水声学概论.docVIP

第1章 绪论 水声学是一门研究声波在水中产生、传播和接收规律的学科。 在水中，光波和无线电波的传播衰减很大，传播距离很短（至多101m量级），而声波衰减很小，甚至可传输几千公里。这使得水声技术在人类关于海洋科学研究和开发利用活动中得以广泛应用。 水声学在学科划分中的地位 水声学划分在两个一级学科中。可见，水声学含有一定的学科交叉。 物理学（一级学科）——声学（二级学科）——水声学 海洋学（一级学科）——海洋物理学（二级学科）——海洋声学（水声学） 《水声学原理》课程的地位 《水声学原理》课程学习水声学的基本原理，为后续的水声物理和水声工程方向奠定物理基础。由此可见，《水声学原理》课程是一门专业基础课程。 《水声学原理》课程要求学生学习过《高等数学》、《数学物理方法》等课程，最好学习过《信号与系统》课程。 §1.1 水声学发展简史 水声学的迅速发展：始于第二次世界大战初期 声纳起源：1490年，意大利列昂纳多?芬奇在摘记中写道：“如果使船停航，将长管的一端插入水中，而将管的开口放在耳旁，则能听到远处的航船。”——它是人类利用水声探测水下目标的最早记载，这种原始“声纳”一直到第一次世界大战还广为采用。 水声的第一次定量测量：1827年，瑞士物理学家D.Colladon和法国数学家C.Sturm合作，在日内瓦测量了声速，测得的声速值为1435米/秒，与现代测量值十分接近。 水声换能进展：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；在此基础上，发展了水声压电换能器和磁滞伸缩换能器，实现水中电能和声能之间的转换。 水声第一个回声定位方案：1912年，英国“泰坦尼克号”和冰山相撞海难事件发生后不久，英国人L.F.Richardson提出水下回声定位方案，他本人未能实现这一方案。 军用声纳发展（第一次世界大战）：第一次世界大战后期，反潜成为一个主要研究方向；法国物理学家B.Langeven和俄国电气工程师C.Chilowsky采用电容发射器和碳粒接收器作了水下目标的探测实验，1916年接收到海底回波和200米以外的一块装甲板的回波；1917年Langeven研究成功了石英－钢夹心换能器，并利用了真空管放大器，首次将电子学应用于水声技术；1918年，成功地探测到1500米以外的水下潜艇的反射声。他首次实现了利用回声探测水下目标。 第一次世界大战后：水声技持续发展，1925年研制用于传播导航的水声设备——回声测深仪。 第二次世界大战：进一步推动水声技术的发展，取得很多成果：主、被动声纳，水声制导鱼雷，音响水雷和扫描声纳等。 第二次世界大战后：随着电子信息技术和水声技术的迅速发展，形成了低频、大功率、大基阵和综合信号处理为特征的新一代声纳。近年来，最佳时空增益处理机理论的发展、信号处理的自适应技术和大规模集成电路的应用，又酝酿更新一代水声设备的诞生。 水声物理研究：在两次大战期间，人们对海水中声波传播规律了解甚少，感到探测距离随季节和一天的“早、中、晚”变化莫测，使水声设备的使用受到限制，“下午效应”就是这方面的一个例子。它促进各海军国进行水声物理方面的深入研究。 水声物理主要研究：海水中声速分布及其对声传播的影响；用射线理论分析海洋中声传规律；海洋中声传播衰减规律和吸收机理；海底、海面的声学特性及对传播的影响；舰船噪声、混响，海洋环境噪声等水声干扰特性的了解；舰船等目标的反射本领等。它为水声设备合理选择参数提供依据，形成一门独立学科。 二次世界大战后，水声技术在民用方面的应用日益广泛，海洋开发、捕鱼、海底地质测绘、导航、水下机器人研制等方面都有水声设备的应用。 §1.2 水声学的研究对象 水声物理：从水声场的物理特性分析出发，主要研究海水介质及其边界（海底、海面）的声学特性、声波在海水介质中的传播时所遵循的规律和海水中散射体的散射规律。 水声工程：包括水下声系统和水声技术两方面。 水下声系统：是水声换能器及基阵，实现水下声能与电能之间的转换，研究内容主要为换能器材料、结构、制作及其辐射、接收特性等。 水声技术：广义——声波在水中完成某种职能的有关技术。 狭义——水声信号处理、显示技术，主要研究声信号在水中传播时的特性和背景干扰（噪声和混响）的统计特性，在此基础上设计最佳时、空处理方案，实现信号检测，并完成目标参数估计和识别。 §1.3 水声学的应用 水声的军事应用： 水雷引爆：压敏水雷、音响水雷 制导鱼雷：主、被动制导 舰载声纳：A/N-SQS-26 拖曳声纳：A/N-SQS-35 拖曳线阵以及声纳浮标等 水声的民用： 测深：常规测深仪、底层剖面仪、旁视声纳 多普勒测速仪 鱼探仪：前视主动声纳 助鱼设备：计数、诱鱼 助潜设备：手提式小型的定位声纳 定位标志：信标、应答器 通讯与遥测 控制：声释放器、油井