水聲學(xué)原理第一章-課件

2023/7/23水聲學(xué)原理第一章2水聲學(xué)原理第一章1.1海洋與水聲技術(shù)1、為什么用水聲技術(shù)

海洋占據(jù)地球表面約70％的面積；

海洋是人類開展交通運(yùn)輸、軍事斗爭和獲取資源的場所。這就必須有觀測、通訊、導(dǎo)航、定位的工具。水聲技術(shù)在其中扮演了重要的角色。聲波是迄今為止在水中唯一能有效地遠(yuǎn)距離傳遞信息地物理場。

電磁波在水中的衰減：不能在水中遠(yuǎn)距離傳播聲波由于介質(zhì)吸收引起的衰減：能遠(yuǎn)距離傳播聲波與電磁波衰減之比：10kHz聲波水中衰減僅約1分貝/公里電磁波為4500分貝/公里

其它物理場：磁場、水壓場、尾流場、溫度場，也是可以檢測，但可檢測距離大致與源本身尺度同一量級，不能在水中遠(yuǎn)距離傳遞信息。3水聲學(xué)原理第一章聲吶與雷達(dá)的工作原理相似。但由于信息載體－聲波與電磁波的差異決定了聲吶和雷達(dá)有重要差別。a.電磁波速度30萬公里/秒,聲波在水中1.5公里/秒。決定：工作頻率差別大。雷達(dá)頻率約GHz（Hz）聲吶頻率約kHz（Hz）工作速率差別大。雷達(dá)搜速快，聲吶搜索慢分辨率差。聲圖象模糊。b.聲吶受海洋信道影響大。聲吶環(huán)境比雷達(dá)環(huán)境復(fù)雜得多。c.聲吶的作用距離近。4水聲學(xué)原理第一章水聲技術(shù)吶是研究聲波在水中的發(fā)射、傳輸、接收、處理的專門技術(shù)。包括：a.水聲換能器和基陣－水聲傳感器系統(tǒng)；b.水聲物理－海洋信道的傳播、混響、散射、噪聲特性和各種水聲目標(biāo)特性；c.水聲設(shè)備－水聲信號處理、水聲電子技術(shù)。水聲技術(shù)的成果突出反映在兩個方面1、聲吶性能的不斷提高：探測距離原來越遠(yuǎn)、對目標(biāo)的定位、跟蹤能力越來越強(qiáng)2、應(yīng)用聲自導(dǎo)或聲引信的水中兵器（魚雷、水雷、深水炸彈等）的作戰(zhàn)能力不斷提高。因此，現(xiàn)代艦艇在水下面臨的威脅與水聲技術(shù)的水平有直接的關(guān)系。聲隱身性能是潛艇水下隱蔽性的核心。5水聲學(xué)原理第一章1490年達(dá)芬奇就提出聲納的原始概念泰坦尼克號的沉沒，開始最初的聲納設(shè)計第一次世界大戰(zhàn)的爆發(fā)促進(jìn)了一系列軍用聲納的發(fā)展（值得一提的是郎之萬在換能器上的貢獻(xiàn)，并測得了水中1500米外潛艇回波）一戰(zhàn)和二戰(zhàn)之間水聲工程一直緩慢而穩(wěn)步發(fā)展,最大的成就是對海洋聲傳播機(jī)理的認(rèn)識。（如“下午效應(yīng)”現(xiàn)象的解釋）二戰(zhàn)期間為了探測德國潛艇，水聲工程有了很大發(fā)展，出現(xiàn)了大量新的理論和技術(shù)戰(zhàn)后水聲工程隨著計算機(jī)和電子計算發(fā)展，水聲工程的應(yīng)用在軍用、民用領(lǐng)域更為廣泛。6

聲吶（聲納）-SONAR(SoundNavigationandRanging)

凡是利用水下聲信息進(jìn)行探測、識別、定位、導(dǎo)航和通訊的系統(tǒng)，都通稱為聲吶系統(tǒng)。聲吶的主要應(yīng)用是軍用聲吶。按工作方式可以分為：主動聲吶和被動聲吶。

按安裝平臺分可以分為：潛艇聲吶：潛艇上的電子設(shè)備是聲吶。一般核潛艇裝有10～15部聲吶。主要有：艏部主、被動綜合聲吶；被動測距聲吶；舷側(cè)陣聲吶；拖曳線列陣聲吶。水面艦聲吶：艦艏聲吶；變深拖曳聲吶；拖曳線列陣聲吶。機(jī)載聲吶和浮標(biāo)：吊放聲吶；聲吶浮標(biāo)。海洋水聲監(jiān)視系統(tǒng)：岸站（岸邊海底固定式聲吶）；預(yù)警系統(tǒng)水聲對抗器材：魚雷報警聲吶；聲誘餌；干擾器；氣幕彈水中兵器自導(dǎo)：魚雷聲自導(dǎo)；水雷聲引信；其它：通訊儀、魚探儀、多普勒測速儀、淺地層剖面儀等。水聲學(xué)原理第一章7水聲學(xué)原理第一章8水聲學(xué)原理第一章德國ATLAS公司研制的拖曳線列陣英國、法國聯(lián)合研制的舷側(cè)陣聲吶TSM2253德國ATLAS公司研制的ASA92－25主動拖曳線聲吶英國、法國聯(lián)合研制的投吊聲吶美國LockheedMartin公司研制的被動測距聲吶PUFFS美國DTI公司研制的合成孔徑聲吶9水聲學(xué)原理第一章聲學(xué)中采用分貝計量的原因：聲學(xué)量的變化大到六、七個數(shù)量級以上從竊竊私語到大型噴氣式飛機(jī)起飛的聲功率差十個數(shù)量級；人耳的聽閾在頻率1kHz時是20μPa（微帕），痛閾是20Pa，相差六個數(shù)量級；在水中，一艘老式潛艇的輻射總聲功率達(dá)到數(shù)瓦，而新型的低噪聲潛艇不到1微瓦，相差六、七個數(shù)量級。人耳（儀器）的響應(yīng)近似與聲壓或聲強(qiáng)的對數(shù)成比例。

因此聲學(xué)中定義一個以對數(shù)為基礎(chǔ)的分貝單位，水聲也一直沿用。10水聲學(xué)原理第一章聲壓、聲強(qiáng)和聲功率用級和分貝（dB）來量度。他們是：參考值11水聲學(xué)原理第一章注意參考值不同產(chǎn)生的聲級差別:1971年以前曾用：=20μPa＝2×10－4達(dá)因/厘米2，換算到現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)要加26分貝。＝1達(dá)因/厘米2＝1μb（微巴）＝10－5μPa，換算到現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)要加100分貝。俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)＝20μPa由于空氣聲和水聲參考值的不同，艙室內(nèi)聲級為L分貝的噪聲若無損耗地傳到水下將變成L＋26分貝的水噪聲。12水聲學(xué)原理第一章固體介質(zhì)中的結(jié)構(gòu)噪聲用振動來描述，它的分貝定義實際上就是振動量的分貝定義。加速度級速度級位移級加速度、速度和位移參考值是：米/秒2，米/秒，米。應(yīng)當(dāng)指出的是，雖然結(jié)構(gòu)噪聲級與振動級的定義相同，但實際測量和評價方法有區(qū)別的。因為結(jié)構(gòu)噪聲要反映連續(xù)彈性體的振動特性，所以用一個點(diǎn)的振動級是無法描述的。通常要用結(jié)構(gòu)的整個輻射面上大量測點(diǎn)的統(tǒng)計平均來描述。13水聲學(xué)原理第一章物理量的乘除運(yùn)算變成加減運(yùn)算。例如在聲學(xué)測量中，用靈敏度等于S

伏/μPa的水聽器接收，經(jīng)過放大倍數(shù)等于K的放大器放大后得到電壓V伏。水聽器輸入端的聲壓是:

（μPa）聲壓級:如果水聽器靈敏度、聲學(xué)測量放大器的放大倍數(shù)都用分貝表示，只要簡單的加減運(yùn)算就可以求出聲壓級。14水聲學(xué)原理第一章聲學(xué)中不僅聲學(xué)量用分貝表示，它們的誤差范圍也用誤差表示，例如。用分貝表示的誤差與百分比誤差的換算關(guān)系：設(shè)聲壓是分貝表示是，則有，圖給出其關(guān)系曲線：15水聲學(xué)原理第一章聲學(xué)中最常見的冪次規(guī)律:以為橫坐標(biāo)聲級是一條直線。從直線的斜率可以確定冪次n。最方便的方法是根據(jù)頻率加倍時聲級減小的分貝數(shù)得到聲強(qiáng)隨頻率衰減規(guī)律聲強(qiáng)隨距離衰減規(guī)律16水聲學(xué)原理第一章相干疊加在討論分貝運(yùn)算法則前先要搞清楚聲場的疊加原則。因為聲壓場是標(biāo)量場，具有可加性。但是，它又是一個波動場，既有振幅又有相位。相干疊加：當(dāng)兩個以上的有規(guī)聲波疊加時要同時計及振幅和相位，若是同頻率的聲波疊加會發(fā)生干涉現(xiàn)象。若是頻率相差不多的兩個聲波疊加會發(fā)生“拍”。這些情況稱為相干疊加：

水下聲基陣形成指向性就是靠聲波到達(dá)不同陣元的相位差。能量疊加：當(dāng)兩個以上的隨機(jī)噪聲疊加時，由于相位是隨機(jī)的，噪聲要按強(qiáng)度或能量疊加。因為相位的隨機(jī)性導(dǎo)致所有的交叉項，所以。相當(dāng)于按強(qiáng)度或能量疊加。有時候幾個噪聲之間有一定的相干性，但是相干性無法估計或測量，也采用能量疊加的原則處理。其結(jié)果是對相干疊加的一種平均。所以，能量疊加是噪聲場疊加的基本原則。因此也是分貝計算的指導(dǎo)原則。17水聲學(xué)原理第一章1.6.4.1噪聲疊加特例:N個聲級相同的噪聲疊加，總聲級是單個噪聲聲級加分貝。當(dāng)N＝2即兩個聲級相同的噪聲疊加，總聲級增加分貝。當(dāng)聲級為的N個噪聲疊加時，按強(qiáng)度疊加得到總聲強(qiáng)和總聲級：18水聲學(xué)原理第一章在實際工作中有時需要從總的噪聲中減去某個噪聲成分，例如在噪聲測量中扣除已知的背景干擾。假設(shè)總噪聲級是，背景干擾級是，扣除后的噪聲級是：圖給出修正量與聲級差的關(guān)系曲線。為了保證合理的精度，背景干擾至少要比總聲級低3dB。若背景干擾比總聲級低10dB以上就可以不修正。

19水聲學(xué)原理第一章對噪聲級進(jìn)行多次測量需要計算其平均值。設(shè)N次測量的噪聲級分別是，應(yīng)根據(jù)聲強(qiáng)的算術(shù)平均值計算平均噪聲級:若各次測量的噪聲級的差值小于3dB，則可以直接取噪聲級的算術(shù)平均值代替上式，得到：其誤差不超過0.5dB；若各次測量的噪聲級的差值小于5dB，誤差不超過0.7dB。20水聲學(xué)原理第一章

已知總噪聲級為140dB，它由三個聲級相同的噪聲疊加而成。可以求出每個噪聲源的聲級是135.2dB。三種降噪方案的效果是：方案一、將其中一個噪聲源降低10dB，另外兩個不變，總噪聲級只下降1.6dB；方案二、將其中的兩個噪聲源降低10dB，總噪聲級下降了4dB；方案三、將三個噪聲源都下降10dB，總噪聲級也下降10dB。

例：已知總噪聲級由N個聲級分別是的噪聲疊加而成。當(dāng)這N個噪聲分別降低分貝后，總聲級降低為:總降噪量是:21水聲學(xué)原理第一章水聲信號、特別是噪聲信號常常包含有多種頻率成分，能量分布在一個頻帶寬度內(nèi)。定義單位頻帶寬度1Hz內(nèi)的聲強(qiáng)度為聲強(qiáng)譜密度，用函數(shù)表示。譜密度的分貝表示稱為譜密度級。將譜密度函數(shù)在整個頻帶內(nèi)積分就等于總強(qiáng)度：在頻率f附近帶寬內(nèi)的聲強(qiáng)是：用分貝表示：稱為頻帶級，頻帶級等于譜密度級加。上面的分貝計算法則同樣適用于頻帶級和譜密度級的計算。潛艇輻射噪聲22水聲學(xué)原理第一章用聲壓表示時：參考值應(yīng)該理解為：

在聲學(xué)測量中用到兩種濾波器：恒定帶寬濾波器：低頻時分析太粗，高頻分析太細(xì)，無法兼顧。恒定百分比或Q濾波器：用的多，人耳聽覺模型是其的組合。聲學(xué)中的恒定百分比濾波器稱為倍頻程濾波器。23水聲學(xué)原理第一章設(shè)是濾波器的下限頻率設(shè)是濾波器的下限頻率n倍頻程濾波器的數(shù)學(xué)定義為：或中心頻率為：帶寬：n=11/1倍頻程（1/1oct）n=1/31/3倍頻程（1/3oct）

對于1/3oct來講，是在間隔為1倍頻程的兩個頻率之間再插入兩個頻率，使這4個頻率之間依次相距1/3倍頻程，即這4個頻率值按比例為：，近似為。ISO規(guī)定1~10Hz之間劃分10個頻段，中心頻率為：1:1.25:1.60:2.0:2.5:3.15:4.0:5.0:6.3:8.0:10.0。這樣的取值得好處是，可使每隔10個1/3倍頻程頻段的兩端頻率正好相差10倍，還可以使每隔3個1/3倍頻程頻段為一個1/1倍頻程頻段。24水聲學(xué)原理第一章距離單位：英尺（feet），1英尺＝12英寸＝0.3048米

千碼（Kiloyard）,1千碼＝3000英尺＝914.4米 海里（Nauticalmile）,1海里＝1853米 鏈,1鏈=1/10海里深度單位：英尺?。╢athom）,1潯＝2碼＝6英尺＝1.83米速度單位：節(jié)（kont），1節(jié)＝1海里/小時＝0.5米/秒25水聲學(xué)原理第一章水聲探測技術(shù)包括主動方式和被動方式。相應(yīng)的聲吶也分為主動聲吶和被動聲吶。主動聲吶：由探測設(shè)備主動的發(fā)射聲波，通過接收、分析目標(biāo)回波實現(xiàn)對目標(biāo)的探測、定位和識別。

特點(diǎn)：定位和測距精度高，容易暴露自己，非隱蔽探測，今年來又逐漸重要。被動聲吶：由探測設(shè)備被動的接收、分析目標(biāo)發(fā)出的噪聲對目標(biāo)進(jìn)行探測、定位和識別。特點(diǎn)：定位和測距精度不如主動聲吶高，是隱蔽探測，是目前主要探測方式，被動聲吶包括：水雷引信、魚雷自導(dǎo)、艦艇被動聲吶、拖曳線列陣、海岸預(yù)警系統(tǒng)。檢測閾(DT)指向性指數(shù)(DT)噪聲級(NL)傳播損失(TL)聲源級(SL)檢測閾(DT)指向性指數(shù)(DI)聲源聲源級(DT)噪聲級(NL)傳播損失(TL)傳播損失(TL)目標(biāo)強(qiáng)度(TS)噪聲級(NL)被動聲吶主動聲吶26水聲學(xué)原理第一章聲吶是為了完成特定使命而構(gòu)成的水聲系統(tǒng)。它的性能取決于目標(biāo)、傳輸信道和接收、處理設(shè)備的特性。聲吶方程是將這三者聯(lián)系在一起的一個關(guān)系式。它是聲吶系統(tǒng)工作時必須服從的一個關(guān)系式。應(yīng)用這個關(guān)系式可以對聲吶系統(tǒng)的工作特性作出估計和預(yù)報，是聲吶設(shè)計的基礎(chǔ)。無論聲吶系統(tǒng)如何復(fù)雜，要完成一定的使命必須保證在其輸入端滿足：或：這里檢測閾是接收、處理設(shè)備對信號作出判決的一個閾值，用DT表示。DT取決于：1、使命的性質(zhì)；2、完成使命的質(zhì)量，通常用檢測概率和虛驚概率來表示。3、接收、處理設(shè)備的能力。27水聲學(xué)原理第一章在聲吶方程中出現(xiàn)的聲吶參數(shù)可分為三類：由聲吶系統(tǒng)決定的參數(shù)，包括：聲源級SL：、自噪聲級NL、空間增益GS（或DI）、時間增益GT、檢測閾DT；取決與被探測目標(biāo)的參數(shù)，包括：輻射聲源級SL、目標(biāo)強(qiáng)度TS；取決于環(huán)境的參數(shù)，包括：傳播損失TL、海洋環(huán)境噪聲級NL、等效平面波混響級RL其中兩對參數(shù)用了相同的符號(SL與NL)，因為它們本質(zhì)上是相同的。這些參數(shù)都用分貝（dB）表示，通常還與頻率有關(guān)。下面我們分別介紹這些參數(shù)的定義。28水聲學(xué)原理第一章聲源級SL用來描述主動聲吶所發(fā)射的聲信號強(qiáng)弱，定義為：I是發(fā)射換能器聲軸上離聲源中心1米處的聲強(qiáng)，I0是參考聲強(qiáng)，約為:。為了有效地提高主動聲納的作用距離，它的發(fā)射器總是做成具有一定的發(fā)射指向性，使它所發(fā)射的聲能主要集中于空間某一方向(通常就是目標(biāo)所在的方向)，其余方向上則僅有很少量的發(fā)射聲能，下圖形象地表示了這種發(fā)射指向性特性。描述發(fā)射換能器的這種特性的參數(shù)為DIT。29水聲學(xué)原理第一章定義為：設(shè)有兩個發(fā)射相同聲功率的發(fā)射器，一個具有發(fā)射指向性，另一個無發(fā)射指向性，又設(shè)在它們各自的輻射聲場的遠(yuǎn)場測量聲強(qiáng)，測量距離相同，測得無指向性發(fā)射器輻射聲強(qiáng)度為IND。在指向性發(fā)射器聲軸上測得的聲強(qiáng)度為ID。見上圖．則指向性發(fā)射器的發(fā)射指向性指數(shù)DTI可見，發(fā)射指向性指數(shù)DIT實際上就是在相同的距離上，指向性發(fā)射器聲軸上的聲級高出無指向性發(fā)射器輻射聲場聲級的分貝數(shù)。DIT值愈大，就表示了聲能在聲軸方向集中的程度愈高，也就是獲得了一定的空間增益，也可以表述為GS，就愈有利于增加設(shè)備的作用距離。所以，近代主動聲吶的發(fā)射器，都在造價、工程實施等允許的條件下，盡可能地提高發(fā)射指向性指數(shù)。30水聲學(xué)原理第一章發(fā)射器的聲源級反應(yīng)了發(fā)射器輻射聲功率的大小，它們之間有著簡單的函數(shù)關(guān)系。設(shè)在無吸收的介質(zhì)中有一個輻射聲功率為Pa(w)的點(diǎn)聲源，根據(jù)聲學(xué)基礎(chǔ)知識可知，距此聲源聲中心單位距離處的聲強(qiáng)度為：注意到：，可以得到發(fā)射聲源級SL：對于一個發(fā)射聲功率為Pa(w)、指向性指數(shù)為DIT的指向性發(fā)射器，聲源級SL：

目前，船用聲納的輻射聲功率范圍為幾百瓦到幾十干瓦，發(fā)射指向性指數(shù)為10~30dB,所以其聲源級范圍約為210dB到240dB。31水聲學(xué)原理第一章

海水介質(zhì)是一種不均勻的非理想介質(zhì)，由于介質(zhì)本身的吸收、聲傳播過程中波陣面的擴(kuò)展及海水中各種不均勻性的散射等原因，聲波在傳播過程中，聲傳播方向上的聲強(qiáng)度將會逐漸減弱，傳播損失TL定量地描述了聲波傳播一定距離后聲強(qiáng)度的衰減變化，它定義為：式中，I1是離聲源聲中心1m處的聲強(qiáng)度；Ir是距離聲源r處的聲強(qiáng)度。上式定義的傳播損失TL值總為正值。32水聲學(xué)原理第一章

對于主動聲吶而言，它是利用目標(biāo)回波來實現(xiàn)檢測的。由聲學(xué)基礎(chǔ)知識可知，目標(biāo)回波的特性除和聲波本身的特性如頻率、波陣面形狀等因素有關(guān)外，還與目標(biāo)的特性如幾何形狀、組成材料等有關(guān)，也就是說，即使是在同樣的入射波照射下，不同目標(biāo)的回波也將是不一樣的。這一現(xiàn)象反應(yīng)了目標(biāo)反射本領(lǐng)的差異。水聲技術(shù)中，通常用目標(biāo)強(qiáng)度TS定量描述目標(biāo)反射本領(lǐng)的大小，它定義為式中，Ii入是目標(biāo)處入射聲波的強(qiáng)度；Ir=1是在入射聲波相反的方向上、離目標(biāo)聲中心1m處的回波強(qiáng)度。目標(biāo)強(qiáng)度是目前我們這個研究小組的主要研究方向。33水聲學(xué)原理第一章

海水介質(zhì)中，存在著大量的、各種各樣的噪聲源。它們各自發(fā)出的聲波構(gòu)成了海洋環(huán)境噪聲。這種環(huán)境噪聲，對聲納設(shè)備的工作無疑是一種干擾。環(huán)境噪聲級NL就是用來度量環(huán)境噪聲強(qiáng)弱的一個量，它定義為：式中，IN是測量帶寬內(nèi)（或lHz頻帶內(nèi))的噪聲強(qiáng)度。I0是參考聲強(qiáng)。34水聲學(xué)原理第一章對于主動聲納來說，除了環(huán)境噪聲是背景干擾外，很響也是一種背景干擾。關(guān)于海水混響的研究指出，混響不同于環(huán)境噪聲．它不是平穩(wěn)的，也不是各向同性的。為了定量描述混響干擾的強(qiáng)弱，我們引入聲納參數(shù)等效平面波混響級NL。設(shè)有強(qiáng)度為I的平面波軸向入射到水聽器上，水聽器輸出某一電壓值；如將此水聽器移置于混響場中，使它的聲軸指向目標(biāo)，在混響聲的作用下，水聽器也輸出一個電壓。如果這兩種情況下水聽器的輸出相等，那么，就用該平面波的聲級來度量混響場的強(qiáng)弱，稱為等效平面波混響級RL。

具體的計算方法和公式我們將在以后的課程中詳細(xì)討論。輸出電壓VI輸出電壓V平面波混響場35水聲學(xué)原理第一章接收換能器的接收指向性指數(shù)的定義是：設(shè)有兩個水聽器．一個無指向性，另一個有指向性，且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，設(shè)為單位值?，F(xiàn)將它們置于單位立體角內(nèi)的噪聲功率為Ii的各向同性噪聲場中，此時無指向性水聽器產(chǎn)生的均方電壓是：有指向性水聽器產(chǎn)生的均方電壓是：則：歸一化聲束圖案函數(shù)36水聲學(xué)原理第一章

聲吶設(shè)備的接收器工作在噪聲環(huán)境中，既接收聲納信號，也接收背景噪聲，相應(yīng)地其輸出也由這兩部分組成。因此這兩部分比值的大小將直接影響設(shè)備的工作質(zhì)量，即如果接收帶寬內(nèi)的信號功率(或均方電壓)與1Hz帶寬內(nèi)(或工作帶寬內(nèi))的噪聲功率(或均方電壓)的比值較高，則設(shè)備就能正常工作，它作的“判決”也是可信的；反之，上述的信噪比值比較低時，設(shè)備就不能正常工作，它作出的“判決”也就不可信。在水聲技術(shù)中，習(xí)慣上將設(shè)備剛好能正常工作所需的處理器輸入端的信噪比值(用分貝表示)稱作檢測閡，它定義為：

由檢測閾定義可知，對于完成同樣職能的聲吶來說，檢測閾值較低的設(shè)備，其處理能力較強(qiáng)，其性能也較好。37水聲學(xué)原理第一章聲吶信號處理中要完成一系列的過程，這中間時間積累是不可缺少的，因為隨機(jī)信號的起伏特征只有依靠時間積累才能去除。時間增益定義為：其中(SNR)out是系統(tǒng)輸出信噪比，(SNR)in是系統(tǒng)輸入信噪比。對于被動聲吶和主動聲吶的最佳檢測系統(tǒng)來說，其時間增益GT為：被動聲吶最佳檢測系統(tǒng)：是噪聲相關(guān)特性的一個度量，可以認(rèn)為是相關(guān)半徑。是噪聲的自相關(guān)函數(shù)主動聲吶最佳檢測（匹配濾波）系統(tǒng)：信號脈寬或是輸入信號帶寬信號帶寬對于方波調(diào)制的單頻信號2WT＝1于是GT=0dB38水聲學(xué)原理第一章檢測閾(DT)指向性指數(shù)(DI)聲源聲源級(SL)噪聲級(NL)傳播損失(TL)傳播損失(TL)目標(biāo)強(qiáng)度(TS)噪聲級(NL)對于主動聲吶，回聲信號級是自身發(fā)射的信號傳播到目標(biāo)并經(jīng)過目標(biāo)反射回到聲吶接收端的值，表示為SL-2TL-TS。主動聲吶的干擾在多數(shù)情況下是混響級RL，當(dāng)探測距離較遠(yuǎn)時也可能是噪聲背景NL，這里的噪聲包括海洋環(huán)境噪聲和艦艇自噪聲。這樣單水聽器接收的信號信噪（混）比為：(SNR)in=SL-2TL+TS-RL混響背景下：噪聲背景下：(SNR)in=SL-2TL+TS-NL加上聲吶系統(tǒng)的空間增益GS(DI)和時間增益GT可以得到輸出信噪（混）比：(SNR)out=SL-2TL+TS-NL+GS+GT得到主動聲吶方程：SL-2TL+TS-NL+GS(DI)+GT＝DT混響背景下：SL-2TL+TS-RL+GS(DI)+GT＝DT噪聲背景下：39水聲學(xué)原理第一章值得注意的是：1、上述的主動聲吶方程適用于收發(fā)合置的聲吶，對于收發(fā)分置的多基地聲吶，信號的傳播損失一般是不同的，不能用簡單的2TL表示往返的傳播損失。2、主動聲吶要經(jīng)受雙層傳播損失，這時主動聲吶探測距離受到限制的重要原因。3、以上給出的主動聲吶方程與傳統(tǒng)的聲吶方程形式形式上有差別，主要是在聲吶發(fā)展中基陣處理以及時間處理得到發(fā)展，我們考慮了基陣的空間增益GS和時間增益GT。一般來說，利用聲吶方程的目的是要從中求出聲吶的作用距離，因此我們定義：優(yōu)質(zhì)因素FOM(FigureOfMerit）FOM不僅與聲吶系統(tǒng)有關(guān)，還與海洋環(huán)境有關(guān)。令便可求出r。40水聲學(xué)原理第一章對于被動聲吶信號級是目標(biāo)輻射噪聲經(jīng)過信道傳輸后到達(dá)聲吶基陣的值，可以表示為SL-TL。干擾級是聲吶平臺自噪聲和海洋環(huán)境噪聲級NL。因此單水聽器接收到的信號為：SL-TL-NL，信噪比為：(SNR)in=SL-TL-NL經(jīng)過聲吶基陣信號處理，獲得空間增益GS（DI）和時間增益GT，得到輸出信噪比：(SNR)out=SL-TL-NL＋GS＋GT被動聲吶方程：SL-TL-NL＋GS＋GT＝DT檢測閾(DT)指向性指數(shù)(DI)噪聲級(NL)傳播損失(TL)聲源級(SL)被動聲吶方程優(yōu)質(zhì)因素：FOM＝SL-NL＋GS＋GT－DT41水聲學(xué)原理第一章例一：設(shè)一靜止?fàn)顟B(tài)工作方式的聲吶站，發(fā)射聲源級為115分貝，對一個目標(biāo)強(qiáng)度為15分貝，并位于足夠遠(yuǎn)的目標(biāo)進(jìn)行探測，在這一段距離上的總單程傳播衰減為81分貝，聲吶所在的海洋環(huán)境噪聲和本身總噪聲級為－40分貝，接收具有指向性，指向性指數(shù)為12分貝，求該設(shè)備需要多大的檢測閾才能可靠探測目標(biāo)？解：已知SL=115dB,TL=81dB,NL=-40dB,GS（DI）=12dB,TS=15dB由于在噪聲背景下探測目標(biāo)：使用下列主動聲吶方程：SL-2TL+TS-NL+DI＝DT115-2*81+15-(-40)+12=DTDT=20dB結(jié)果表明該設(shè)備的輸入信噪比在20dB時才可能可靠檢測到目標(biāo)。42水聲學(xué)原理第一章例二：設(shè)一被動探潛聲吶，目標(biāo)潛艇以60分貝的發(fā)射聲源級發(fā)射500Hz的線譜，另一觀察艇相距r處，用無指向性水聽器作被動測聽，設(shè)備的檢測閾為8分貝。觀察艇在500Hz的噪聲級為-34分貝，求在距離r上有多大傳播衰減時才能可靠測聽？設(shè)該設(shè)備作為被動測聽，所用聲吶方程為被動聲吶方程。SL-TL-NL＋GS＋GT＝DT可以得到：TL=-(DT-SL-GS(DI)+NL-GT)這里：SL=60dB,DT=8dB,GS(DI)=0,NL=-34dB,GT=0可以得到：TL=-(8-60-0-34-0)=86dB結(jié)果表明單程傳播損失小于86dB才可能可靠測聽。43水聲學(xué)原理第一章