水声学原理1.ppt

第一章 绪论 第二讲 声纳方程 本讲主要内容 主动声纳方程及其各参数的概念、物理意义（重、难点） ； 被动声纳方程及其各参数的概念、物理意义（重、难点） ； 组合声纳参数的物理意义（了解） ； 声纳方程的工程应用及限制（重点）。 1.5 声纳及其工作方式 声纳（Sonar—Sound Navigation and Ranging）：利用水下声信息进行探测、识别、定位、导航和通讯的系统。 按照工作方式分类：主动声纳和被动声纳 被动声纳通过接收被探测目标（声源部分）如鱼雷、潜 艇等的辐射噪声，来实现水下目标探测。 1.6 声纳参数 主、被动声纳工作信息流程的基本组成： 声信号传播介质（海水） 被探测目标 声纳设备 声纳参数 定义：将影响声纳设备工作的因素称为声纳参数。 1、声源级SL（Source Level） 发射指向性指数DIT： 2、传播损失TL （Transmission Loss） 3、目标强度TS（Target Strength） 4、海洋环境噪声级NL（Noise Level） 5、等效平面波混响级RL（Reverberation Level） 6、接收指向性指数DI（Directivity Index） 水听器灵敏度Sh 7、检测阈DT（Detection Threshold） 1.7 声纳方程 2、主动声纳方程 3、被动声纳方程 1.8 组合声纳参数 组合声纳参数：几个声纳参数的组合量，它具有明确的物理含义。 回声信号级：SL-2TL+TS——加到主动声纳接收换能器上的回声信号的声级； 噪声掩蔽级：NL-DI+DT——工作在噪声干扰中的声纳设备正常工作所需的最低信号级； 混响掩蔽级：RL+DT——工作在混响干扰中的声纳设备正常工作所需的最低信号级； 1.8 组合声纳参数 回声余量：SL-2TL+TS-（NL-DI+DT）——主动声纳回声级超过噪声掩蔽级的数量； 优质因数：SL-（NL-DI+DT）——对于被动声纳，该量规定最大允许单程传播损失；对于主动声纳，当TS=0时，该量规定了最大允许双程传播损失； 品质因数：SL-（NL-DI）——声纳接收换能器测得的声源级与噪声级之差 1.9 声纳方程的应用及其限制 1、声纳方程的应用（两个基本用途） 声纳设备性能预报： 已知设备特点和若干参数，对其它声纳参数进行估计（例如估计最大传播损失——优质因数）； 声纳设备设计： 预先规定设计设备的职能及各项战术技术指标，根据声纳方程综合评价各参数的影响，对参数合理选取和设备最佳设计（例如频率的选取——DI、TL）。 2、声纳方程的限制 * * 主动声纳信息流程 接收阵 处理器 判决 显示 目标 发射机 发射阵 信号源 被动声纳信息流程 接收阵 处理器 判决 显示 目标 声源级SL：用来描述主动声纳所发射的声信号的强弱（反应发射器辐射声功率的大小） 定义： 式中，I为发射器声轴方向上离声源声中心1米处的声强，I0为参考声强（均方根声压为1微帕的平面波对应的声强）。 解释原因：可以提高辐射信号的强度，相应也提高回声信号强度，增加接收信号的信噪比，从而增加声纳的作用距离。 为了提高主动声纳的作用距离，将发射器做成具有一定的发射指向性，如下图所示。 式中： ID为指向性发射器在声轴上测得的声强度； IND为无指向性发射器辐射的声强度。 含义： 在相同距离上，指向性发射器声轴上声级高出无 指向性发射器辐射声场声级的分贝数； DIT越大，声能在声轴方向集中的程度越高； DIT越大，就有利于增加声纳的作用距离。 已知声功率时，如何计算SL？ 声源级与声功率的关系： 假设介质无声吸收，声源为点声源，辐射声功率为Pa（W），距声源声中心1米处声强度为： 1）无指向性声源辐射声功率与声源级的关系： 2）指向性声源辐射声功率与声源级的关系： 常识：船用声纳Pa为几百瓦~几千瓦，DIT为10~30dB，SL约为210~240dB。 传播损失TL定量描述声波传播一定距离后声强度的衰减变化 定义： 式中，I1是离声源声中心1米处的声强度；Ir 离声源声中心 r 米处的声强度。 引起声强衰减的原因： 1）由于海水介质本身的声吸收 2）声传播过程波阵面的扩展 3）海水中各种不均匀体的散射 目标反射本领有差异：在同样入射声波的照射下，不同目标的回波是不一样的。它除了与入射声波特性（频率、波阵面形状）有关，还与目标的特性（几何形状、材料等）有关。 目标强度TS定量描述目标反射本领的大小 定义： 式中，Ii是目标处入射声波的强度；Ir离目标声中心1米处的回波强度。 海洋环境噪声是由海洋中大量的各种各样的噪声源发出的声波构成的，它是声纳设备的一种背景干扰。 环境噪声级NL是度量环境噪声强弱的量