【文章內(nèi)容簡介】 間各方向輻射的次級聲波 —— 散射波。 ?與聲波波長相當(dāng)目標(biāo)：反射、繞射、散射過程均起作用。 College of Underwater Acoustic Engineering 44 ? 目標(biāo)回波 ? 目標(biāo)回波概述 ?在聲學(xué)中，近場的次級聲波 —— 衍射波；遠(yuǎn)場的次級聲波 —— 散射波。本書中統(tǒng)稱為散射波。 ?測量目標(biāo)回波的應(yīng)用 測量回波信號 分析處理回波 提取目標(biāo)特征 目標(biāo)檢測識別 College of Underwater Acoustic Engineering 45 ? 目標(biāo)回波 ? 回波信號的形成 ?目標(biāo)鏡反射 鏡反射是幾何反射過程，服從反射定律。曲率半徑 大于波長 的目標(biāo)，回波基本由鏡反射過程產(chǎn)生，與垂直入射點(diǎn)相鄰的目標(biāo)表面產(chǎn)生相干反射回聲。 ?目標(biāo)散射 目標(biāo)表面不規(guī)則性，如棱角、邊緣和小凸起物，其曲率半徑一般 小于波長 ，由散射過程產(chǎn)生回波。 College of Underwater Acoustic Engineering 46 ? 目標(biāo)回波 ? 回波信號的形成 ?目標(biāo)再輻射 一般聲納目標(biāo)為彈性物體，在入射聲波的激勵下，目標(biāo)的某些固有振動模式被激發(fā)，向周圍介質(zhì)輻射聲波，它是目標(biāo)回聲的組成部分，稱之為非鏡反射回波，與目標(biāo) 力學(xué)參數(shù) 、 狀態(tài) 以及與入射聲波 相對位置 等因素有關(guān)。如下圖所示，窄平面波脈沖入射到鋁球上的回波脈沖串。 College of Underwater Acoustic Engineering 47 ? 目標(biāo)回波 ? 回波信號的形成 ?回音廊式回聲（ 環(huán)繞波 ） 聲波入射到 A點(diǎn)除產(chǎn)生鏡反射波外，還有折射波透射到目標(biāo)內(nèi)部。折射波在目標(biāo)內(nèi)部傳播，在 B、 C、 ? 上同樣產(chǎn)生反射和折射，到達(dá) G點(diǎn)時，折射波恰好在返回聲源的方向上，它是回波的一部分。 College of Underwater Acoustic Engineering 48 ? 目標(biāo)回波 ? 回波信號的一般特征 ?多卜勒頻移 運(yùn)動目標(biāo)回波頻率和入射波產(chǎn)生差異，這種差異的大小 與入射波頻率 f及目標(biāo)與聲源之間距離變化率 V有關(guān)，滿足如下關(guān)系： 提示 ：目標(biāo) 接近 聲源時，取 正號 ；目標(biāo) 遠(yuǎn)離 聲源時，取 負(fù)號 。 舉例 ：聲納工作頻率 10 kHz，聲源以 10節(jié) (5 .15m/s)的相對速度趨近目標(biāo)，回波頻移 69Hz。 f?fcVf 2???College of Underwater Acoustic Engineering 49 ? 目標(biāo)回波 ? 回波信號的一般特征 ?脈沖展寬 目標(biāo)回聲是由整個目標(biāo)表面 上的反射體和散射體產(chǎn)生，整個 物體表面都對回波有貢獻(xiàn)。由于 傳播路徑不同，目標(biāo)表面不同部分產(chǎn)生的回波到達(dá)接收點(diǎn)時，時間上有先有后，加寬了回聲信號的脈沖寬度。如圖，平面波以掠射角 入射到長為 L的目標(biāo)上，在收發(fā)合置條件下，回波脈沖將比入射脈沖展寬： cL ?cos2?College of Underwater Acoustic Engineering 50 ? 目標(biāo)回波 ? 回波信號的一般特征 ?脈沖展寬 提示 ：回聲脈沖的這種展寬現(xiàn)象，在窄脈沖入射下，目標(biāo)為許多散射體組成的復(fù)雜目標(biāo)，回聲脈沖展寬明顯；若回聲主要過程是鏡反射，回聲脈沖展寬可以忽略。 舉例 ：潛艇目標(biāo)，在正橫方向，回波展寬僅為10ms，在首尾方位，回波展寬為 100ms。 ?包絡(luò)不規(guī)則性 回聲包絡(luò)是不規(guī)則的，特別當(dāng)鏡反射不起主要作用時更是如此。 College of Underwater Acoustic Engineering 51 ? 目標(biāo)回波 ? 回波信號的一般特征 ?包絡(luò)不規(guī)則性 產(chǎn)生原因 ：目標(biāo)上各散射體的散射波互相迭加干涉引起的。另外，在目標(biāo)回聲中，還可能有個別亮點(diǎn)，這是由目標(biāo)上某些部位產(chǎn)生鏡反射引起。例如，潛艇的指揮臺。 ?調(diào)制效應(yīng) 產(chǎn)生原因 ：（ 1）螺旋槳旋轉(zhuǎn)引起目標(biāo)的散射截面產(chǎn)生周期性變化，引起回聲幅度周期性變化。（ 2）運(yùn)動船體與其尾流產(chǎn)生的兩種回波干涉引起的調(diào)制效應(yīng)。 College of Underwater Acoustic Engineering 52 課堂小測驗(yàn)三 ? 在高頻遠(yuǎn)場條件下，簡單地用能量守恒關(guān)系推出半徑為 a的剛性大球目標(biāo)強(qiáng)度 TS值的表達(dá)式。 ? 測量柱形目標(biāo)的 TS值時，發(fā)現(xiàn) TS值隨測量距離而變，說明這種變化關(guān)系，解釋其原因。 ? 實(shí)驗(yàn)室水池中測量水下目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度應(yīng)注意哪些事項(xiàng)？ College of Underwater Acoustic Engineering 53 ? 剛性球體的散射聲場 ? 剛性不動球體的聲散射 ?目標(biāo)強(qiáng)度值 1）通過實(shí)驗(yàn)測量獲得 2）通過理論計算獲得 提示 ：常見聲納目標(biāo)的幾何形狀基本接近于球形或柱形。 ?剛性：在入射聲波作用下球體不發(fā)生變形，聲波透不到球體內(nèi)部，激不起球內(nèi)部運(yùn)動。 ?不動：球體不參與周圍流體介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動。 College of Underwater Acoustic Engineering 54 ? 剛性球體的散射聲場 ? 剛性不動球體的聲散射 ?散射場計算 取坐標(biāo)系的原點(diǎn)和剛性球的球心重合，并取 軸與入射平面波的傳播方向一致，設(shè)剛性球的半徑為 ，如圖所示。 axCollege of Underwater Acoustic Engineering 55 ? 剛性球體的散射聲場 ? 剛性不動球體的聲散射 ?散射場計算 取入射平面波聲壓為： 設(shè)散射波聲壓為 ，它滿足波動方程： ? ?tkrii ePp ?? ?? co s0sp0s in1s ins in11 22222222 ??????????????????????????ssss pkprprrprrr ??????College of Underwater Acoustic Engineering 56 ? 剛性球體的散射聲場 ? 剛性不動球體的聲散射 ?散射場計算 由于入射聲波關(guān)于 軸對稱，散射波也關(guān)于 軸對稱，則它與變量 無關(guān)，則有： 利用分離變量法，設(shè)： 0s ins in11 2222 ???????????????????????sss pkprrprrr ????? ? ? ???? rRp s?xxCollege of Underwater Acoustic Engineering 57 ? 剛性球體的散射聲場 ? 剛性不動球體的聲散射 ?散射場計算 波動方程可分離成兩個方程： 提示 ：上式為 球貝塞爾方程 ，下式為 勒讓德方程 ，其解的形式都已知。 01 2222 ????????????? mrkrRrrRm?????????????? ???? s ins in1College of Underwater Acoustic Engineering 58 ? 剛性球體的散射聲場 ? 剛性不動球體的聲散射 ?散射場計算 根據(jù)勒讓德方程的解有（ 為分離變量時引入的常數(shù)，根據(jù)勒讓德方程的性質(zhì)， 必須是 非負(fù)整數(shù) ）： 根據(jù)球貝塞爾方程的解有： ? ? ? ??? co smmm Pa ???mm? ? ? ? ? ? ? ? ? ?krhckrhbR mmmmm 21 ?????College of Underwater Acoustic Engineering 59 ? 剛性球體的散射聲場 ? 剛性不動球體的聲散射 ?散射場計算 考慮無窮遠(yuǎn)處輻射條件，系數(shù) 提示 ： 波動方程的解即 散射波聲壓 為： 式中， 為待定常數(shù)，由邊界條件確定。 0??mc? ? ? ? ? ?????01c o smmmms krhPap ?ma? ?? ? )2/)1((2 /2 ?? ???? vkriv ekrkrhCollege of Underwater Acoustic Engineering 60 ? 剛性球體的散射聲場 ? 剛性不動球體的聲散射 ?散射場計算 問題 ： 常數(shù) 的確定（ 根據(jù)邊界條件 ） 對于剛性球體有： 由于散射場聲壓為貝塞爾函數(shù)和勒讓德函數(shù)的級數(shù)和的形式 ，固將入射波聲壓展開為： ma? ? 00?? ?????arsiarr rppiu??? ? ? ? ? ??????0c o s c os12mmmmi k r Pkrjime ??College of Underwater Acoustic Engineering 61 ? 剛性球體的散射聲場 ? 剛性不動球體的聲散射 ?散射場計算 根據(jù)邊界條件，待定系數(shù)為： 散射波聲壓的表達(dá)式為： ? ? ? ?? ? ? ?armmmm rkrhrkrjPmia?????????????? 1012? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ????????0110 co s12mtimmmmms ekrhPkadkadhkadkadjPmip ??College of Underwater Acoustic Engineering 62 ? 剛性球體的散射聲