水声学原理(第一章)

12020/2/16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：10kHz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。31/21.4210(kHz)/ff分贝公里20.011/f分贝公里63/27.710f31.2、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。91031041.3、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。51.4、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。6声呐（声纳）-SONAR(SoundNavigationandRanging)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10～15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7主要声呐图片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声呐TSM2253德国ATLAS公司研制的ASA92－25主动拖曳线声呐英国、法国联合研制的投吊声呐美国LockheedMartin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91.6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1kHz时是20μPa（微帕），痛阈是20Pa，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。101.6.1、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：000L20log()dBL10log()dBL10log()dBpIWppIIWW声压级：声强级：声功率级：参考值111.6.2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：=20μPa＝2×10－4达因/厘米2，换算到现在标准要加26分贝。＝1达因/厘米2＝1μb（微巴）＝10－5μPa，换算到现在的标准要加100分贝。俄罗斯标准＝20μPa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L＋26分贝的水噪声。pLppcpcpIIIL02020log20log10log10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动量的分贝定义。加速度级)/log(200aaLa速度级位移级)/log(200vvLv)/log(200ddLd加速度、速度和位移参考值是：米/秒2，米/秒，米。6010a9010v12010d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。131.6.3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/μPa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:（μPa）声压级:KSVpKLSLVLKSVppLlog20Paμ/1log201log20Paμ1log20伏伏如果水听器灵敏度、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。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，例如。2dB,3dB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：ppLL020logpLp020log1ppLLpp20log1pLp-0.6-0.4-0.20.00.20.40.60.8-6-4-20246L(dB)p/p15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:nfAI00010log10log10log10logIALnfCnfII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10logfnL3＝3/Ln声强随频率衰减规律声强随距离衰减规律AInr161.6.4分贝的基本运算相干叠加cppIIIppp2121212,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：ipp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。0()ijppij222()iippp171.6.4.1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。Nlog1032log10＝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：,1,,iLiN/10010iNLiII10/010log10log10iLNiiIIL＝181.6.4.2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：LnL10/10/10/1011log10,1010log10nnLLLLsLLLL＝0246810120.00.51.01.52.02.53.03.5LdB(L2-Ln)dB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3dB。若背景干扰比总声级低10dB以上就可以不修正。LnLL191.6.4.3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:,1,,iLiNNIILiLNilog1010log10log1010/10若各次测量的噪声级的差值小于3dB，则可以直接取噪声级的算术平均值代替上式，得到：iNiLNL11其误差不超过0.5dB；若各次测量的噪声级的差值小于5dB，误差不超过0.7dB。201.6.4.5降噪量的计算已知总噪声级为140dB，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135.2dB。三种降噪方案的效果是：方案一、将其中一个噪声源降低10dB，另外两个不变，总噪声级只下降1.6dB；方案二、将其中的两个噪声源降低10dB，总噪声级下降了4dB；方案三、将三个噪声源都下降10dB，总噪声级也下降10dB。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:NiLi,,1,10/10log10iiLLiL总降噪量是:LLL－＝iL211.7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1Hz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。fI将谱密度函数在整个频带内积分就等于总强度：dffII0在频率f附近带宽内的声强是：ffII用分贝表示：fLLfflog10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。flog10潜艇辐射噪声22用声压表示时：Hz1log10log20Hz1////log200202fppcpfcpfLI参考值应该理解为：1Pa/1Hz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。23设是滤波器的下限频率Lf设是滤波器的下限频率Hfn倍频程滤波器的数学定义为：nLHff2或log0.3HLfnf中心频率为：0LHfff带宽：HLBff0212nnBfn=11/1倍频程（1/1oct）n=1/31/3倍频程（1/3oct）00.707Bf00.23Bf对于1/3oct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1~10Hz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