頻率無關(guān)；粗糙度小于波長時(shí)，散射強(qiáng)度隨頻率增大。根據(jù)海底散射強(qiáng)度隨頻率變化，將海底粗糙度分為三類。33海底混響海底散射強(qiáng)度與聲波頻率的關(guān)系

根據(jù)海底散射強(qiáng)度隨頻率變化，將海底粗糙度分為三類。有不大起伏的深海海底平原。粗糙度大體與波長相比擬，散射強(qiáng)度隨頻率而增長；多有水下山脈，海底不平。散射強(qiáng)度無明顯頻率關(guān)系，可用Lambert定律描述；介于以上兩類海區(qū)。散射強(qiáng)度亦介于兩類海區(qū)散射強(qiáng)度隨角度和頻率的變化關(guān)系之間。34海底混響海底散射強(qiáng)度與海底底質(zhì)和角度的關(guān)系在沿海各個(gè)站位上測量得低頻海底反向散射強(qiáng)度到的海底反向散射強(qiáng)度與掠射角的關(guān)系35海底混響海底散射強(qiáng)度與海底底質(zhì)和角度的關(guān)系

常識：海底散射強(qiáng)度大于海水的體積散射和海面散射強(qiáng)度，對于工作在近海底的主動(dòng)聲納來講，海底混響可能成為主要干擾背景。關(guān)于海底反向散射的理論解釋產(chǎn)生散射的主要原因是海底的起伏不平整性及表層的粗糙度；海底對聲波的散射作用的本質(zhì)是將投射到海底的聲能量在空間中進(jìn)行了重新分配；強(qiáng)粗糙面上的散射問題可用蘭伯特（Lambert）定律描述。36混響的統(tǒng)計(jì)特性分布函數(shù)及平均起伏率混響是一個(gè)非平穩(wěn)隨機(jī)過程，隨時(shí)間而衰減—平穩(wěn)化處理—補(bǔ)償放大器補(bǔ)平平均強(qiáng)度—只改變平均值、沒有改變混響過程的相對起伏大小?；祉懰矔r(shí)值：式中，

是散射波的隨機(jī)幅度；是單個(gè)散射信號的形狀。37混響的統(tǒng)計(jì)特性分布函數(shù)及平均起伏率

當(dāng)發(fā)射信號的頻譜不太寬時(shí)，假設(shè)每個(gè)散射波的相位在內(nèi)隨機(jī)取值，此時(shí)混響瞬時(shí)值滿足正態(tài)分布規(guī)律，概率密度為混響振幅的分布規(guī)律：

可以證明，凡是幅度幾乎相同，而相位是

均勻分布的振動(dòng)迭加后得到的信號，其振幅服從瑞利分布。38混響的統(tǒng)計(jì)特性分布函數(shù)及平均起伏率

混響振幅的概率密度函數(shù)為

起伏率：

結(jié)論：對于瑞利分布而言，起伏率為52%。39混響的統(tǒng)計(jì)特性混響的相關(guān)特性兩個(gè)水聽器接收到的散射波聲壓為當(dāng)散射體到水聽器的距離遠(yuǎn)大于水聽器間距時(shí)，40混響的統(tǒng)計(jì)特性混響的相關(guān)特性將V1、V2相乘，取時(shí)間平均得：

相關(guān)系數(shù)：41混響的統(tǒng)計(jì)特性混響的相關(guān)特性積分得到單個(gè)散射源的散射聲場相關(guān)系數(shù)：混響的相關(guān)系數(shù)：如果水聽器的水平指向性開角為，且、42混響的統(tǒng)計(jì)特性混響的相關(guān)特性相關(guān)系數(shù)隨

的衰減變化特點(diǎn)1）相關(guān)系數(shù)隨水聽器間距作振蕩衰減；2）相關(guān)系數(shù)與頻率有關(guān)。43混響的統(tǒng)計(jì)特性頻率分布正弦填充脈沖聲納的混響在頻率上與發(fā)射頻率不完全相合，在頻率兩側(cè)都有頻移；發(fā)射脈沖有一定的頻寬；發(fā)射脈沖寬度為時(shí)，其頻寬近似為?；祉懙念A(yù)報(bào)例題：設(shè)聲納工作頻率為50kHz，聲源級為120dB，發(fā)射信號脈沖寬度1ms，換能器為0.3m長的線狀換能器，置于泥漿海底上方30m處，求離底斜距為180m處的海底混響等效平面波混響級。44混響的預(yù)報(bào)解：

分析：依海底等效平面波混響級公式，要求海底混響級，首先要求解聲源級、海底散射強(qiáng)度、換能器組合束寬。聲源掠射角由右圖可得：聲源45混響的預(yù)報(bào)解：海底散射強(qiáng)度由掠射角和泥漿海底條件，由圖6-15的曲線查得

dB等效波束寬度

聲納工作頻率50kHz，相應(yīng)的波長為0.03m，又換能器為0.3m長的柱狀換能器，所以由表6-3查得弧度聲源46混響的預(yù)報(bào)解：混響面積

m2

等效平面波混響級RLdB本章作業(yè)6.3體積混響1、對混響有貢獻(xiàn)的區(qū)域

海洋中所有散射體的散射波不會都在同一時(shí)刻到達(dá)接收器：它們距離聲源和接收器的距離遠(yuǎn)近不一樣，入射聲波照射到散射體的時(shí)刻有先有后。某時(shí)刻的混響是該時(shí)刻所有到達(dá)接收器的散射波的總和。結(jié)論：海洋中部分散射體對某時(shí)刻的混響有貢獻(xiàn)。6.3體積混響1、對混響有貢獻(xiàn)的區(qū)域以體積混響為例：考慮收發(fā)合置情況，位于O點(diǎn)，發(fā)射脈沖寬度為，根據(jù)球面擴(kuò)展假設(shè)，該脈沖在海水中形成一個(gè)厚度為的擾動(dòng)球殼層，發(fā)射脈沖結(jié)束后的時(shí)刻，該擾動(dòng)球的內(nèi)外半徑為：OCBAr1r0r26.3體積混響1、對混響有貢獻(xiàn)的區(qū)域解釋：球殼內(nèi)的散射體在時(shí)刻的散射波，不能在同一時(shí)刻傳到接收器。球殼內(nèi)層半徑為r1的A點(diǎn)脈沖后沿激發(fā)的散射波在時(shí)刻開始傳向接收點(diǎn)；而半徑為r0的B點(diǎn)，脈沖前沿在時(shí)刻開始向接收點(diǎn)發(fā)出散射波，到達(dá)A點(diǎn)的時(shí)刻恰好也是，它們可在t時(shí)刻同時(shí)到達(dá)接收點(diǎn)。注意：注意脈沖的前沿和后沿。位于r1和r0之間的散射體都和B點(diǎn)類似，都會對t時(shí)刻的混響有貢獻(xiàn)。上述推導(dǎo)也適用于海面和海底混響，圓環(huán)替代球殼。OCBAr1r0r26.3體積混響2、體積混響理論體積混響的等效平面波混響級：假設(shè)散射體為均勻分布，指向性發(fā)射器的指向性為。6.3體積混響2、體積混響理論體積混響的等效平面波混響級：(1)單位距離處的軸向聲強(qiáng)為I0，則在空間方向上的聲強(qiáng)為；(2)考慮方向上r處有一體積為dV的體積散射體，根據(jù)上節(jié)假設(shè)（1），dV處的入射聲強(qiáng)度為；(3)根據(jù)散射強(qiáng)度定義：，令，則可得在返回聲源方向距離dV單位距離處的散射聲強(qiáng)度為；6.3體積混響2、體積混響理論體積混響的等效平面波混響級：(4)在入射聲波作用下，由dV產(chǎn)生的返回聲源處的散射聲強(qiáng)度為；(5)設(shè)接收器指向性為（收發(fā)合置則有），則對接收器輸出端有貢獻(xiàn)聲強(qiáng)絕對值為。(6)總的散射聲強(qiáng)為：

6.3體積混響2、體積混響理論體積混響的等效平面波混響級：(7)根據(jù)假設(shè)，每個(gè)散射體元有相同貢獻(xiàn)，總散射聲強(qiáng)絕對值：(8)根據(jù)混響級定義和上式，體積混響等效平面波混響級為：6.3體積混響2、體積混響理論積分計(jì)算：對體積混響有貢獻(xiàn)的體積是厚度為的球殼層，則有：

代入等效平面波混響級積分公式得：

體積元對接收點(diǎn)所張立體角

一般不易求得，若將其視為發(fā)射-接收組合束寬，則可以用一理想的等效指向性來替代它。6.3體積混響2、體積混響理論積分計(jì)算：用理想指向性替代實(shí)際合成指向性，則等效平面波混響級為：

設(shè)有立體角，具有如下指向性：在立體角內(nèi)，相對響應(yīng)為1；在立體角外，響應(yīng)為零，即6.3體積混響2、體積混響理論等效平面波混響級：發(fā)射聲信號聲源級

產(chǎn)生混響體積

散射體到接收器之間的距離

散射強(qiáng)度

6.3體積混響2、體積混響理論體積混響等效平面波混響級的理論公式：變化規(guī)律：混響聲強(qiáng)與入射聲強(qiáng)度、發(fā)射信號的脈沖寬度、發(fā)射-接收換能器的組合指向性束寬等量成正比，與混響時(shí)間的平方成反比，與散射體元的散射強(qiáng)度也有關(guān)。常識：如何減小混響，即如何抗混響？在不影響作用距離的前提下，適當(dāng)減小發(fā)射信號聲功率；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。6.3體積混響2、體積混響理論如何提高主動(dòng)聲納的作用距離？

6.3體積混響3、深水體積混響源及其特征概念：回聲強(qiáng)度強(qiáng)的水層稱為深水散射層（DSL），它是體積混響的主要來源。混響源：生物性：磷蝦科動(dòng)物、烏賊和撓足類動(dòng)物；非生物性：塵粒和砂粒、溫度不均勻水團(tuán)、海洋湍流、艦船尾流。特點(diǎn)：有一定厚度；深度不固定不變的，具有晝夜遷