单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,*,单击此处编辑母版标题样式,水声学原理,上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室,范 军,2024/11/17,水声学原理上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室范 军2,第一章 导论,1.1 海洋与水声技术,1、为什么用水声技术,海洋占据地球表面约70的面积；,海洋是人类开展交通运输、军事斗争和获取资源的场所。这就必须有观测、通讯、导航、定位的工具。水声技术在其中扮演了重要的角色。,声波是迄今为止在水中唯一能有效地远距离传递信息地物理场。,电磁波在水中的衰减：不能在水中远距离传播,声波由于介质吸收引起的衰减：能远距离传播,声波与电磁波衰减之比：,10,kHz,声波水中衰减仅约,1分贝/公里,电磁波为,4500分贝/公里,其它物理场：磁场、水压场、尾流场、温度场，也是可以检测，但可检测距离大,致与源本身尺度同一量级，不能在水中远距离传递信息。,2,第一章 导论1.1 海洋与水声技术2,1.2、声呐与雷达的异同,声呐与雷达的工作原理相似。但由于信息载体声波与电磁波的差异决定了,声呐和雷达有重要差别。,a.,电磁波速度30万公里/秒,声波在水中1.5公里/秒。决定：,工作频率差别大。雷达频率约,GHz（Hz）,声呐频率约,kHz（Hz）,工作速率差别大。雷达搜速快，声呐搜索慢,分辨率差。声图象模糊。,b.,声呐受海洋信道影响大。声呐环境比雷达环境复杂得多。,c.,声呐的作用距离近。,3,1.2、声呐与雷达的异同声呐与雷达的工作原理相似。但由于信息,1.3、水声技术的研究范围,水声技术呐是研究声波在水中的发射、传输、接收、处理的专门技术。包括：,a.,水声换能器和基阵,水声传感器系统；,b.,水声物理,海洋信道的传播、混响、散射、噪声特性和各种水声目标特性；,c.,水声设备,水声信号处理、水声电子技术。,水声技术的成果突出反映在两个方面,1、声呐性能的不断提高：探测距离原来越远、对目标的定位、跟踪能力越来越强,2、应用声自导或声引信的水中兵器（鱼雷、水雷、深水炸弹等）的作战能力不断提高。,因此，现代舰艇在水下面临的威胁与水声技术的水平有直接的关系。声隐身性能是潜艇水下隐蔽性的核心。,4,1.3、水声技术的研究范围4,1.4、水声技术的发展历史,1490年 达芬奇就提出声纳的原始概念,泰坦尼克号的沉没，开始最初的声纳设计,第一次世界大战的爆发促进了一系列军用声纳的发展（值得一提的是郎之万在换能器上的贡献，并测得了水中1500米外潜艇回波）,一战和二战之间水声工程一直缓慢而稳步发展,最大的成就是对海洋声传播机理的认识。（如“下午效应”现象的解释）,二战期间为了探测德国潜艇，水声工程有了很大发展，出现了大量新的理论和技术,战后水声工程随着计算机和电子计算发展，水声工程的应用在军用、民用领域更为广泛。,5,1.4、水声技术的发展历史1490年 达芬奇就提出声纳的原始,声呐（声纳）-,SONAR(Sound Navigation and Ranging),凡是利用水下声信息进行探测、识别、定位、导航和通讯的系统，都通称为声呐系统。声呐的主要应用是军用声呐。按工作方式可以分为：,主动声呐,和,被动声呐。,按安装平台分可以分为：,潜艇声呐：潜艇上的电子设备是声呐。一般核潜艇装有1015部声呐。主要有：艏部主、被动综合声呐；被动测距声呐；舷侧阵声呐；拖曳线列阵声呐。,水面舰声呐：舰艏声呐；变深拖曳声呐；拖曳线列阵声呐。,机载声呐和浮标：吊放声呐；声呐浮标。,海洋水声监视系统：岸站（岸边海底固定式声呐）；预警系统,水声对抗器材：鱼雷报警声呐；声诱饵；干扰器；气幕弹,水中兵器自导：鱼雷声自导；水雷声引信；,其它：通讯仪、鱼探仪、多普勒测速仪、浅地层剖面仪等。,1.5 声呐简介,6,声呐（声纳）-SONAR(Sound Navig,主要声呐图片,7,主要声呐图片7,德国,ATLAS,公司研制的拖曳线列阵,英国、法国联合研制的舷侧阵声呐,TSM2253,德国,ATLAS,公司研制的,ASA9225,主动拖曳线声呐,英国、法国联合研制的投吊声呐,美国,Lockheed Martin,公司研制的被动测距声呐,PUFFS,美国,DTI,公司研制的合成孔径声呐,8,德国ATLAS公司研制的拖曳线列阵英国、法国联合研制的舷侧阵,1.6 声学量的度量、分贝和级,声学中采用分贝计量的原因：,声学量的变化大到六、七个数量级以上,从窃窃私语到大型喷气式飞机起飞的声功率差十个数量级；,人耳的听阈在频率1,kHz,时是20,Pa（,微帕），痛阈是20,Pa，,相差六个数量级；,在水中，一艘老式潜艇的辐射总声功率达到数瓦，而新型的,低噪声潜艇不到1微瓦，相差六、七个数量级。,人耳（仪器）的响应近似与声压或声强的对数成比例。,因此声学中定义一个以对数为基础的,分贝,单位，水声也一直沿用。,9,1.6 声学量的度量、分贝和级声学中采用分贝计量的原因：9,1.6.1、定义和参考,声压、声强和声功率,用级和分贝（,dB）,来量度。他们是：,参考值,10,1.6.1、定义和参考声压、声强和声功率用级和分贝（dB）来,1.6.2声压级等于声强级:,注意参考值不同产生的声级差别:,1971年以前曾用：,=20,Pa210,4,达因/厘米,2,，换算到现在标准要加26分贝。,1 达因/厘米,2,1,b（,微巴）10,5,Pa，,换算到现在的标准,要加100分贝。,俄罗斯标准20,Pa,由于空气声和水声参考值的不同，舱室内声级为,L,分贝的噪声若,无损耗地传到水下将变成,L26,分贝的水噪声。,11,1.6.2声压级等于声强级:注意参考值不同产生的声级差别:1,固体介质中的结构噪声用振动来描述，它的分贝定义实际上就是振动量的分贝定义。,加速度级,速度级,位移级,加速度、速度和位移参考值是：,米/秒,2,，米/秒，米。,应当指出的是，虽然结构噪声级与振动级的定义相同，但实际测量和评价方法有区别的。因为结构噪声要反映连续弹性体的振动特性，所以用一个点的振动级是无法描述的。通常要用结构的整个辐射面上大量测点的统计平均来描述。,12,固体介质中的结构噪声用振动来描述，它的分贝定义实际上就是振,1.6.3 分贝表示的特点,物理量的乘除运算变成加减运算。,例如在声学测量中，用灵敏度等于,S,伏/,Pa,的水听器接收，经过放大倍数等于,K,的放大器放大后得到电压,V,伏。水听器输入端的声压是:,（,Pa）,声压级:,如果水听器灵敏度、声学测量放大器的放大倍数都用分贝表示，只要简单的加减运算就可以求出声压级。,13,1.6.3 分贝表示的特点物理量的乘除运算变成加减运算。如果,声学中不仅声学量用分贝表示，它们的误差范围也用误差表示，,例如 。,用分贝表示的误差与百分比误差的换算关系：设声压是,分贝表示是 ，则有，图给出其关系曲线：,14,声学中不仅声学量用分贝表示，它们的误差范围也用误差表示，用分,用分贝表示后函数图形发生变化,声学中最常见的幂次规律:,以 为横坐标声级是一条直线。从直线的斜率可以确定幂次,n,。,最方便的方法是根据频率加倍时声级减小的分贝数 得到,声强随频率衰减规律,声强随距离衰减规律,15,用分贝表示后函数图形发生变化声学中最常见的幂次规律:以,1.6.4,分贝的基本运算,相干叠加,在讨论分贝运算法则前先要搞清楚声场的叠加原则。因为声压场是标量场，具有可加性。但是，它又是一个波动场，既有振幅又有相位。,相干叠加：,当两个以上的有规声波叠加时要同时计及振幅和相位，若是同频率的声波叠加会发生干涉现象。若是频率相差不多的两个声波叠加会发生“拍”。这些情况称为相干叠加：,水下声基阵形成指向性就是靠声波到达不同阵元的相位差。,能量叠加,：当两个以上的随机噪声叠加时，由于相位是随机的，噪声要按强度或能量叠加。因为相位的随机性导致所有的交叉项 ，所以,。相当于按强度或能量叠加。有时候几个噪声之间有一定的相干性，但是相干性无法估计或测量，也采用能量叠加的原则处理。其结果是对相干叠加的一种平均。所以，能量叠加是噪声场叠加的基本原则。因此也是分贝计算的指导原则。,16,1.6.4 分贝的基本运算相干叠加 在讨论分贝运算法则前先,1.6.4.1 噪声叠加,特例:,N,个声级相同的噪声叠加，总声级是单个噪声声级加,分贝。当,N,2,即两个声级相同的噪声叠加，总声级增加,分贝。,当声级为 的,N,个噪声叠加时，按强度叠加得到总声强和总声级,：,17,1.6.4.1 噪声叠加特例:N个声级相同的噪声叠加，总声级,1.6.4.2 噪声相减（背景噪声的扣除）,在实际工作中有时需要从总的噪声中减去某个噪声成分，例如在噪声测量中扣,除已知的背景干扰。假设总噪声级是 ，背景干扰级是 ，扣除后的噪声级,是,：,图给出修正量 与声级差 的关系,曲线。为了保证合理的精度，背景干扰至少,要比总声级低3,dB。,若背景干扰比总声级低,10,dB,以上就可以不修正。,18,1.6.4.2 噪声相减（背景噪声的扣除）在实际工作中有,1.6.4.3多个噪声级的平均,对噪声级进行多次测量需要计算其平均值。设,N,次测量的噪声级分别是,，应根据声强的算术平均值计算平均噪声级:,若各次测量的噪声级的差值小于3,dB，,则可以直接取噪声级的算术平均值代,替上式，得到：,其误差不超过0.5,dB；,若各次测量的噪声级的差值小于5,dB，,误差不超过0.7,dB。,19,1.6.4.3多个噪声级的平均 对噪声级进行多次测量需要计算,1.6.4.5 降噪量的计算,已知总噪声级为140,dB，,它由三个声级相同的噪声叠加而成。可以求出每个噪声源的声级是135.2,dB。,三种降噪方案的效果是：,方案一、将其中一个噪声源降低10,dB，,另外两个不变，总噪声级,只下降1.6,dB；,方案二、将其中的两个噪声源降低10,dB，,总噪声级下降了4,dB；,方案三、将三个噪声源都下降10,dB，,总噪声级也下降10,dB。,例：已知总噪声级由,N,个声级分别是 的噪声叠加而成,。当这,N,个噪声分别降低 分贝后，总声级降低为:,总降噪量是:,20,1.6.4.5 降噪量的计算 已知总噪声级为14,1.7 频谱和频谱级,水声信号、特别是噪声信号常常包含有多种频率成分，能量分布在一个频带宽,度内。定义单位频带宽度1,Hz,内的声强度为声强谱密度，用函数 表示。谱,密度的分贝表示称为谱密度级。,将谱密度函数在整个频带内积分就等于总强度：,在频率,f,附近带宽内的声强是：,用分贝表示：,称为频带级，频带级等于谱密度级加 。上面的分贝计算法则同样适用于频带级和谱密度级的计算。,潜艇辐射噪声,21,1.7 频谱和频谱级水声信号、特别是噪声信号常常包含有多种频,用声压表示时：,参考值应该理解为：,在声学测量中用到两种滤波器：,恒定带宽滤波器：低频时分析太粗，高频分析太细，无法兼顾。,恒定百分比或,Q,滤波器：用的多，人耳听觉模型是其的组合。声学中的恒定,百分比滤波器称为倍频程滤波器。,22,用声压表示时：参考值应该理解为：在声学测量中用到两种滤波,设 是滤波器的下限频率,设 是滤波器的下限频率,n,倍频程滤波器的数学定义为：,或,中心频率为：,带宽：,n=1,1/1,倍频程（,1/1,oct,）,n=1/3,1/3,倍频程（,1/3,oct,）,对于1/3,oct,来讲，是在间隔为1倍频程的两个频率之间再插入两个频率，使这4个频率之间依次相距1/3倍频程，即这4个频率值按比例为：，近似为 。,ISO,规定1,10,Hz,之间划分10个频段，中心频率为：1:1.25:1.60:2.0:2.5:3.15:4.0:5.0:6.3:8.0:10.0。这样的取值得好处是，可使每隔10个1/3倍频程频段的两端频率正好相差10倍，还可以使每隔3个1/3倍频程频段为一个1/1倍频程频段。,23,设 是滤波器的下限频率设 是滤波器的下限,1.8 水声（海军）的一些习惯用量,距离单位：英尺（,feet），1,英尺12英寸0.3048米,千