1、水声学基础 Introduction of Underwater Acoustics,本课程目的和任务通过讲述声纳方程、海洋声传播特性、目标反射和散射、海洋混响和水下噪声等内容，使学生了解水声工程设计的基本方法、声纳设备以及水声学的最新发展动态，掌握声波在海水中传播时的基本现象和规律以及对声纳设备的影响，具有解决简单的水声工程实际问题的能力。 水声学是本专业主要特色课程之一,2019/11/6,3,教材：刘伯胜、雷家煜，水声学原理，哈尔滨工程大学出版社，2009. 主要参考资料：R. J.尤立克著，洪申译，水声原理，哈尔滨船舶工程学院出版社，1989.汪德昭、尚尔昌，水声学（第二版），科学出版
2、社，2013.P.C. Etter, Underwater acoustic modeling and simulation,4th Edition, CRC, 2013. 顾金海、叶学千，水声学基础，国防工业出版社，1981.网站： http:/ 水声学的基本内涵 水声学的发展简史 水声学的主要研究对象 水声的主要应用 本课程的主要内容,第一章 绪 论,2019/11/6,5,1、声波的基本知识,2019/11/6,6,声波的基本知识,声探测的三个基本要素: 声源 任何振动物体. 介质 探测器/接收器 物体的振动引起介质的压缩与膨胀 明确: l = c / f,2019/11/6,7,定 义
3、,声功率 = 辐射的声波能量 / 秒 (Joules / s). 声强 = 声功率密度或声功率 / 单位面积. 声压 = 单位面积的受力. 如测得了声压，就可以确定声强. 测量单位. 大气压, 巴, 帕斯卡, PSI, 达因/平方厘米, 毫米汞柱.,2019/11/6,8,声波的计量 如何比较声波的强弱?,采用分贝（ DECIBELS）为单位. 声强比率的分贝表示. 声压级 (SPL) 定义 dB = 10 log (ratio) SPL = 10 log (I/Io) = 10 log (P2/Po2) = 20 log (P/Po)因此SPL = 20 log ( P / 1 mPa ),
4、2019/11/6,9,小 测 验,两个噪声源的声压级均为 60 dB.两个噪声源共同辐射噪声的声压级是多少?60 + 60 = 120 对吗 ?错!60dB + 60dB = 63dB 具体如下,2019/11/6,10,Combining Sound Pressure Levels (SPL),两个相同的噪声源 SPL = 10 log(2P12/1 mPa) = 10 log(P12/1 mPa) + 10 log (2) SPL = SPL1 + 3 数学计算方法 SPL = 10 log ( 10SPL1/10 + 10SPL2/10 ) 列表方法,2019/11/6,11,Addi
5、ng Decibels,2019/11/6,12,2、水声学的基本内涵,2019/11/6,13,2.1 水声学的定义,水声学主要研究声波在水下的辐射、传播与接收，用以解决与水下目标探测和信息传输过程有关的各种声学问题。,2019/11/6,14,水声学是声学的一个重要分支。,2019/11/6,15,2.2 水声学基本内涵,水声学是围绕水声技术、水声对抗技术和水声工程的基本需求来开展科学研究的 水声技术 利用声波作为信息载体来实现水下探测、定位、导航和通信的原理与方法 水声对抗技术 在军事上，对抗水下声探测、定位、导航和通信的技术措施与手段 水声工程 水声技术和对抗技术的工程目标实现,201
6、9/11/6,16,提问?,应该采用何种方式探测水下目标? 雷达 在水中传播衰减很大. 光 作用距离非常近 ( 10米 到 100米 ). 磁场特征 有用，但作用距离近 (100米以内). 声波 ?,声波是水下远距离信息传输唯一有效载体,2019/11/6,17,回答!,声波! 声波是目前水下唯一有效的远距离信息载体. 声波是最好的选择是因为 可以做超远距离传播 可以分辨海水中的目标 传播速度较快,2019/11/6,18,声波是水下远距离信息传输唯一有效载体,2019/11/6,19,水声学与海洋环境,2019/11/6,20,图9 54组声速剖面,2019/11/6,21,c= fl 但
7、c = 1500 m/s (c 是 海水中的声速 ). 声传播速度, 频率和波长相互联系, 但依赖环境参数的变化: Temperature 增加1o C = 声速增加3 m/s. Pressure 深度增加100米 = 声速增加1.7 m/s. Salinity 盐度增加1 PPT = 声速增加1.3 m/s.i.e. c(T, p, S) = fl = 1500 m/s,声波在水中的辐射、传播和接收受到环境因素的显著影响,海水中的声速,2019/11/6,22,2019/11/6,23,SOFAR声道,1944年，Ewing 和 Worzel作低频远距离声传播实验 接收船布放水听器，发射船投
8、放4磅爆炸声源，两船相距 900海里 Ewing and Worzel第一次听到了SOFAR声道 (SOund Fixing And Ranging)传来的脉冲序列声。,2019/11/6,24,声波在水中的辐射、传播和接收受到环境因素的显著影响,海水中声速分布对声传播的影响环境,2019/11/6,25,水声设备设计和使用要与水声环境相匹配,根据水声波导的特点确定声纳设备的布放 根据水声波导的特点确定声纳的工作方式 根据水声信道的特点确定水声信号处理的方案,2019/11/6,26,水声传播中的多途现象,VLA,Sound Speed Profile,Problems: Ray bundle
9、, Interaction with Bottom, Mode Coupling due to internal wave, front,2019/11/6,27,录音机记录到的爆炸脉冲波形,2019/11/6,28,环境匹配信号处理方法需要计算大量拷贝声场,基于信道自适应的声场聚焦,2019/11/6,29,2019/11/6,30,海军作战需要充分利用水声环境,海底山对声传播的影响,2019/11/6,31,海洋环境中的声场分布,2019/11/6,32,2019/11/6,33,3、水声学发展简史,2019/11/6,34,水声学发展历史,水声学起源1490年，达.芬奇摘记中提出用长管听
10、远处航船水声学第一次定量测量1827年，瑞士物理学家D.Colladon和法国数学家C.Sturm合作，在日内瓦湖测量了水中的声速。,2019/11/6,35,1840年，焦耳发现了磁致伸缩效应。 1880年，皮埃尔.居里发现了压电效应。,水声学发展历史,压电陶瓷 -PZT（锆钛酸铝）,2019/11/6,36,水声学发展历史,一个航海悲剧（1912年）和一次世界大战（1914年）推动水声学迅速发展 1912年，泰坦尼克号沉没。,2019/11/6,37,1912年， 英国人Alexander Belm描述了回声定位设备。 1912年，英国人L.F. Richardon提出了回声定位方案（英国
11、专利）。,水声学发展历史,2019/11/6,38,The first working sonar system was designed and built in the United States by Canadian Reginald Fessenden in 1914. The Fessenden sonar was an electromagnetic moving-coil oscillator that emitted a low-frequency noise and then switched to a receiver to listen for echoes. It w
12、as able to detect an iceberg underwater from 2 miles away, although with the low frequency, it could not precisely resolve its direction.,水声学发展历史,2019/11/6,39,1914年，第一次世界大战爆发，反潜战出现-大西洋潜艇战役片断,2019/11/6,40,大西洋潜艇战役片断,2019/11/6,41,大西洋潜艇战役片断,2019/11/6,42,大西洋潜艇战役片断,2019/11/6,43,Powerful high frequency ult
13、rasonic echo-sounding device was developed by emminent French physicist Paul Langvin and Russian scientist Constantin Chilowsky. They called their device the hydrophone. The transducer of the hydrophone consisted of a mosaic of thin quartz crystals glued between two steel plates with a resonant freq
14、uency of 150 KHz. Between 1915 and 1918 the hydrophone was further improved in classified research activities and was deployed extensively in the surveillance of German U-boats and submarines. The first known sinking of a submarine detected by hydrophone occurred in the Atlantic during World War I i
15、n April,1916.,水声学发展历史,2019/11/6,44,1925年， 研制出用于船舶导航水声设备回声测深仪。 第二次世界大战促进了水声技术的飞速发展。,水声学发展历史,2019/11/6,45,二战期间，潜艇共击沉作战舰艇381艘，其中战列舰3艘，航空母舰17艘，巡洋舰32艘，驱逐舰122艘，还有其它作战舰艇207艘，击沉各种运输船5000余艘。 二战中各种舰艇共击沉航空母舰38艘，仅潜艇就击沉17艘。 被潜艇击沉的潜艇80艘。 在第二次世界大战中，德国“U-47”号潜艇于1939年10月潜入英国位于苏格兰北部的海军基地，在港内击沉了英国的排水量达33000多吨的大型战列舰“皇家
16、橡树”号，创造了军事史上的奇迹。 在双方被击沉的潜艇中，有60%是由水声设备发现的。,水声学发展历史,2019/11/6,46,第一和第二次世界大战期间 反潜，法国、英国和美国，主动声纳 郎之万振子，夹心石英预应力换能器 磁致伸缩换能器 电子管振荡器和放大器 压电陶瓷 透声橡胶 水声物理研究，传播，噪声，混响的基本理论 潜艇攻击，德国的被动声纳听音系统 潜艇隐身技术，消声瓦,水声学发展历史,2019/11/6,47,二战以后的水声技术与水声学 传感器技术 拖曳线列阵技术 水声信号处理技术 水声物理学研究 减振降噪与隐身技术,水声学发展历史,2019/11/6,48,水下作战的主要手段 潜艇、鱼
17、雷、水雷、蛙人等 水下战的主要内容 潜艇战与反潜战 鱼雷攻击与防护 水雷战与反水雷 水下作战保障 先敌发现（隐身和探测能力） 精确定位（定敌我位置） 隐蔽导航与通信,2019/11/6,49,4、水声学主要研究对象,2019/11/6,50,水声学的主要研究内容,水声学,水声物理,水声工程,水声系统,水声技术,2019/11/6,51,水声物理,海洋环境声特性 海水（声学特性） 海底与海面（声学特性） 水声传播（规律） 混响、噪声、散射、声起伏 对声纳设备工作的影响,2019/11/6,52,水声物理研究,2019/11/6,53,水声物理研究,2019/11/6,54,水声换能器 水声基阵
18、水声换能材料 水声换能器设计原理与方法 水声换能器工艺 声基阵成阵技术 水声换能器校准计量,水声系统,2019/11/6,55,DD SONAR Array,2019/11/6,56,英国国家物理实验室,耦合腔校准系统,中频校准水池定位系统,2019/11/6,57,高压消声水池,2019/11/6,58,湖上试验场及其安装设备和测量系统,2019/11/6,59,水声技术,水声信号处理、显示技术 信号检测（目标检测） 参数估计（参数估计） 目标识别,2019/11/6,60,5、水声学的主要应用,2019/11/6,61,军事应用,水雷引信 声制导鱼雷 探雷声纳 小目标定位声纳 通信声纳 航
19、空吊放声纳（浮标声纳） 拖曳声纳 拖曳线列阵声纳 水声导航声纳,2019/11/6,62,安静型潜艇探测的需求,消声瓦使高频回波显著降低，潜艇辐射噪声也主要集中于低频线谱。,2019/11/6,63,美国是世界上潜艇技术领先、数量最多的国家，共拥有潜艇70余艘，全部为核动力潜艇，其中，战略导弹核潜艇近20艘、攻击型核潜艇50余艘。,美国最新核动力攻击潜艇-海狼号,2019/11/6,64,“俄亥俄”级战略导弹核潜艇是美国“三维一体”战略核力量的中坚，该级艇是美国至今建造的吨位最大、性能最先进、携带导弹最多的战略导弹核潜艇，水下排水量18750吨，下潜深度400米，水下航速25节，每艘有24 个
20、导弹发射筒。,美国俄亥俄级核动力导弹潜艇,2019/11/6,65,俄罗斯D级弹道导弹核潜艇,俄罗斯的弹道导弹核潜艇共发展了四代，分别为“台风”级、DI、DII、DIV级，目前在役的有17艘，“台风”级弹道导弹核潜艇是世界上排水量最大的核潜艇，其水下排水量26500吨，水下航速26节，可携带1620枚SS-N-23或SS-N-20型弹道核导弹，每枚可携载10个分弹头，射程可达900010000公里。,2019/11/6,66,英国是世界上第三个拥有核武器的国家，英国的核力量全部为海基，目前拥有战略导弹核潜艇4艘，每艘可携带16枚“三叉戟”弹道核导弹，每枚可携载14枚分弹头，射程达12000公里
21、。,英国最新战略核潜艇-警戒号,2019/11/6,67,法国海军的战略导弹核潜艇有三代，第一代“无畏”级、第二代“不屈”级、第三代“胜利”级。目前在役的有5艘，其中“胜利”级水下排水量14335吨、水下航速25节、下潜深度300米，可携带16枚M45型战略核导弹，射程5300公里。,法国海基核力量中坚-凯旋号核潜艇,2019/11/6,68,中国 092型“夏” 级弹道导弹核潜艇,中国的潜艇：091型“汉”级攻击核潜艇、092型“夏”级弹道导弹核潜艇、 039型“宋”级潜艇。,2019/11/6,69,鱼雷和水雷,是目前水下作战的主要兵器 鱼雷多种多样 制导方式 投放方式 爆炸方式 超高速
22、水雷多种多样 引爆引信 布放方式 主动攻击鱼雷 水鱼雷,2019/11/6,70,2019/11/6,71,2019/11/6,72,2019/11/6,73,2019/11/6,74,2019/11/6,75,Variable Depth Sonar,Towed from ship. Buoyancy, scope and ship speed determine depth. SL increased with depth. (Quenching limit) Operate below sonic layer depth.,2019/11/6,76,VDS Deploying,2019/
23、11/6,77,VDS (Canada),2019/11/6,78,Mine Hunting VDS,2019/11/6,79,水中目标探测,2019/11/6,80,S-3 SONOBUOYS,2019/11/6,81,Dipping Sonar,Airborne and dipped into the ocean.,2019/11/6,82,水中目标探测,2019/11/6,83,测深 单波束测深仪 多波束测深仪 旁视声纳 侧扫声纳 综合孔径测深仪 测速 多普勒测速仪（海流计） 相关测速仪（海流计）,民事应用,2019/11/6,84,鱼探仪 助渔设备（诱鱼、计数、跟踪） 助潜设备 水下定
24、位 信标 应答器 通讯与遥测 声控 海洋监测,2019/11/6,85,海底特性探测,2019/11/6,86,海底特性探测,2019/11/6,87,海底特性探测,2019/11/6,88,海底特性探测,2019/11/6,89,洋流和海水温度探测,2019/11/6,90,洋流和海水温度探测,2019/11/6,91,鱼群探测、跟踪和识别,2019/11/6,92,水声通讯,2019/11/6,93,水声通讯,2019/11/6,94,水声定位导航,2019/11/6,95,水下定位导航,2019/11/6,96,6、本课程的主要内容,本课程的主要内容,建立声纳系统的基本概念 由声纳方程入
25、手，将所有与声纳系统有关的物理参数联系到一起，了解声纳系统设计、性能预测所需要的基本参数，建立基本的物理概念，明确水声学的主要研究内容与声纳系统的关系。与换能器和信号处理有关的内容由于有单独设立的课程，这里不再详细讨论。因此，由声纳方程引出有关的水声物理问题，这些都是声纳系统设计必须认真考虑的因素，也是水声学主要的研究内容。,海洋的声学特性是水声学研究的基础，也是水声学研究的基础内容之一。- 海洋环境的声学特性是海洋监测技术的基础。海洋环境包括水体、海面和海底，有平均特性，也有不均匀性，他们的声学特性对水声设备的研制与使用都是至关重要的。,声纳及声纳方程 海洋的声学特性 海洋中的声传播理论 典型传播条件下的声场 声波在目标上的反射和散射 海洋中的混响 水下噪声,2019/11/6,100,水声学的学习方法一点建议,与海洋学紧密结合 充分掌握声纳方程 注重理论联系实践,
