海洋声学基础——水声学原理
% J! |, S' h4 @+ v, d) j绪论
9 P" X! _! c0 V' {$ [1 P各种能量形式中，声传播性能最好。在海水中，电磁波衰减极大，传播距离有限，无法满足海洋活动中的水下目标探测、通讯、导航等需要。
l# R/ @6 y- g- D声传播性能最好，水声声道可以传播上千公里，使其在人类海洋活动中广泛应用，随海洋需求增大，应用会更广。$ Q: x7 G) y1 y" a8 g$ i
§0-1节水声学简史. ?# p4 X4 t. i! s8 [6 }/ ]
01490年，意大利达芬奇利用插入水中长管而听到航船声记载。
0 w# m9 h9 N/ g11827年，瑞士物理学家D.colladon法国数学家c.starm于日内瓦湖测声速为1435米每秒。
, |5 h* \" n# e) ^( x6 M w21840年焦耳发现磁致伸缩效应
/ g7 _6 j, R3 K& x1880年居里发现压电效应
; W2 j9 V, d! g& V31912年泰坦尼克号事件后，L.F.Richardson提出回声探测方案。. s: ?. v1 l# K
4第一次世界大战，郎之万等利用真空管放大，首次实现了回波探测，表示换能器和弱信号放大电子技术是水声学发展成为可能。（200米外装甲板，1500米远潜艇）. h w2 v+ H# s: }
5第二次世界大战主被动声呐，水声制导鱼雷，音响水雷，扫描声呐等出现，对目标强度、辐射噪声级、混响级有初步认识。（二战中被击沉潜艇，60%靠的是声呐设备）
8 ?$ s5 i* u* x% u) ~. t/ B% c- s6二、三十年代——午后效应，强迫人们对声音在海洋中的传播规律进行了大量研究，并建立起相关理论。对海中声传播机理的认识是二次大战间取得的最大成就。5 Y4 Q0 V4 ?. P) I1 H: \" N
7二战后随着信息科学发展，声呐设备向低频、大功率、大基阵及综合信号处理方向发展，同时逐步形成了声在海洋中传播规律研究的理论体系。+ i1 V6 x8 f# F5 {. }0 n; v
81、1945年，Ewing发现声道现象，使远程传播成为可能，建立了一些介质' N7 ], n7 Q, e" Y
影响声传播的介质模型。* h$ h8 j0 J V& A9 _; f. i7 a" a
2、1946年，Bergman提出声场求解的射线理论。9 X# @# h9 g* D- X* p1 P
3、1948年，Perkeris应用简正波理论解声波导传播问题。
: H0 d4 F# x6 L5 i8 N5 W 4、50-60年代，完善了上述模型（利用计算技术）。 X3 W, r9 b2 C( D
5、1966年，Tolstor 和Clay 提出声场计算中在确定性背景结构中应计入随机: Z1 \- R7 |. \* ]
海洋介质的必要性。
8 }. C' w u- i§0-2 节 水声学的研究对象及任务$ @) f `: q, C* N1 u5 j. {; N! r
1、 水声学：它是声学的一个重要分支，它基于四十年代反潜战争的需要，在经典声学的基础上吸收雷达技术及其它科学成就而发展起来的综合性尖端科学技术。它包括水声物理和水声工程两方面内容。8 J' Z/ y8 V) y7 e- u+ I
① 声物理：是研究声波在水介质中辐射、传播和接收时的各种现象和规律。其任务是为水下探测技术服务的。) `! X& J% U9 a/ b7 r2 [: ^
② 水声工程：根据已探知的现象和规律，运用无线电电子学、电声学、统计数学、计算数学、仪表技术、自动控制、信息论、海洋学及物理学其它分支的新成就，研制国防，航海，渔业，海洋开发等应用中的水声仪器设备，它包括水下声系统和水声技术两方面。
* h+ D8 N0 {# Ca ：水下声系统：实现电、力、声转换，换能器，基阵等材料、结构、辐射、接收特征等。( \' S6 M& z% i6 r/ Q
b ：水声技术：指水声信号处理、显示技术。: p* h% l8 t! D! j
* B3 M. x- a! T; p6 V2、 二者关系：水声物理是基础，提供依据；水声工程丰富了水声物理内容，促进其发展，二者相互促进，相辅相成，不可分开。
, E0 F7 ]% U, k6 ] k3、 内容安排：6 n1 r" Q; m4 H) n5 p, ]
① 海水介质及边界声特性 ② 声在海洋中的传播规律理论 ③ 典型水文条件下的声传播
$ P* m4 t; [' V1 h1 N+ j水声学
W2 W& M5 d. H1 Z水声物理
" o- G: K( }, @$ K) E% H3 w传播 吸收、衰减& l. {9 ]& w9 u8 f( K o
混响、散射 噪声
4 ~& \* d: ?8 [5 ?) K3 f+ M7 y起伏 水声工程
q9 ]6 W6 ?$ c* n6 S2 ~7 o; ?水下声系统* K" }6 L" k$ u8 S, }
水声技术
& ?# R) H7 A; w- y5 D/ m- Z ④ 水下目标的声反射、散射 ⑤ 海中混响 ⑥ 海洋噪声 ⑦ 声传播起伏# N: f, [/ w' L4 W! |
§0-3节 声呐方程 一 声呐及其工作方式
* E! P2 d, [: Q4 q# ^3 \* v$ V1、 主动声呐
# I% |% s2 y3 f" j& |5 d 7 K8 u: O* o5 Q3 C% A
5 D4 m) U5 N% `; r3 I4 [# f4 w' L0 {1 X* r( ?2 f
9 Z% d/ _& n2 {" D
% K9 G9 _0 a- E9 I; @) v+ G. }" c! `' P# i' Y
2、 被动声纳5 v3 g9 F! P, y0 s' v) x, R0 c/ }9 @
二 声呐参数
) a& v2 R* G1 i& P& l9 e& c$ H5 g" d1、 声源级：9 ~# M- ^" ~) D& |6 o3 L
! ?+ L! L( ^6 d* X4 C/ ]* H其中 为发射换能器或发射阵声轴方向1米处声强，
! b+ I' R. l' ?9 w% L（参考1微帕均方根声压）
% ?* T( I7 B( P/ E! L① 指向性指数：$ Q4 ?9 {( H6 W3 d, x; P
7 `1 a# e e0 B' B它表征在相同距离上，指向性发射器声轴上声级高出无指向性发射
; B. s1 P7 O- B# u2 I8 V" @ L器声场声级的分贝值。 ② 声源级与声功率：
# J% U8 R/ A% C7 I
3 p$ \6 i T& t+ G% k, r 目前：0 ? w9 Q- b$ c O
几百几十千瓦
9 y# P% k% F5 N) r. A; s/ a6 ]2、传播损失：表征声传播一定距离后强度的衰减变化。5 v. E, E" [( X$ y
为离声源声中心米处的声强；为离声源米处声强
: R0 W I+ [' B: ]# |1 P3、目标强度：反映目标反射本领
3 j* X" p, P6 }! r6 E9 Y) B# J为在入射波反向离目标声中心1米处回波强度。
" ~6 U6 T" k( n" j5 `* s& _$ l9 E为目标入射声波的强度。
! S0 h; m2 m! F4 N4、海洋环境噪声级：度量环境噪声强弱的量/ k3 c; L/ [" B% q9 h1 S
为测量带宽内或频带内噪声强度: S# B- p) W. P% J: J' K4 K
为参考声强
' G; c8 U9 j2 Y5、等效平面波混响级：（主动声纳）; C+ ]3 k X9 d3 Q! O: D) i
若强度为平面波入射到接收阵，其输出与阵对准目标时混响输出相等，则混响级为：
, r2 d3 @7 |, j' X$ s$ I7 E B3 T其中为平面波声强；为参考声强。; \ z4 x9 F, L- L5 ]
6、接收指向性指数：
" R i; ]0 n9 f7 V& l+ P# K无指向性水听器产生的噪声功率
/ Z5 s2 K( {6 P/ n指向性水听器产生的噪声功率6 H. A: T% \! C
7、阵增益：. M8 p9 ]- M! m% L6 _( R6 E
阵
4 p) C/ `, M6 m1 F1 `# k7 h阵元; C5 A; f$ T7 r! P0 Z4 ]
分子为阵输出信噪比，分母为单阵元输出信噪比，当噪声源各项同性时，
6 e7 e6 |- `9 t7 Z- D 由描述0 j$ A: ^ G1 n4 i% u- z
8、检测阈：
, ], t; e5 U( Q: R, g0 d; ?刚好完成某职能时信号功率
q* @0 C$ N0 f8 q* y; V水听器输出端上的噪声功率- `. d8 o3 W4 P& k
检测阈小，设备处理能力强，性能好。! G) ?" t6 l$ W
四、声呐方程：2 f1 J- \ i* g
1、主动声呐方程：, i7 f& R# W; D6 V
基本考虑：# Y+ S- e8 D, S1 [/ l Q: o
信号级背景干扰级检测阈
* ]. e9 A# ]7 t% t" e/ w) e0 j" P- \主动声纳方程：（收发合置）$ L/ C: W2 d1 X6 G Z
①噪声干扰为主：
1 C' i. J: ?& s# X* K; v# T②混响干扰为主：
1 i' v& k1 P% Y' B2 e2 i( [5 N2、被动声呐方程：$ H: N# g" n$ P* j# ]
3、组合声呐参数：% j) l3 k# z$ @# M
名称表达式物理意义回声信号级加到主动声纳接收器（阵）上回声信号级
/ L* C1 Q; m3 O+ s! q2 p噪声掩蔽级在噪声干扰中声呐正常工作最低信号级( y# W% ~7 o1 O0 c7 d3 M
混响掩蔽级在混响中声呐正常工作最低信号级
4 Z: V# K& e! }1 K/ @5 {回声余量主动声呐回声级超过噪声掩蔽级数量1 Z2 @6 i7 ~3 O1 j" s4 P
优质因数主动声呐允许最大单程损失
' Q3 c. ~. F& ~; y主动声呐（TS=0时）允许最大双程损失品质因数接收端声源级与噪声级之差# U7 Z' ^/ T, r+ t- c9 o' }
4、声呐方程应用及限制1 D; l( L" Y$ M- l2 A' D* e
应用：
$ N% @: I1 w7 f7 ^% E. L8 G①对已有正在设计中，研制声呐设备进行性能预报。6 K8 F; U3 w; e, @( C. d9 h) t
②用于声呐设计& I% k8 ^0 ]6 ~! k
. M' |5 e" d( j- v, J
例如：——频率高好9 m T& p6 P9 f7 J
——频率低好% M0 r" x7 W+ @- |& j9 H$ O' Z/ W
主动声呐背景干扰确定：如右图：
- N# M6 \6 t5 E# q h: S5 ^9 z对噪声级：8 k: M+ k; O. j# S% b) H
当时声呐由于混响而不能正常工作。0 i0 I& z1 q2 r
对噪声级：则声呐受噪声级控制。& ^; C e& G' N" |1 \& P
第一章海洋的声学特性
: X. b& \% R5 G% J& o§1-1 海水中的声速：- P. U& u: {& z/ o
为海水密度，绝热压缩系数。
; `3 v9 T1 _8 l+ g2 |由于海中的温度、盐度、静压力随时间地点而异，因为，为温度盐度静压力的函数，故声速与介质特性关系为：
& D9 K" j& X. e6 c! [6 ]8 m声速增大温度增大不变减小
- [# \% B; Q4 j% z6 b h! l" k! x增大盐度增大增大减小 i* Z3 R/ `: @: C% E7 k% @
增大压力增大不变减小
7 n% B |% C, m% V3 ^实验表时，c在1420~1520米/秒内变化
- N, S# h, S( A; \0 s经验公式：3 _' x9 A1 U3 j6 w
威尔逊：
5 Z. X5 q' b6 X: J* X# U5 l2 ?% x乌德公式：
9 o) o* i x9 B# b单位为大气压帕
j5 t+ a3 ^3 u( p! d# {( \（一）海洋中声速的垂直分层性质和声速梯度
6 i4 ` e9 {# t影响声速的三要素：T，S和d都接近水平分层变化，
/ E* g+ g) w0 g6 r, B5 u故2 }& b8 F9 {1 e# {4 |4 O! m$ E5 I/ e
则声速梯度为：
4 M3 j7 P: [# Q: K# u4 Z; B 而& [2 J9 z1 t9 a, B/ R/ u
所以
/ V- F5 P0 l& S) v# a其中
\7 l; {" l5 ^$ F" u若c由乌德公式给出，则：
7 N% C6 |9 ]5 }. @. Q- ]‰+ w) ?& X1 C4 g! Q, ?( @5 D1 J
T增加，c增加约4m/s。
4 K; Q+ i$ Z3 sS增加‰，c增加约1.14m/s。
4 Q) X+ h. E( q' t% M* }* AP增加，c增加约0.175m/s。
: v& L& [+ c; N（二）海洋中声速的基本结构# t' }' M- ^4 w! Y
1、典型深海声速剖面：' X; f1 E& Z) F# B: t
! v4 j6 t' V4 D8 i! t" g! a1 t
三层结构：5 A8 z5 I- Z, P# I
①表面混合层（高温，搅拌）& {) w, }6 k) v; v
②深海等温层
7 M6 b8 t9 _: H( R* L4 d1 u/ x③过渡跃变层
+ p' C" T7 s% A# D0 I7 \, h2、常见海洋声速分布：
+ s" ^! F$ v- [) j1 H) M. T' v
3 t6 n% ?- o" q3 o浅海秋冬季混合等温层7 |* h$ m+ R' `
8 g% L0 _: u3 T3 j% f) j( i: ^$ j+ I 浅海夏季" M0 i8 N+ n Z% `7 F+ x
6 A) t: b+ a9 x3 n, q( P( R6 r
高纬度秋冬季
! ]% T$ I0 l/ A
+ l4 H& S1 ?+ T4 K7 R& O深海7 J& }* k& K5 o% c1 q& V
S. g3 \7 `! V; r- w$ V' \
5 g! P5 I1 z/ E( w' ?3、声速分布分类：% M' h6 ~) D/ Z, R" _$ Z
①深海声道的声速分布
# S* t, S, R8 |1 h+ N% F②表面声道声速分布
' `, g' q4 Q! f0 d③反声道声速分布
% c4 l7 N+ J: b6 C6 Q④浅海常见的声速分布
! }4 F* P( p( }. {( ^$ s8 a6 ~5 K+ O0 i) k! g6 l0 y
§1-2 海水中的声吸收
: |2 d) j6 I9 r3 M7 j一、传播衰减4 u, w7 p k- X/ b0 W6 C) V
扩展损失：由于声波波阵面在传播过程中不断扩展而引起的声衰减，亦' u0 I1 A0 F# H' ]/ K( O
称几何衰减。
/ s7 w! t& K9 N/ a' o吸收损失：由于介质热传导、沾滞及驰豫过程引起的声强衰减。
1 c$ d1 ]8 A0 G' u1 ]散射衰减损失：由介质中泥沙、气泡、生物悬浮粒子及介质不均匀性和 T- @" }+ x, B. P1 l
介面不均匀引起散射损失。
8 |: S6 i3 r3 z. i/ n' M（一）扩散损失" H5 T! O4 `% C1 u" N
n=0: 平面波8 r1 i# P1 w" P9 }
n=1: 柱面波：全反射海底海面波导中声传播9 [3 w I3 q. ?* }9 |% Y0 n% b
n=3/2: 计海底吸收的浅海声传播。（修正柱面波）
! N. e% c: S1 m- \n=2: 球面波传播
4 P, g j, \/ T+ Nn=3: 声波通过浅海负跃变层后声传播损失3 s- [$ W2 P9 M/ o9 v3 F
n=4: 计海面反射干涉效应在费郎和费区内的声传播 |
, e8 f' a% j7 P/ `! J" o
2 o E/ j- m" d" a: O2 g" j) n
7 {# h3 z _$ p3 I6 q- Y
: N" V4 D5 w% I; R; m* R! z
) R) |( M) [9 ?+ {0 p
4 f0 S* d$ K0 Z
* c& {+ W7 p, a/ s% }