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水声学基础水声学基础Introduction of Underwater AcousticsIntroduction of Underwater Acoustics 1 1§本课程目的和任务 通过讲述声纳方程、海洋声传播特性、目标反通过讲述声纳方程、海洋声传播特性、目标反射和散射、海洋混响和水下噪声等内容，使学生了射和散射、海洋混响和水下噪声等内容，使学生了解水声工程设计的基本方法、声纳设备以及水声学解水声工程设计的基本方法、声纳设备以及水声学的最新发展动态，掌握声波在海水中传播时的基本的最新发展动态，掌握声波在海水中传播时的基本现象和规律以及对声纳设备的影响，具有解决简单现象和规律以及对声纳设备的影响，具有解决简单的水声工程实际问题的能力的水声工程实际问题的能力§水声学是本专业主要特色课程之一2 2教材：教材：教材：教材：n n 刘伯胜、刘伯胜、刘伯胜、刘伯胜、雷雷雷雷家煜，水声学原理家煜，水声学原理家煜，水声学原理家煜，水声学原理，哈尔滨工程大学出，哈尔滨工程大学出，哈尔滨工程大学出，哈尔滨工程大学出版社，版社，版社，版社，2009.2009.2009.2009.主要参考资料：主要参考资料：主要参考资料：主要参考资料：n n R. J.R. J.R. J.R. J.尤立克著，洪申译，水声原理，哈尔滨船舶工程学院尤立克著，洪申译，水声原理，哈尔滨船舶工程学院尤立克著，洪申译，水声原理，哈尔滨船舶工程学院尤立克著，洪申译，水声原理，哈尔滨船舶工程学院 出版社，出版社，出版社，出版社，1989.1989.1989.1989.n n 汪德昭、尚尔昌，水声学（第二版），科学出版社，汪德昭、尚尔昌，水声学（第二版），科学出版社，汪德昭、尚尔昌，水声学（第二版），科学出版社，汪德昭、尚尔昌，水声学（第二版），科学出版社，2013.2013.2013.2013.n n P.C. P.C. P.C. P.C. EtterEtterEtterEtter, Underwater acoustic modeling and , Underwater acoustic modeling and , Underwater acoustic modeling and , Underwater acoustic modeling and simulation,4th simulation,4th simulation,4th simulation,4th Edition, CRC, 2013. Edition, CRC, 2013. Edition, CRC, 2013. Edition, CRC, 2013. n n 顾金海、叶学千，水声学基础，国防工业出版社，顾金海、叶学千，水声学基础，国防工业出版社，顾金海、叶学千，水声学基础，国防工业出版社，顾金海、叶学千，水声学基础，国防工业出版社，1981.1981.1981.1981.n n 网站：网站：网站：网站： http://http://http:// / / /2024/7/312024/7/313 3§声波的基本知识§水声学的基本内涵§水声学的发展简史§水声学的主要研究对象§水声的主要应用§本课程的主要内容第一章第一章 绪绪 论论4 41、声波的基本知识、声波的基本知识2024/7/312024/7/315 5声波的基本知识声波的基本知识§声探测的三个基本要素声探测的三个基本要素:–声源声源声源声源 – – 任何振动物体任何振动物体任何振动物体任何振动物体. .–介质介质介质介质–探测器探测器探测器探测器/ /接收器接收器接收器接收器§物体的振动引起介质的物体的振动引起介质的压缩压缩与与膨胀膨胀§明确明确: l = c / f2024/7/312024/7/316 6定定定定 义义义义§声功率声功率 = 辐射的声波能量辐射的声波能量 / 秒秒 (Joules / s).§声强声强 = 声功率密度或声功率声功率密度或声功率 / 单位面积单位面积.§声压声压 = 单位面积的受力单位面积的受力.–如测得了声压，就可以确定声强如测得了声压，就可以确定声强如测得了声压，就可以确定声强如测得了声压，就可以确定声强. .§测量单位测量单位.–大气压大气压大气压大气压, , 巴巴巴巴, , 帕斯卡帕斯卡帕斯卡帕斯卡, PSI, , PSI, 达因达因达因达因/ /平方厘米平方厘米平方厘米平方厘米, , 毫米汞毫米汞毫米汞毫米汞柱柱柱柱. .2024/7/312024/7/317 7声波的计量声波的计量声波的计量声波的计量如何比较声波的强弱如何比较声波的强弱如何比较声波的强弱如何比较声波的强弱如何比较声波的强弱如何比较声波的强弱? ? ?§采用采用分贝分贝（（ DECIBELS）为单位）为单位.§声强比率的分贝表示声强比率的分贝表示. {声压级声压级 (SPL)}§定义定义–dB = 10 log (ratio) dB = 10 log (ratio) –SPL = 10 log (I/ISPL = 10 log (I/Io o) = 10 log (P) = 10 log (P2 2/P/Po o2 2) = 20 log ) = 20 log (P/P(P/Po o) )–因此因此因此因此……SPL = 20 log ( P / 1 SPL = 20 log ( P / 1 m m m mPa )Pa )2024/7/312024/7/318 8小小小小 测测测测 验验验验两个噪声源的声压级均为两个噪声源的声压级均为两个噪声源的声压级均为两个噪声源的声压级均为 60 dB.60 dB.两个噪声源共同辐射噪声的声压级是两个噪声源共同辐射噪声的声压级是两个噪声源共同辐射噪声的声压级是两个噪声源共同辐射噪声的声压级是多少多少多少多少? ?60 + 60 = 120 60 + 60 = 120 ……………… 对吗对吗对吗对吗 ……????错错错错! !60dB + 60dB = 63dB 60dB + 60dB = 63dB 具体如下具体如下具体如下具体如下……2024/7/312024/7/319 9Combining Sound Pressure Levels Combining Sound Pressure Levels (SPL)(SPL)§两个相同的噪声源两个相同的噪声源– –SPL = 10 log(2PSPL = 10 log(2P1 12 2/1 /1 m mPa) = 10 log(PPa) = 10 log(P1 12 2/1 /1 m mPa) + 10 Pa) + 10 log (2)log (2)– –SPL = SPLSPL = SPL1 1 + 3 + 3§数学计算方法数学计算方法– –SPL = 10 log ( 10SPL = 10 log ( 10SPLSPL1 1/10/10 + 10 + 10SPLSPL2 2/10/10 ) )§列表方法列表方法2024/7/312024/7/311010Adding DecibelsAdding Decibels2024/7/312024/7/3111112、水声学的基本内涵、水声学的基本内涵2024/7/312024/7/3112122.1 2.1 水声学的定义水声学的定义§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。

声辐射声辐射声传播声传播声接收声接收海洋环境海洋环境海底海底海面海面海水海水2024/7/312024/7/311313§水声学是声学的一个重要分支 2024/7/312024/7/3114142.2 2.2 水声学基本内涵水声学基本内涵§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的基本需求来开展科学研究的 –水声技术水声技术§ §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和通信的原理与方法–水声对抗技术水声对抗技术§ §在军事上，对抗水下声探测、定位、导航和通信的技在军事上，对抗水下声探测、定位、导航和通信的技术措施与手段术措施与手段–水声工程水声工程§ §水声技术和对抗技术的工程目标实现水声技术和对抗技术的工程目标实现2024/7/312024/7/311515提问提问提问提问??????§应该采用何种方式探测水下目标应该采用何种方式探测水下目标? ?–雷达雷达雷达雷达§ §在水中传播衰减很大在水中传播衰减很大在水中传播衰减很大在水中传播衰减很大. . . .–光光光光§ §作用距离非常近作用距离非常近作用距离非常近作用距离非常近 ( 10 ( 10 ( 10 ( 10米米米米 到到到到 100100100100米米米米 ).).).).–磁场特征磁场特征磁场特征磁场特征§ §有用，但作用距离近有用，但作用距离近有用，但作用距离近有用，但作用距离近 (100 (100 (100 (100米以内米以内米以内米以内).).).).–声波声波声波声波§ §????????????声波是水下远距离信息传输唯一有效载体声波是水下远距离信息传输唯一有效载体2024/7/312024/7/311616回答回答回答回答!!!!!!§声波声波!–声波是目前水下唯一有声波是目前水下唯一有声波是目前水下唯一有声波是目前水下唯一有效的远距离信息载体效的远距离信息载体效的远距离信息载体效的远距离信息载体. .§声波是最好的选择是声波是最好的选择是因为因为…–可以做超远距离传播可以做超远距离传播可以做超远距离传播可以做超远距离传播–可以分辨海水中的目标可以分辨海水中的目标可以分辨海水中的目标可以分辨海水中的目标–传播速度较快传播速度较快传播速度较快传播速度较快2024/7/312024/7/311717声波是水下远距离信息传输唯一有效载体声波是水下远距离信息传输唯一有效载体2024/7/312024/7/311818水声学与海洋环境水声学与海洋环境air-oceaninterfaceoceanvolumeoceansubbottom2024/7/312024/7/311919图9 54组声速剖面2024/7/312024/7/312020§ §c= c= f fl l l l 但但但但……– –c = 1500 m/s (c c = 1500 m/s (c 是是是是 海海海海水水水水中的声速中的声速中的声速中的声速 ). ).§声传播速度声传播速度声传播速度声传播速度, , 频率和波长相互联系频率和波长相互联系频率和波长相互联系频率和波长相互联系, , 但依赖环境参但依赖环境参但依赖环境参但依赖环境参数的变化数的变化数的变化数的变化: :– –TemperatureTemperature – – 增加增加增加增加1 1o o C = C = 声速增加声速增加声速增加声速增加3 m/s. 3 m/s. – –PressurePressure – – 深度增加深度增加深度增加深度增加100100米米米米 = = 声速增加声速增加声速增加声速增加1.7 m/s.1.7 m/s. – –SalinitySalinity – – 盐度增加盐度增加盐度增加盐度增加1 PPT = 1 PPT = 声速增加声速增加声速增加声速增加1.3 m/s.1.3 m/s.§i.e. i.e. c(T, p, S) = c(T, p, S) = f fl = l = l = l = 15001500 m/sm/s声波在水中的辐射、传播和接收受到环境声波在水中的辐射、传播和接收受到环境因素的显著影响因素的显著影响 海水中的声速海水中的声速海水中的声速海水中的声速2024/7/312024/7/312121Speed of Sound in WaterSpeed of Sound in WaterDepthDepthDepthDepthDepthDepthSalinitySalinityPressurePressureTemperatureTemperatureMedium Effects:Medium Effects: ElasticityElasticity and and DensityDensity Salinity Pressure TemperatureSalinity Pressure TemperatureSalinity Pressure TemperatureVariable Effects of:Variable Effects of:2024/7/312024/7/312222SOFARSOFAR声道声道§19441944年，年，Ewing Ewing 和和 Worzel Worzel作低频远距离声传作低频远距离声传播实验播实验§接收船布放水听器，发射船投放接收船布放水听器，发射船投放4 4磅爆炸声磅爆炸声源，两船相距源，两船相距 900 900海里海里 §Ewing and WorzelEwing and Worzel第一次听到了第一次听到了SOFARSOFAR声道声道 (SOund Fixing And Ranging)(SOund Fixing And Ranging)传来的脉冲序列声。

传来的脉冲序列声2024/7/312024/7/312323声波在水中的辐射、传播和接收受到环境声波在水中的辐射、传播和接收受到环境因素的显著影响因素的显著影响 §海水中声速分布对声传播海水中声速分布对声传播海水中声速分布对声传播海水中声速分布对声传播的影响环境的影响环境的影响环境的影响环境2024/7/312024/7/312424水声设备设计和使用要与水声环境相匹配水声设备设计和使用要与水声环境相匹配§根据水声波导的特点确定声纳设备的布放根据水声波导的特点确定声纳设备的布放§根据水声波导的特点确定声纳的工作方式根据水声波导的特点确定声纳的工作方式§根据水声信道的特点确定水声信号处理的根据水声信道的特点确定水声信号处理的方案方案2024/7/312024/7/312525 水声传播中的多途现象水声传播中的多途现象VLASound Speed ProfileProblems: Ray bundle, Interaction with Bottom, Mode Coupling due to internal wave, front 2024/7/312024/7/312626录音机记录到的爆炸脉冲波形录音机记录到的爆炸脉冲波形2024/7/312024/7/312727§环境匹配信号处理方法需要计算大量拷贝声场环境匹配信号处理方法需要计算大量拷贝声场基于信道基于信道自适应的自适应的声场聚焦声场聚焦2024/7/312024/7/3128282024/7/312024/7/312929海军作战需要充分利用水声环境海军作战需要充分利用水声环境§海底山对声传播的影响海底山对声传播的影响2024/7/312024/7/313030海洋环境中的声场分布海洋环境中的声场分布2024/7/312024/7/313131海洋环境经济代价战术约束武器系统声纳系统平 台目 标噪声模型混响模型危险评估代价评估声纳性能预报模型海洋与水声集成的声场预报模型 专家系统海 洋 环 境 信 息 获 取 研 究2024/7/312024/7/3132323、水声学发展简史、水声学发展简史2024/7/312024/7/313333水声学发展历史水声学发展历史§ §水声学起源水声学起源水声学起源水声学起源 14901490年，达年，达. .芬奇摘记中芬奇摘记中提出用长管听远处航船提出用长管听远处航船§ §水声学第一次定量测量水声学第一次定量测量水声学第一次定量测量水声学第一次定量测量 1827 1827年，瑞士物理学家年，瑞士物理学家D.ColladonD.Colladon和法国数学家和法国数学家C.SturmC.Sturm合作，在日内瓦湖合作，在日内瓦湖测量了水中的声速测量了水中的声速。

2024/7/312024/7/313434§ §1840184018401840年，焦耳发现了磁致伸缩效应年，焦耳发现了磁致伸缩效应年，焦耳发现了磁致伸缩效应年，焦耳发现了磁致伸缩效应§ §1880188018801880年，皮埃尔年，皮埃尔年，皮埃尔年，皮埃尔. . . .居里发现了压电效应居里发现了压电效应居里发现了压电效应居里发现了压电效应水声学发展历史水声学发展历史压电陶瓷压电陶瓷压电陶瓷压电陶瓷 --PZT--PZT（锆钛酸铝）（锆钛酸铝）（锆钛酸铝）（锆钛酸铝）2024/7/312024/7/313535水声学发展历史水声学发展历史§ §一个航海悲剧（一个航海悲剧（一个航海悲剧（一个航海悲剧（1912191219121912年）和一次世界大战（年）和一次世界大战（年）和一次世界大战（年）和一次世界大战（1914191419141914年）推动水年）推动水年）推动水年）推动水声学迅速发展声学迅速发展声学迅速发展声学迅速发展§ §1912191219121912年，泰坦尼克号沉没年，泰坦尼克号沉没年，泰坦尼克号沉没年，泰坦尼克号沉没2024/7/312024/7/313636§ §1912191219121912年，年，年，年， 英国人英国人英国人英国人Alexander BelmAlexander BelmAlexander BelmAlexander Belm描述了回声定位设备。

描述了回声定位设备描述了回声定位设备描述了回声定位设备 § §1912191219121912年，英国人年，英国人年，英国人年，英国人L.F. RichardonL.F. RichardonL.F. RichardonL.F. Richardon提出了回声定位方案（英国专提出了回声定位方案（英国专提出了回声定位方案（英国专提出了回声定位方案（英国专利）水声学发展历史水声学发展历史2024/7/312024/7/313737n nThe The first first working working sonar sonar system system was was designed designed and and built built in in the the United United States States by by Canadian Canadian Reginald Reginald Reginald Reginald FessendenFessendenFessendenFessenden in in 1914191419141914. . The The Fessenden Fessenden sonar sonar was was an an electromagnetic electromagnetic moving-coil moving-coil oscillator oscillator that that emitted emitted a a low-frequency low-frequency noise noise and and then then switched switched to to a a receiver receiver to to listen listen for for echoes. echoes. It It was was able able to to detect detect an an iceberg iceberg underwater underwater from from 2 2 miles miles away, away, although although with with the the low low frequency, it could not precisely resolve its direction. frequency, it could not precisely resolve its direction. 水声学发展历史水声学发展历史2024/7/312024/7/313838n n 1914191419141914年，第一次世界大战爆发，反潜战出现年，第一次世界大战爆发，反潜战出现年，第一次世界大战爆发，反潜战出现年，第一次世界大战爆发，反潜战出现- -大西洋潜艇战役片断大西洋潜艇战役片断2024/7/312024/7/313939大西洋潜艇战役片断2024/7/312024/7/314040大西洋潜艇战役片断2024/7/312024/7/314141大西洋潜艇战役片断2024/7/312024/7/314242n nPowerful Powerful high high frequency frequency ultrasonicultrasonicultrasonicultrasonic echo-sounding echo-sounding device device was was developed developed by by emminent emminent French French physicist physicist Paul Paul Paul Paul LangévinLangévinLangévinLangévin and and Russian Russian scientist scientist Constantin Constantin Constantin Constantin ChilowskyChilowskyChilowskyChilowsky. . They They called called their their device device the the ' 'hydrophone'hydrophone'hydrophone'hydrophone'. . The The transducertransducertransducertransducer of of the the hydrophone hydrophone consisted consisted of of a a mosaic mosaic of of thin thin quartz quartz crystals crystals glued glued between between two two steel steel plates plates with with a a resonant resonant frequency frequency of of 150 150 KHz. KHz. Between Between 1915 1915 and and 1918 1918 the the hydrophone hydrophone was was further further improved improved in in classified classified research research activities activities and and was was deployed deployed extensively extensively in in the the surveillance surveillance of of German German U-U-boats boats and and submarines. submarines. The The first first known known sinking sinking of of a a submarine submarine detected detected by by hydrophone hydrophone occurred occurred in in the the Atlantic during World War I in April,1916. Atlantic during World War I in April,1916. 水声学发展历史水声学发展历史2024/7/312024/7/314343§ §1925192519251925年，年，年，年， 研制出用于船舶导航水声设备研制出用于船舶导航水声设备研制出用于船舶导航水声设备研制出用于船舶导航水声设备————————回声测深仪。

回声测深仪回声测深仪回声测深仪§ §第二次世界大战促进了水声技术的飞速发展第二次世界大战促进了水声技术的飞速发展第二次世界大战促进了水声技术的飞速发展第二次世界大战促进了水声技术的飞速发展水声学发展历史水声学发展历史2024/7/312024/7/314444n n二战期间，潜艇共击沉作战舰艇二战期间，潜艇共击沉作战舰艇二战期间，潜艇共击沉作战舰艇二战期间，潜艇共击沉作战舰艇381381381381艘，其中战列舰艘，其中战列舰艘，其中战列舰艘，其中战列舰3 3 3 3艘，航艘，航艘，航艘，航空母舰空母舰空母舰空母舰17171717艘，巡洋舰艘，巡洋舰艘，巡洋舰艘，巡洋舰32323232艘，驱逐舰艘，驱逐舰艘，驱逐舰艘，驱逐舰122122122122艘，还有其它作战舰艇艘，还有其它作战舰艇艘，还有其它作战舰艇艘，还有其它作战舰艇207207207207艘，击沉各种运输船艘，击沉各种运输船艘，击沉各种运输船艘，击沉各种运输船5000500050005000余艘n n二战中各种舰艇共击沉航空母舰二战中各种舰艇共击沉航空母舰二战中各种舰艇共击沉航空母舰二战中各种舰艇共击沉航空母舰38383838艘，仅潜艇就击沉艘，仅潜艇就击沉艘，仅潜艇就击沉艘，仅潜艇就击沉17171717艘。

艘n n被潜艇击沉的潜艇被潜艇击沉的潜艇被潜艇击沉的潜艇被潜艇击沉的潜艇80808080艘n n在第二次世界大战中，德国在第二次世界大战中，德国在第二次世界大战中，德国在第二次世界大战中，德国“ “U-47U-47U-47U-47” ”号潜艇于号潜艇于号潜艇于号潜艇于1939193919391939年年年年10101010月月月月潜潜潜潜入英国位于苏格兰北部的海军基地，在港内击沉了英国的排入英国位于苏格兰北部的海军基地，在港内击沉了英国的排入英国位于苏格兰北部的海军基地，在港内击沉了英国的排入英国位于苏格兰北部的海军基地，在港内击沉了英国的排水量达水量达水量达水量达33000330003300033000多吨的大型战列舰多吨的大型战列舰多吨的大型战列舰多吨的大型战列舰“ “皇家橡树皇家橡树皇家橡树皇家橡树” ”号，创造了军号，创造了军号，创造了军号，创造了军事史上的奇迹事史上的奇迹事史上的奇迹事史上的奇迹n n在双方被击沉的潜艇中，有在双方被击沉的潜艇中，有在双方被击沉的潜艇中，有在双方被击沉的潜艇中，有60%60%60%60%是由水声设备发现的是由水声设备发现的是由水声设备发现的是由水声设备发现的。

水声学发展历史水声学发展历史2024/7/312024/7/314545§第一和第二次世界大战期间第一和第二次世界大战期间第一和第二次世界大战期间第一和第二次世界大战期间– –反潜，法国、英国和美国，主动声纳反潜，法国、英国和美国，主动声纳§ §郎之万振子，夹心石英预应力换能器郎之万振子，夹心石英预应力换能器§ §磁致伸缩换能器磁致伸缩换能器§ §电子管振荡器和放大器电子管振荡器和放大器§ §压电陶瓷压电陶瓷§ §透声橡胶透声橡胶§ §水声物理研究，传播，噪声，混响的基本理论水声物理研究，传播，噪声，混响的基本理论– –潜艇攻击，德国的被动声纳潜艇攻击，德国的被动声纳————听音系统听音系统– –潜艇隐身技术，消声瓦潜艇隐身技术，消声瓦水声学发展历史水声学发展历史2024/7/312024/7/314646§二战以后的水声技术与水声学二战以后的水声技术与水声学二战以后的水声技术与水声学二战以后的水声技术与水声学– –传感器技术传感器技术– –拖曳线列阵技术拖曳线列阵技术– –水声信号处理技术水声信号处理技术– –水声物理学研究水声物理学研究– –减振降噪与隐身技术减振降噪与隐身技术水声学发展历史水声学发展历史2024/7/312024/7/314747§水下作战的主要手段水下作战的主要手段– –潜艇、鱼雷、水雷、蛙人等潜艇、鱼雷、水雷、蛙人等§水下战的主要内容水下战的主要内容– –潜艇战与反潜战潜艇战与反潜战– –鱼雷攻击与防护鱼雷攻击与防护– –水雷战与反水雷水雷战与反水雷§水下作战保障水下作战保障– –先敌发现（隐身和探测能力）先敌发现（隐身和探测能力）– –精确定位（定敌我位置）精确定位（定敌我位置）– –隐蔽导航与通信隐蔽导航与通信2024/7/312024/7/3148484、水声学主要研究对象、水声学主要研究对象2024/7/312024/7/314949水声学的主要研究内容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2024/7/312024/7/315050水声物理水声物理§海洋环境声特性海洋环境声特性海洋环境声特性海洋环境声特性– –海水（声学特性）海水（声学特性）– –海底与海面（声学特性）海底与海面（声学特性）§水声传播（规律）水声传播（规律）水声传播（规律）水声传播（规律）§混响、噪声、散射、声起伏混响、噪声、散射、声起伏混响、噪声、散射、声起伏混响、噪声、散射、声起伏§对声纳设备工作的影响对声纳设备工作的影响对声纳设备工作的影响对声纳设备工作的影响2024/7/312024/7/315151水声物理研究水声物理研究2024/7/312024/7/315252水声物理研究水声物理研究2024/7/312024/7/315353§水声换能器水声换能器水声换能器水声换能器§水声基阵水声基阵水声基阵水声基阵FF水声换能材料水声换能材料FF水声换能器设计原理与方法水声换能器设计原理与方法FF水声换能器工艺水声换能器工艺FF声基阵成阵技术声基阵成阵技术FF水声换能器校准计量水声换能器校准计量水声系统水声系统2024/7/312024/7/315454DD SONAR ArrayDD SONAR Array2024/7/312024/7/315555英国国家物理实验室英国国家物理实验室耦合腔校准系统耦合腔校准系统耦合腔校准系统耦合腔校准系统中频校准水池定位系统中频校准水池定位系统中频校准水池定位系统中频校准水池定位系统2024/7/312024/7/315656高压消声水池高压消声水池高压消声水池高压消声水池2024/7/312024/7/315757湖上试验场及其安装设备和测量系统湖上试验场及其安装设备和测量系统2024/7/312024/7/315858水声技术水声技术§水声信号处理、显示技术水声信号处理、显示技术水声信号处理、显示技术水声信号处理、显示技术§ §信号检测（目标检测）信号检测（目标检测）§ §参数估计（参数估计）参数估计（参数估计）§ §目标识别目标识别2024/7/312024/7/3159595、水声学的主要应用、水声学的主要应用2024/7/312024/7/316060军事应用n n水雷引信水雷引信n n声制导鱼雷声制导鱼雷n n探雷声纳探雷声纳n n小目标定位声纳小目标定位声纳n n通信声纳通信声纳n n航空吊放声纳（浮标声纳）航空吊放声纳（浮标声纳）n n拖曳声纳拖曳声纳n n拖曳线列阵声纳拖曳线列阵声纳n n水声导航声纳水声导航声纳2024/7/312024/7/316161安静型潜艇探测的需求安静型潜艇探测的需求消声瓦使高频回波显消声瓦使高频回波显著降低，潜艇辐射噪著降低，潜艇辐射噪声也主要集中于低频声也主要集中于低频线谱。

线谱2024/7/312024/7/316262§ §美国是世界美国是世界上潜艇技术上潜艇技术领先、数量领先、数量最多的国家，最多的国家，共拥有潜艇共拥有潜艇70707070余艘，全余艘，全部为核动力部为核动力潜艇，其中，潜艇，其中，战略导弹核战略导弹核潜艇近潜艇近20202020艘、艘、攻击型核潜攻击型核潜艇艇50505050余艘美国最新核动力攻击潜艇美国最新核动力攻击潜艇- -海狼号海狼号2024/7/312024/7/316363§ §“ “俄亥俄俄亥俄” ”级战级战略导弹核潜艇是略导弹核潜艇是美国美国“ “三维一体三维一体” ”战略核力量的战略核力量的中坚，该级艇是中坚，该级艇是美国至今建造的美国至今建造的吨位吨位最大最大最大最大、性能、性能最先进最先进最先进最先进、携带导、携带导弹弹最多最多最多最多的战略导的战略导弹核潜艇，水下弹核潜艇，水下排水量排水量1875018750吨，吨，下潜深度下潜深度400400米，米，水下航速水下航速2525节，节，每艘有每艘有24 24 个导个导弹发射筒弹发射筒 美国俄亥俄级核动力导弹潜艇美国俄亥俄级核动力导弹潜艇2024/7/312024/7/316464俄罗斯俄罗斯D D级弹道导弹核潜艇级弹道导弹核潜艇§ §俄罗斯的弹道导俄罗斯的弹道导俄罗斯的弹道导俄罗斯的弹道导弹核潜艇共发展弹核潜艇共发展弹核潜艇共发展弹核潜艇共发展了四代，分别为了四代，分别为了四代，分别为了四代，分别为“ “ “ “台风台风台风台风” ” ” ”级、级、级、级、DIDIDIDI、、、、DIIDIIDIIDII、、、、DIVDIVDIVDIV级，目级，目级，目级，目前在役的有前在役的有前在役的有前在役的有17171717艘，艘，艘，艘，“ “ “ “台风台风台风台风” ” ” ”级弹道级弹道级弹道级弹道导弹核潜艇是世导弹核潜艇是世导弹核潜艇是世导弹核潜艇是世界上排水量最大界上排水量最大界上排水量最大界上排水量最大的核潜艇，其水的核潜艇，其水的核潜艇，其水的核潜艇，其水下排水量下排水量下排水量下排水量26500265002650026500吨，吨，吨，吨，水下航速水下航速水下航速水下航速26262626节，节，节，节，可携带可携带可携带可携带16161616－－－－20202020枚枚枚枚SS-N-23SS-N-23SS-N-23SS-N-23或或或或SS-N-20SS-N-20SS-N-20SS-N-20型弹道核导弹，型弹道核导弹，型弹道核导弹，型弹道核导弹，每枚可携载每枚可携载每枚可携载每枚可携载10101010个个个个分弹头，射程可分弹头，射程可分弹头，射程可分弹头，射程可达达达达9000900090009000－－－－10000100001000010000公公公公里。

里2024/7/312024/7/316565§ §英国是世界英国是世界上第三个拥上第三个拥有核武器的有核武器的国家，英国国家，英国的核力量全的核力量全部为海基，部为海基，目前拥有战目前拥有战略导弹核潜略导弹核潜艇艇4 4 4 4艘，每艘艘，每艘可携带可携带1616枚枚“ “三叉戟三叉戟” ”弹道核导弹，弹道核导弹，每枚可携载每枚可携载1414枚分弹头，枚分弹头，射程达射程达1200012000公里英国最新战略核潜艇英国最新战略核潜艇-警戒号警戒号2024/7/312024/7/316666§ §法国海军的战法国海军的战略导弹核潜艇略导弹核潜艇有三代，第一有三代，第一代代“ “无畏无畏” ”级、级、第二代第二代“ “不屈不屈” ”级、第三代级、第三代“ “胜利胜利” ”级目前在役的有目前在役的有5 5 5 5艘，其中艘，其中“ “胜利胜利” ”级水下级水下排水量排水量1433514335吨、吨、水下航速水下航速2525节、节、下潜深度下潜深度300300米米，可携带，可携带1616枚枚M45M45型战略核型战略核导弹，射程导弹，射程53005300公里 法国海基核力量中坚法国海基核力量中坚-凯旋号核潜艇凯旋号核潜艇2024/7/312024/7/316767中国中国 092092型型“ “夏夏” ” 级弹道导弹核潜艇级弹道导弹核潜艇§ §中国的潜中国的潜艇：艇：091091型型“ “汉汉” ”级级攻击核潜攻击核潜艇、艇、092092型型“ “夏夏” ”级级弹道导弹弹道导弹核潜艇、核潜艇、 039039型型“ “宋宋” ”级潜艇。

级潜艇2024/7/312024/7/316868鱼雷和水雷§是目前水下作战的主要兵器是目前水下作战的主要兵器– –鱼雷多种多样鱼雷多种多样§ §制导方式制导方式§ §投放方式投放方式§ §爆炸方式爆炸方式§ §超高速超高速– –水雷多种多样水雷多种多样§ §引爆引信引爆引信§ §布放方式布放方式§ §主动攻击鱼雷主动攻击鱼雷§ §水鱼雷水鱼雷2024/7/312024/7/3169692024/7/312024/7/3170702024/7/312024/7/3171712024/7/312024/7/3172722024/7/312024/7/3173732024/7/312024/7/317474Variable Depth SonarVariable Depth Sonar§ §Towed from ship.Towed from ship.Towed from ship.§ §Buoyancy, scope and ship speed determine Buoyancy, scope and ship speed determine Buoyancy, scope and ship speed determine depth.depth.depth.§ §SL increased with depth. (Quenching limit)SL increased with depth. (Quenching limit)SL increased with depth. (Quenching limit)§ §Operate below sonic layer depth.Operate below sonic layer depth.Operate below sonic layer depth.2024/7/312024/7/317575VDS DeployingVDS Deploying2024/7/312024/7/317676VDS (Canada)VDS (Canada)2024/7/312024/7/317777Mine Hunting VDSMine Hunting VDS2024/7/312024/7/317878§水中目标探测水中目标探测2024/7/312024/7/317979S-3 SONOBUOYSS-3 SONOBUOYS2024/7/312024/7/318080Dipping Sonar§Airborne and dipped §into the ocean. 2024/7/312024/7/318181§水中目标探测水中目标探测2024/7/312024/7/318282– –测深测深§ §单波束测深仪单波束测深仪§ §多波束测深仪多波束测深仪§ §旁视声纳旁视声纳§ §侧扫声纳侧扫声纳§ §综合孔径测深仪综合孔径测深仪– –测速测速§ §多普勒测速仪（海流计）多普勒测速仪（海流计）§ §相关测速仪（海流计）相关测速仪（海流计）民事应用2024/7/312024/7/318383§鱼探仪鱼探仪§助渔设备（诱鱼、计数、跟踪）助渔设备（诱鱼、计数、跟踪）§助潜设备助潜设备§水下定位水下定位– –信标信标– –应答器应答器§通讯与遥测通讯与遥测§声控声控§海洋监测海洋监测2024/7/312024/7/318484§海底特性探测海底特性探测2024/7/312024/7/318585§海底特性探测海底特性探测2024/7/312024/7/318686§海底特性探测海底特性探测2024/7/312024/7/318787§海底特性探测海底特性探测2024/7/312024/7/318888§洋流和海水温度探测洋流和海水温度探测观察点观察点A观察点观察点B声源运动方向声源运动方向多普勒效应多普勒效应2024/7/312024/7/318989§洋流和海水温度探测洋流和海水温度探测2024/7/312024/7/319090§鱼群探测、跟踪和识别鱼群探测、跟踪和识别2024/7/312024/7/319191§水声通讯水声通讯2024/7/312024/7/319292§水声通讯水声通讯2024/7/312024/7/319393§水声定位导航水声定位导航2024/7/312024/7/319494§水下定位导航水下定位导航2024/7/312024/7/3195956、本课程的主要内容、本课程的主要内容2024/7/312024/7/319696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，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虑的因素，也是水声学主要的研究内容9797§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学特性对水声设备的研制与使用都是至关重要的9898§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9999水声学的学习方法一点建议水声学的学习方法一点建议§与海洋学紧密结合与海洋学紧密结合§充分掌握声纳方程充分掌握声纳方程§注重理论联系实践注重理论联系实践2024/7/312024/7/31100100。