[工學(xué)]水聲學(xué)原理第一章(存儲(chǔ)版)
【正文】 ， 就愈有利于增加設(shè)備的作用距離。 這一現(xiàn)象反應(yīng)了目標(biāo)反射本領(lǐng)的差異 。 34 等效平面波混響級(jí) RL 對(duì)于主動(dòng)聲納來(lái)說(shuō)，除了環(huán)境噪聲是背景干擾外，很響也是一種背景干擾。因此這兩部分比值的大小將直接影響設(shè)備的工作 質(zhì)量，即如果接收帶寬內(nèi)的信號(hào)功率 (或均方電壓 )與 1Hz帶寬內(nèi) (或工作帶寬內(nèi) )的 噪聲功率 (或均方電壓 )的比值較高，則設(shè)備就能正常工作，它作的 “ 判決 ” 也是可 信的；反之，上述的信噪比值比較低時(shí)，設(shè)備就不能正常工作，它作出的 “ 判決 ” 也就不可信。 主動(dòng)聲吶要經(jīng)受雙層傳播損失，這時(shí)主動(dòng)聲吶探測(cè)距離受到限制的重要原 因。觀察艇 在 500Hz的噪聲級(jí)為 34分貝，求在距離 r上有多大傳播衰減時(shí)才能可靠測(cè)聽(tīng)？ 設(shè)該設(shè)備作為被動(dòng)測(cè)聽(tīng)，所用聲吶方程為被動(dòng)聲吶方程。 500Hz 44 假設(shè)一部艦用主動(dòng)聲吶工作頻率為 500Hz， 發(fā)射功率 1kW， 發(fā)射指向性指數(shù) DIT=15dB,接收機(jī)空間增益 GS＝ 12dB， 時(shí)間增益 GT=8dB,目標(biāo)強(qiáng)度 TS=15dB,檢 測(cè)閾 DT=6dB,聲吶平臺(tái)噪聲大于環(huán)境噪聲為 NL=78dB,那么聲吶的作用距離？ 首先計(jì)算聲吶聲源級(jí)： 1 0 l o g 1 7 0 . 7 7 3 0 1 7 0 . 7 7 1 5 2 1 5 . 7 7 d BaTS L P D I? ? ? ? ? ? ?那么得到聲吶的優(yōu)質(zhì)因素 FOM： 2 1 5 .7 7 1 5 7 8 1 2 8 6 8 3 .4 d B22S L TS NL G S G T D TF O M ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ?求距離： 估算方法 1：假設(shè)傳播是理論上無(wú)吸收按球面波擴(kuò)展， TL＝ 20logr， 根據(jù) FOM可以得到作用距離： F O M 8 3 . 42 0 2 01 0 1 0 1 4 . 8 k mr ? ? ?估算方法 2：假設(shè)是在上圖的海域中工作，則可以查圖得到， A海域 r=34km B海域 r=22km,C海域 r=15km 45 使用聲吶方程應(yīng)該注意問(wèn)題 聲吶方程在聲吶設(shè)計(jì)和對(duì)聲吶性能預(yù)報(bào)中起到重要作用，但使用時(shí)以下是需 要注意的問(wèn)題。 10 l ogeSL SL ????0e t m? ? ? ?? ? ?為回波寬度， t? 是 多 途 效 應(yīng) 引 起 的 展 寬m? 是 目 標(biāo) 尺 度 引 起 的 展 寬47 聲吶總是工作在有限帶寬內(nèi)的，而且往往是窄帶，因?yàn)檎瓗V波是抗干擾 的最為有效手段。 尤立克研究了短脈沖信號(hào)下聲納方程是否還適用的問(wèn)題，指出聲納方程的強(qiáng)度形式仍然適用，只要將聲源級(jí)改寫成如下形式： 1 0 l o g 1 0 l o g eS L E ???對(duì)于時(shí)間區(qū)間 T0發(fā)射恒定聲源級(jí) SL’的矩形脈沖，脈沖能量密度是平均聲強(qiáng)與其脈沖寬度的乘積： 01 0 l o g 39。下圖 1給出同一聲吶在不同水文條件下的作用距離，可見(jiàn)與海域、頻率有關(guān)，圖 2給出典型估計(jì)作用距離的圖（ 500Hz）。 因此單水聽(tīng)器 接收到的信號(hào)為： SLTLNL， 信噪比為： (SNR)in=SLTLNL 經(jīng)過(guò)聲吶基陣信號(hào)處理，獲得空間增益 GS（ DI） 和時(shí)間增益 GT， 得到輸出信噪比： (SNR)out=SLTLNL＋ GS＋ GT 被動(dòng)聲吶方程： SLTLNL＋ GS＋ GT＝ DT 檢測(cè)閾 ( DT ) 指向性指數(shù) ( DI ) 噪聲級(jí) ( NL ) 傳播損失 ( TL ) 聲源級(jí) ( SL ) 被動(dòng)聲吶方程優(yōu)質(zhì)因素： FOM＝ SLNL＋ GS＋ GT－ DT 41 聲吶方程的基本應(yīng)用 例一： 設(shè)一靜止?fàn)顟B(tài)工作方式的聲吶站，發(fā)射聲源級(jí)為 115分貝，對(duì)一個(gè)目標(biāo)強(qiáng) 度為 15分貝，并位于足夠遠(yuǎn)的目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，在這一段距離上的總單程傳播衰減 為 81分貝，聲吶所在的海洋環(huán)境噪聲和本身總噪聲級(jí)為－ 40分貝，接收具有指向 性，指向性指數(shù)為 12分貝，求該設(shè)備需要多大的檢測(cè)閾才能可靠探測(cè)目標(biāo)？ 解： 已知 SL=115dB, TL=81dB ,NL=40dB,GS（ DI） =12dB,TS=15dB 由于在噪聲背景下探測(cè)目標(biāo)：使用下列主動(dòng)聲吶方程： SL2TL+TSNL+DI＝ DT 1152*81+15(40)+12=DT DT=20dB 結(jié)果表明該設(shè)備的輸入信噪比在 20dB時(shí)才可能可靠檢測(cè)到目標(biāo)。 主動(dòng)聲吶的干擾在多數(shù)情況下是混響級(jí)RL， 當(dāng)探測(cè)距離較遠(yuǎn)時(shí)也可能是噪聲背景 NL， 這里的噪聲包括海洋環(huán)境噪聲和艦艇自噪聲。 輸出電壓V I 輸出電壓V 平面波 混響場(chǎng) 35 接收指向性指數(shù) DI 接收換能器的接收指向性指數(shù)的定義是： 1 0 l o gDI ??? ????無(wú) 指 向 性 水 聽(tīng) 器 產(chǎn) 生 的 噪 聲 功 率指 向 性 水 聽(tīng) 器 產(chǎn) 生 的 噪 聲 功 率設(shè)有兩個(gè)水聽(tīng)器．一個(gè)無(wú)指向性，另一個(gè)有指向性，且指向性水聽(tīng)器的軸向靈 敏度等于無(wú)指向性水聽(tīng)器的靈敏度，設(shè)為單位值。 環(huán)境噪 聲級(jí) NL就是用來(lái)度量環(huán)境噪聲強(qiáng)弱的一個(gè)量 ， 它定義為： 10 l og NoINLI?式中， IN是測(cè)量帶寬內(nèi)（或 lHz頻帶內(nèi) )的噪聲強(qiáng)度 。 32 目標(biāo)強(qiáng)度 TS 對(duì)于主動(dòng)聲吶而言 ， 它是利用目標(biāo)回波來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的 。 在指向性發(fā)射器聲軸上測(cè)得的聲強(qiáng)度為 ID 。 接收、處理設(shè)備的能力。 特點(diǎn)： 定位和測(cè)距精度不如主動(dòng)聲吶高，是隱蔽探測(cè)，是目前主要探測(cè)方式，被動(dòng)聲吶包括：水雷引信、魚雷自導(dǎo)、艦艇被動(dòng)聲吶、拖曳線列陣、海岸預(yù)警系統(tǒng)。 23 設(shè) 是濾波器的下限頻率 Lf 設(shè) 是濾波器的下限頻率 Hfn倍頻程濾波器的數(shù)學(xué)定義為： nLHff 2? 或 lo g 0 .3HLf nf?? ?????中心頻率為： 0 LHf f f??帶寬： HLB f f??0212nnBf??n=1 1/1倍頻程（ 1/1oct） n=1/3 1/3倍頻程（ 1/3oct） 0 ?0 ?對(duì)于 1/3oct來(lái)講，是在間隔為 1倍頻程的兩個(gè)頻率之間再插入兩個(gè)頻率，使這 4個(gè)頻率之間依次相距 1/3倍頻程，即這 4個(gè)頻率值按比例為： ，近似為 。 當(dāng)這 N個(gè)噪聲分別降低 分貝后 ， 總聲級(jí)降低為 : NiLi ,1, ??? ?? ?10/10l o g10 ii LLiL ?????總降噪量是 : LLL ?? －＝iL?21 頻譜和頻譜級(jí) 水聲信號(hào)、特別是噪聲信號(hào)常常包含有多種頻率成分，能量分布在一個(gè)頻帶寬 度內(nèi)。為了保證合理的精度，背景干擾至少 要比總聲級(jí)低 3dB。 有時(shí)候幾個(gè)噪聲之間有一定的相干性 ， 但是相干性無(wú)法估計(jì)或測(cè)量 ， 也采用能量疊加的原則處理 。因?yàn)槁晧簣?chǎng)是標(biāo)量場(chǎng)，具有可加性
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