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1、水声学,黑龙江省级精品课程,水声工程学院声学教研室,http:/,第一章 绪论 上半部,水声学的基本内涵水声学的发展简史水声学的主要研究内容水声的主要应用本课程的主要内容,1、水声学的基本内涵,1.1 水声学的定义,水声学主要研究声波在水下的辐射、传播与接收，用以解决与水下目标探测和信息传输过程有关的各种声学问题。,声辐射,声传播,声接收,海洋环境,海底,海面,海水,1.2 水声学基本内涵,水声学是围绕水声技术、水声对抗技术和水声工程的基本需求来开展科学研究的 水声技术利用声波作为信息载体来实现水下探测、定位、导航和通信的原理与方法水声对抗技术在军事上，对抗水下声探测、定位、导航和通信的技术措
2、施与手段水声工程水声技术和对抗技术的工程目标实现,磁场：作用距离在100米以内光：作用距离近10米到100米声波：1分贝/公里，10kHz 频率电磁波：衰减4500分贝/公里结论：声波是目前唯一已知的水下远距离信息传输的有效载体,1.3 各种波在水下的衰减,1.4 声波在水下传播最有效,ATOC-海洋气候声层析,ATOC实验-低频声源,ATOC实验-声波传播路径,2、水声学发展简史,2.1 水声学发展历史,水声学起源 1490年，达.芬奇摘记中提出用长管听远处航船水声学第一次定量测量 1827年，瑞士物理学家 D.Colladon 和法国数学家 C.Sturm合作，在日内瓦湖测 量了水中的声速
3、。,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。,压电陶瓷-PZT（锆钛酸铝）,2.1 水声学发展历史,压电效应,1912年，英国人Alexander Belm描述了回声定位设备。1912年，英国人L.F.Richardon提出了回声定位方案（英国专利）。,2.1 水声学发展历史,The first working sonar system was designed and built in the United States by Canadian Reginald Fessenden in 1914.The Fessenden sonar was an el
4、ectromagnetic moving-coil oscillator that emitted a low-frequency noise and then switched to a receiver to listen for echoes.It was able to detect an iceberg underwater from 2 miles away,although with the low frequency,it could not precisely resolve its direction.,2.1 水声学发展历史,Powerful high frequency
5、 ultrasonic echo-sounding device was developed by emminent French physicist Paul Langvin and Russian scientist Constantin Chilowsky.They called their device the hydrophone.The transducer of the hydrophone consisted of a mosaic of thin quartz crystals glued between two steel plates with a resonant fr
6、equency of 150 KHz.Between 1915 and 1918 the hydrophone was further improved in classified research activities and was deployed extensively in the surveillance of German U-boats and submarines.The first known sinking of a submarine detected by hydrophone occurred in the Atlantic during World War I i
7、n April,1916.,2.1 水声学发展历史,1925年，研制出用于船舶导航水声设备回声测深仪。第二次世界大战促进了水声技术的飞速发展。,2.1 水声学发展历史,二战以后的水声技术与水声学传感器技术拖曳线列阵技术水声信号处理技术水声物理学研究减振降噪与隐身技术,2.1 水声学发展历史,1959年，中苏联合水声考察1994年，南海水声考察2002年，海洋通量测量,2.1 水声学发展历史,3、水声学主要研究对象,水声学的主要研究内容,水声学,水声物理,水声工程,水声系统,水声技术,水声物理,海洋环境声特性海水（声学特性）海底与海面（声学特性）水声传播（规律）混响、噪声、散射、声起伏对声纳设备
8、工作的影响,水声物理研究,水声物理研究,水声换能器水声基阵水声换能材料水声换能器设计原理与方法水声换能器工艺声基阵成阵技术水声换能器校准计量,水声系统,英国国家物理实验室,耦合腔校准系统,中频校准水池定位系统,高压消声水池,湖上试验场及其安装设备和测量系统,4、水声学的主要应用,军事领域,水雷引信声制导鱼雷探雷声纳小目标定位声纳通信声纳航空吊放声纳（浮标声纳）拖曳声纳拖曳线列阵声纳水声导航声纳,安静型潜艇探测的需求,消声瓦使高频回波显著降低，潜艇辐射噪声也主要集中于低频线谱。,Variable Depth Sonar,Towed from ship.Buoyancy,scope and shi
9、p speed determine depth.SL increased with depth.(Quenching limit)Operate below sonic layer depth.,VDS Deploying,VDS(Canada),Mine Hunting VDS,水中目标探测,S-3 SONOBUOYS,Dipping Sonar,Airborne and dipped into the ocean.,水中目标探测,测深单波束测深仪多波束测深仪旁视声纳侧扫声纳综合孔径测深仪测速多普勒测速仪（海流计）相关测速仪（海流计）,民用领域,鱼探仪助渔设备（诱鱼、计数、跟踪）助潜设备水下
10、定位信标应答器通讯与遥测声控海洋监测,海底特性探测,海底特性探测,海底特性探测,海底特性探测,洋流和海水温度探测,洋流和海水温度探测,鱼群探测、跟踪和识别,水声通讯,水声通讯,水声定位导航,水声定位导航,5、本课程的主要内容,本课程的主要内容,建立声纳系统的基本概念由声纳方程入手，将所有与声纳系统有关的物理参数联系到一起，了解声纳系统设计、性能预测所需要的基本参数，建立基本的物理概念，明确水声学的主要研究内容与声纳系统的关系。与换能器和信号处理有关的内容由于有单独设立的课程，这里不再详细讨论。因此，由声纳方程引出有关的水声物理问题，这些都是声纳系统设计必须认真考虑的因素，也是水声学主要的研究内容。,海洋的声学特性是水声学研究的基础，也是水声学研究的基础内容之一。-海洋环境的声学特性是海洋监测技术的基础。海洋环境包括水体、海面和海底，有平均特性，也有不均匀性，他们的声学特性对水声设备的研制与使用都是至关重要的。,声纳及声纳方程海洋的声学特性海洋中的声传播理论典型传播条件下的声场声波在目标上的反射和散射海洋中的混响水下噪声,水声学的学习方法一点建议,与海洋学紧密结合深入掌握声纳方程注重理论联系实践第一章 绪论 下半部,
