水声学原理1

null第一章 绪论第一章 绪论第二讲 声纳方程本讲主要内容本讲主要内容主动声纳方程及其各参数的概念、物理意义（重、难点） ； 被动声纳方程及其各参数的概念、物理意义（重、难点） ； 组合声纳参数的物理意义（了解） ； 声纳方程的工程应用及限制（重点）。1.5 声纳及其工作方式1.5 声纳及其工作方式声纳（Sonar—Sound Navigation and Ranging）：利用水下声信息进行探测、识别、定位、导航和通讯的系统。 按照工作方式分类：主动声纳和被动声纳 主动声纳信息接收阵处理器判决 显示目标发射机发射阵信号源null被动声纳通过接收被探测目标（声源部分）如鱼雷、潜 艇等的辐射噪声，来实现水下目标探测。被动声纳信息流程接收阵处理器判决 显示目标1.6 声纳参数1.6 声纳参数主、被动声纳工作信息流程的基本组成： 声信号传播介质（海水） 被探测目标 声纳设备 声纳参数 定义：将影响声纳设备工作的因素称为声纳参数。 1、声源级SL （Source Level）1、声源级SL （Source Level）声源级SL：用来描述主动声纳所发射的声信号的强弱（反应发射器辐射声功率的大小） 定义：式中，I为发射器声轴方向上离声源声中心1米处的声强，I0为参考声强（均方根声压为1微帕的平面波对应的声强）。 null解释原因：可以提高辐射信号的强度，相应也提高回声信号强度，增加接收信号的信噪比，从而增加声纳的作用距离。为了提高主动声纳的作用距离，将发射器做成具有一定的发射指向性，如下图所示。null发射指向性指数DIT： 式中： ID为指向性发射器在声轴上测得的声强度； IND为无指向性发射器辐射的声强度。 含义： 在相同距离上，指向性发射器声轴上声级高出无 指向性发射器辐射声场声级的分贝数； DIT越大，声能在声轴方向集中的程度越高； DIT越大，就有利于增加声纳的作用距离。 null已知声功率时，如何计算SL？ 声源级与声功率的关系： 假设介质无声吸收，声源为点声源，辐射声功率为Pa（W），距声源声中心1米处声强度为： 1）无指向性声源辐射声功率与声源级的关系： null2）指向性声源辐射声功率与声源级的关系： 常识：船用声纳Pa为几百瓦~几千瓦，DIT为10~30dB，SL约为210~240dB。2、传播损失TL （Transmission Loss） 2、传播损失TL （Transmission Loss） 传播损失TL定量描述声波传播一定距离后声强度的衰减变化 定义：式中，I1是离声源声中心1米处的声强度；Ir 离声源声中心 r 米处的声强度。 引起声强衰减的原因： 1）由于海水介质本身的声吸收 2）声传播过程波阵面的扩展 3）海水中各种不均匀体的散射3、目标强度TS （Target Strength）3、目标强度TS （Target Strength）目标反射本领有差异：在同样入射声波的照射下，不同目标的回波是不一样的。它除了与入射声波特性（频率、波阵面形状）有关，还与目标的特性（几何形状、材料等）有关。 目标强度TS定量描述目标反射本领的大小 定义：式中，Ii是目标处入射声波的强度；Ir离目标声中心1米处的回波强度。4、海洋环境噪声级NL （Noise Level）4、海洋环境噪声级NL （Noise Level）海洋环境噪声是由海洋中大量的各种各样的噪声源发出的声波构成的，它是声纳设备的一种背景干扰。 环境噪声级NL是度量环境噪声强弱的量 定义： 式中I0为参考声强度,IN是测量带宽内（或1Hz频带内）的噪声强度。 Question：海洋内部是安静的吗？5、等效平面波混响级RL （Reverberation Level）5、等效平面波混响级RL （Reverberation Level）主动声纳的背景干扰： 1)环境噪声—一般是平稳的和各向同性的 2)混响—是非平稳的和非各向同性的 等效平面波混响级RL： a)定量描述混响干扰的强弱 b)是利用平面波的声级来度量混响场的强弱 c)定义：强度已知的平面波轴向入射到水听器上，水听器输出电压值为V；将水听器移置于混响场中，声轴指向目标，水听器输出电压值也为V，则该平面波声级就是混响级。 6、接收指向性指数DI （Directivity Index）6、接收指向性指数DI （Directivity Index）接收换能器的接收指向性指数DI定义为：其中，指向性水听器的轴向灵敏度等于无指向性水听器的灵敏度。QUESTION：何为水听器灵敏度?水听器灵敏度Sh水听器灵敏度Sh定义： 水听器处的声压为p，装置的开路终端电压是V，则水听器的灵敏度为：例子：已知水听器的灵敏度为-200dB/V，假设入射平面波的声压级为80dB，问其输出端的开路电压为几伏？dB/Vnull式中，m为比例常数； 是元立体角。设水听器的灵敏度为单位值，噪声场为各向同性的，单位立体角内的噪声功率为Ii，无指向性水听器产生的均方电压为：无指向性水听器产生的均方电压：null在同一噪声场中，指向性水听器产生的 均方电压：其中，b是归一化的声束图函数， 是空间方位角。则接收指向性指数DI为：null参数DI只对各向同性噪声场中的平面波信号（是完全相关信号）有意义； 具有其它方向特性的信号和噪声场，需用参数阵增益来代替DI。Caution：null对于几何形状简单的换能器阵，可用阵尺寸来表示它的DI值。7、检测阈DT （Detection Threshold）7、检测阈DT （Detection Threshold）声纳设备接收器接收声纳信号和背景噪声，两部分的比值即接收带宽内的信号功率或均方电压与1Hz带宽内（或接收带宽）的噪声功率或均方电压的比，它影响设备的工作质量，比值越高，设备就能正常工作，“判决”就越可信。 检测阈DT是设备刚好能正常工作所需的处理器输入端的信噪比值 定义： 常识：对于同种职能的声纳设备，检测阈值较低的设备，其处理能力强，性能也好。 1.7 声纳方程1.7 声纳方程 声纳方程： 综合考虑水声所特有的各种现象和效应对声纳设备的设计和应用所产生影响的关系式。 它将海水介质、声纳目标和声纳设备的作用联系在一起。 1、基本考虑 声纳方程的基本原则： 信号级—背景干扰级=检测阈（刚好完成预定职能） 背景干扰级的含义： 设备工作带宽内部分背景噪声才起干扰作用。2、主动声纳方程2、主动声纳方程收发合置的主动声纳信号强度变化如下图：null回声信号级（信号级）：回声到达接收阵的声级 SL-2TL+TS 背景干扰级： NL-DI （接收阵接收指向性指数压低背景噪声） Caution：换能器声轴指向目标，回声信号不会被接收指向性指数压低。 处理器处的电信号的信噪比： （SL-2TL+TS）-（NL-DI） null 主动声纳方程（噪声背景）： （SL-2TL+TS）-（NL-DI）=DT Caution：适用于收发合置型声纳，对于收发分置声纳，往返传播损失不能简单用2TL表示；适用于背景干扰为各向同性的环境噪声情况。 主动声纳方程（混响背景）： SL-2TL+TS-RL=DT Caution：适用于收发合置型声纳，对于收发分置声纳，往返传播损失不能简单用2TL表示；适用于背景干扰为混响的情况。 3、被动声纳方程3、被动声纳方程 与主动声纳相比，被动声纳特点： 噪声源发出的噪声直接由噪声源传播至接收换能器； 噪声源发出的噪声不经目标反射，即无TS； 背景干扰为环境噪声。 被动声纳方程： SL-TL-（NL-DI）=DT 式中，SL为噪声源辐射噪声的声源级。 1.8 组合声纳参数1.8 组合声纳参数组合声纳参数：几个声纳参数的组合量，它具有明确的物理含义。 回声信号级：SL-2TL+TS——加到主动声纳接收换能器上的回声信号的声级； 噪声掩蔽级：NL-DI+DT——工作在噪声干扰中的声纳设备正常工作所需的最低信号级； 混响掩蔽级：RL+DT——工作在混响干扰中的声纳设备正常工作所需的最低信号级；1.8 组合声纳参数1.8 组合声纳参数回声余量：SL-2TL+TS-（NL-DI+DT）——主动声纳回声级超过噪声掩蔽级的数量； 优质因数：SL-（NL-DI+DT）——对于被动声纳，该量规定最大允许单程传播损失；对于主动声纳，当TS=0时，该量规定了最大允许双程传播损失； 品质因数：SL-（NL-DI）——声纳接收换能器测得的声源级与噪声级之差 1.9 声纳方程的应用及其限制1.9 声纳方程的应用及其限制1、声纳方程的应用（两个基本用途） 声纳设备性能预报： 已知设备特点和若干参数，对其它声纳参数进行估计（例如估计最大传播损失——优质因数）； 声纳设备设计： 预先规定设计设备的职能及各项战术技术指标，根据声纳方程综合评价各参数的影响，对参数合理选取和设备最佳设计（例如频率的选取——DI、TL）。2、声纳方程的限制2、声纳方程的限制声纳方程是用声强度来描述的，而声强度是声能流在某一时间间隔内的平均值：长脉冲信号，回波信号的宽度很接近发射信号脉冲宽度T 当声源发射声信号是很短的脉冲信号，或者由于介质的传播效应、目标反射的物理效应，接收到回声信号波形会产生严重畸变，上式平均值会得到不确定的结果，上式不再适用。null作为一种常用的近似，在时间T内对声波的能流密度E求平均而得声强：对于长脉冲声纳，T为发射脉冲宽度，回波脉冲宽度也近似等于此值；对于短脉冲声纳，T一般不确定，回声宽度与发射宽度相差甚大。短脉冲信号声纳方程中（R.J. Urick）：式中，E是离声源单位距离处的声能流密度； 是回声脉冲宽度：null3、回声级、噪声掩蔽级和混响掩蔽级与距离的关系3、回声级、噪声掩蔽级和混响掩蔽级与距离的关系 主动声纳的背景干扰包括混响和噪声，它们对声纳设备工作的影响不同，应用声纳方程需要确定背景干扰类型。 （SL-2TL+TS）-（RL+DT）=0 （SL-2TL+TS）-（NL-DI+DT）=0QUESTION：如何确定混响还是噪声是声纳的主要干扰？答：首先画出回声级、混响掩蔽级和噪声掩蔽级随距离 的变化曲线；null回声级、噪声掩蔽级和混响掩蔽级与距离的关系null1）回声和混响都是随距离而衰减的，而噪声保持不变。一般，回声曲线随距离下降比混响掩蔽级曲线要快，二者相交于混响限制距离Rr处（由混响声纳方程确定）。而回声曲线与噪声掩蔽级相交于噪声限制距离Rn处（由噪声声纳方程确定）。 2）对于噪声掩蔽级I，Rr