【正文】 1 2022/5/30 水聲學(xué)原理 上海交通大學(xué)振動、沖擊、噪聲國家重點實驗室 范 軍 2 第一章 導(dǎo)論 海洋與水聲技術(shù) 為什么用水聲技術(shù) ? 海洋占據(jù)地球表面約 70％的面積； 海洋是人類開展交通運輸、軍事斗爭和獲取資源的場所。這就必須有觀測、通訊、導(dǎo)航、定位的工具。水聲技術(shù)在其中扮演了重要的角色。 ?聲波是迄今為止在水中唯一能有效地遠(yuǎn)距離傳遞信息地物理場。 ? 電磁波在水中的衰減： 不能在水中遠(yuǎn)距離傳播 ? 聲波由于介質(zhì)吸收引起的衰減： 能遠(yuǎn)距離傳播 ? 聲波與電磁波衰減之比： ? 10kHz聲波水中衰減僅約 1分貝 /公里 電磁波為 4500分貝 /公里 ? 其它物理場：磁場、水壓場、尾流場、溫度場，也是可以檢測，但可檢測距離大 致與源本身尺度同一量級，不能在水中遠(yuǎn)距離傳遞信息。 3 1 / 21 . 4 2 1 0 ( k H z ) /ff?? 分 貝 公 里20 . 0 1 1 /f 分 貝 公 里6 3 / 27 .7 1 0 f??3 、聲吶與雷達(dá)的異同 聲吶與雷達(dá)的工作原理相似。但由于信息載體－聲波與電磁波的差異決定了 聲吶和雷達(dá)有重要差別。 30萬公里 /秒 ,聲波在水中 /秒。決定： ?工作頻率差別大。雷達(dá)頻率約 GHz（ Hz） 聲吶頻率約 kHz（ Hz） ?工作速率差別大。雷達(dá)搜速快，聲吶搜索慢 ?分辨率差。聲圖象模糊。 。聲吶環(huán)境比雷達(dá)環(huán)境復(fù)雜得多。 。 910 3104 、水聲技術(shù)的研究范圍 水聲技術(shù)吶是研究聲波在水中的發(fā)射、傳輸、接收、處理的專門技術(shù)。包括： －水聲傳感器系統(tǒng)； －海洋信道的傳播、混響、散射、噪聲特性和各種水聲目標(biāo)特性； －水聲信號處理、水聲電子技術(shù)。 水聲技術(shù)的成果突出反映在兩個方面 聲吶性能的不斷提高：探測距離原來越遠(yuǎn)、對目標(biāo)的定位、跟蹤能力越來越強(qiáng) 應(yīng)用聲自導(dǎo)或聲引信的水中兵器（魚雷、水雷、深水炸彈等）的作戰(zhàn)能力不斷提高。 因此，現(xiàn)代艦艇在水下面臨的威脅與水聲技術(shù)的水平有直接的關(guān)系。聲隱身性能是潛艇水下隱蔽性的核心。 5 、水聲技術(shù)的發(fā)展歷史 1490年 達(dá)芬奇就提出聲納的原始概念 泰坦尼克號的沉沒，開始最初的聲納設(shè)計 第一次世界大戰(zhàn)的爆發(fā)促進(jìn)了一系列軍用聲納的發(fā)展（值得一提的是郎之萬在換能器上的貢獻(xiàn)，并測得了水中 1500米外潛艇回波） 一戰(zhàn)和二戰(zhàn)之間水聲工程一直緩慢而穩(wěn)步發(fā)展 ,最大的成就是對海洋聲傳播機(jī)理的認(rèn)識。（如 “ 下午效應(yīng) ” 現(xiàn)象的解釋） 二戰(zhàn)期間為了探測德國潛艇，水聲工程有了很大發(fā)展，出現(xiàn)了大量新的理論和技術(shù) 戰(zhàn)后水聲工程隨著計算機(jī)和電子計算發(fā)展，水聲工程的應(yīng)用在軍用、民用領(lǐng)域更為廣泛。 6 聲吶（聲納） SONAR(Sound Navigation and Ranging) 凡是利用水下聲信息進(jìn)行探測、識別、定位、導(dǎo)航和通訊的系統(tǒng)，都通稱為聲吶系統(tǒng)。聲吶的主要應(yīng)用是軍用聲吶。按工作方式可以分為： 主動聲吶 和 被動聲吶。 按安裝平臺分可以分為： ?潛艇聲吶：潛艇上的電子設(shè)備是聲吶。一般核潛艇裝有 10～ 15部聲吶。主要有：艏部主、被動綜合聲吶；被動測距聲吶；舷側(cè)陣聲吶；拖曳線列陣聲吶。 ?水面艦聲吶：艦艏聲吶；變深拖曳聲吶；拖曳線列陣聲吶。 ?機(jī)載聲吶和浮標(biāo)：吊放聲吶；聲吶浮標(biāo)。 ?海洋水聲監(jiān)視系統(tǒng)：岸站（岸邊海底固定式聲吶）；預(yù)警系統(tǒng) ?水聲對抗器材：魚雷報警聲吶；聲誘餌；干擾器；氣幕彈 ?水中兵器自導(dǎo)：魚雷聲自導(dǎo)；水雷聲引信； ?其它：通訊儀、魚探儀、多普勒測速儀、淺地層剖面儀等。 聲吶簡介 7 主要聲吶圖片 8 德國 ATLAS公司研制的拖曳線列陣 英國、法國聯(lián)合研制的舷側(cè)陣聲吶 TSM2253 德國 ATLAS公司研制的ASA92－ 25主動拖曳線聲吶 英國、法國聯(lián)合研制的投吊聲吶 美國 Lockheed Martin公司研制的被動測距聲吶 PUFFS 美國 DTI公司研制的合成孔徑聲吶 9 聲學(xué)量的度量、分貝和級 聲學(xué)中采用分貝計量的原因： ?聲學(xué)量的變化大到六、七個數(shù)量級以上 ? 從竊竊私語到大型噴氣式飛機(jī)起飛的聲功率差十個數(shù)量級； ? 人耳的聽閾在頻率 1kHz時是 20μ Pa（ 微帕），痛閾是 20Pa， 相差六個數(shù)量級； ? 在水中，一艘老式潛艇的輻射總聲功率達(dá)到數(shù)瓦，而新型的 低噪聲潛艇不到 1微瓦，相差六、七個數(shù)量級。 ?人耳（儀器）的響應(yīng)近似與聲壓或聲強(qiáng)的對數(shù)成比例。 因此聲學(xué)中定義一個以對數(shù)為基礎(chǔ)的 分貝 單位，水聲也一直沿用。 10 、定義和參考 聲壓、聲強(qiáng)和聲功率 用級和分貝（ dB） 來量度。他們是： 000 L 20 l og ( ) dB L 10 l og ( ) dBL 10 l og ( ) dBpIWppIIWW???聲 壓 級 ：聲 強(qiáng) 級 ：聲 功 率 級 ：參考值 11 : 注意參考值不同產(chǎn)生的聲級差別 : 1971年以前曾用： =20μ Pa＝ 2 10－ 4達(dá)因 /厘米 2，換算到現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)要加 26分貝。 ＝ 1 達(dá)因 /厘米 2＝ 1μ b（ 微巴）＝ 10－ 5μ Pa， 換算到現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn) 要加 100分貝。 俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)＝ 20μ Pa 由于空氣聲和水聲參考值的不同，艙室內(nèi)聲級為 L分貝的噪聲若 無損耗地傳到水下將變成 L＋ 26分貝的水噪聲。 pLppcpcpIIIL ??????????????????????????02020l o g20l o g10l o g10 ??12 固體介質(zhì)中的結(jié)構(gòu)噪聲用振動來描述，它的分貝定義實際上就是振動量的分貝定義。 加速度級 )/l o g (200aaL a ?速度級 位移級 )/l o g (20 0vvL v ?)/l o g (20 0ddL d ?加速度、速度和位移參考值是： 米 /秒 2， 米 /秒， 米。 60 10??a 90 10??v120 10??d 應(yīng)當(dāng)指出的是，雖然結(jié)構(gòu)噪聲級與振動級的定義相同，但實際測量和評價方法有區(qū)別的。因為結(jié)構(gòu)噪聲要反映連續(xù)彈性體的振動特性，所以用一個點的振動級是無法描述的。通常要用結(jié)構(gòu)的整個輻射面上大量測點的統(tǒng)計平均來描述。 13 分貝