水声学-绪论-声纳方程课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,*,第一章 绪论,第二讲 声纳方程,1,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,本讲主要内容,声纳及其工作方式,声纳参数,声纳方程,组合声纳参数,声纳方程的工程应用及限制,主动声纳的主要干扰判断,2,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,一、,声纳及其工作方式,声纳,（,Sonar,SO,und,NA,vigation and,R,anging,）：利用水下声信息进行探测、识别、定位、导航和通讯的,系统,。,3,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,一、,声纳及其工作方式,工作方式,：主动、被动,按工作方式分类,：主动声纳、被动声纳,主动声纳信息流程,：,判决,显示,接收阵,处理器,目标,发射机,发射阵,信号源,干端,湿端,4,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,一、声纳及其工作方式,被动声纳信息流程,：,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。,接收阵,处理器,判决,显示,目标,湿端,干端,5,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,问题一,：主被动声纳有何区别？,声源SL、NL,传播路径2TL、TL,干扰NL、RL,目标TS、SL,主动,被动,6,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,二、,声纳参数,被动声纳声纳参数,：,辐射噪声级SL,传播损失TL,接收指向性指数DI,噪声级NL,检测阈DT,9,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,2.1 声源级SL（,S,ource,L,evel）,物理意义,：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,：,：如何提高声源级？有无益处？,二、,声纳参数,10,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,问题二,：,如何提高声源级？,答案,：将发射器做成具有一定的发射指向性,好处,：,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。,11,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,2.2 发射指向性指数DI,T,（,D,irectivity,I,ndex,）,物理意义,：,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,定义,：,特点,：,二、,声纳参数,声能集中,作用距离,12,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,问题三,：,已知声功率时，如何计算SL？,几点假设,：,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I,ND,：,无指向性声源的声源级,：,点源的声传播路径,13,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,问题三,：,已知声功率时，如何计算SL？,指向性声源的声源级,：,：船用声纳,P,a,为几百瓦,几千瓦，,DI,T,为,1030,dB,，,SL,约为,210240,dB,。,14,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,2.3 传播损失TL（,T,ransmission,L,oss,）,物理意义,：定量描述声波传播一定距离后声强度的衰减变化,定义,：,：引起声强衰减的原因有哪些呢？,二、,声纳参数,15,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,2.4 目标强度TS（,T,arget,S,trength,）,物理意义,：定量描述目标声反射本领的大小,定义,：,：TS0还是TS0？,二、,声纳参数,目标,Q,C,P,I,r,1m,16,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,2.5 海洋环境噪声级NL（,N,oise,L,evel,）,物理意义,：是度量环境噪声强弱的量,定义,：,：,I,N,是测量带宽内（或1Hz频带内）的噪声强度。,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,。,二、,声纳参数,17,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,2.6 等效平面波混响级RL（,R,everberation,L,evel,）,物理意义,：定量描述混响干扰的强弱,定义,：强度已知的平面波轴向入射到水听器上，水听器输出电压值为,V,；将水听器移置于混响场中，声轴指向目标，水听器输出电压值也为,V,，则该平面波声级就是混响级。,它是主动声纳的一种,背景干扰,二、,声纳参数,18,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,主动声纳的背景干扰,：,二、,声纳参数,主动声纳背景干扰,环境噪声,平稳的、各向同性的,混 响,非平稳的、非各向同性的,19,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,2.7 接收指向性指数DI,（,D,irectivity,I,ndex）,物理意义,：接收系统抑制,各向同性,背景噪声的能力,定义,：,条件,：指向性水听器的轴向灵敏度等于无指向性水听器的灵敏度。,二、,声纳参数,20,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,问题四,：,何为水听器灵敏度？,物理意义,：反应水听器的声电转换能力,定义,：水听器处的声压为,p,，装置的开路终端电压为,V,，则水听器的灵敏度：,：已知水听器的灵敏度为-200dB/V，假设入射平面,波的声压级为80dB，问其输出端的开路电压为几伏？,dB/V,21,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,问题五,：,接收指向性指数如何获得？,无指向性水听器产生的均方电压,：,设水听器的灵敏度为单位值，噪声场为各向同性的，单位立体角内的噪声功率为 ，无指向性水听器产生的均方电压为：,指向性水听器产生的均方电压,：,22,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,问题五,：,接收指向性指数如何获得？,接收指向性指数,：,：,参数DI只对各向同性噪声场中的平面波信号有意义,其它方向特性的信号和噪声场，需用阵增益来代替DI,23,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,问题五,：,接收指向性指数如何获得？,阵增益,：（R.J.Urick.水声原理M.P24,）,24,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,问题五,：,接收指向性指数如何获得？,简单几何形状换能器的DI,：,25,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,2.8 检测阈DT,（,D,etection,T,hreshold）,物理意义,：设备刚好能正常工作所需的处理器输入端的信噪比,定义,：,：对于同种职能的声纳设备，检测阈值较低的设,备，其处理能力强，性能也好。,二、,声纳参数,26,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,小结,从能量角度描述了,海水介质,、,声纳目标,和,声纳设备,的特性和效应,二、,声纳参数,SL,TL,TS,TL,DT,DI,NL,RL,27,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,三、声纳方程,基本特征,：,将,海水介质,、,声纳目标,和,声纳设备,的作用联系在一起。,综合考虑水声所特有的各种现象和效应对声纳设备的设计和应用所产生影响的关系式。,基本考虑,：,声纳方程的基本原则：,信号级-背景干扰级=检测阈,背景干扰级的含义：,设备工作带宽内部分背景噪声才起干扰作用,28,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,三、声纳方程,3.1 收发合置主动声纳信号强度变化过程,29,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,三、声纳方程,3.1 收发合置主动声纳信号强度变化过程,回声信号级（信号级）,：回声到达接收阵的声级,SL-2TL+TS,背景干扰级,：（接收阵接收指向性指数压低背景噪声）,NL-DI,：换能器声轴指向目标，回声信号不会被接收指向性指数压低。,处理器处电信号的信噪比,：,（SL-2TL+TS）-（NL-DI）,30,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,三、声纳方程,3.2 主动声纳方程,噪声背景情况,：,（SL-2TL+TS）-（NL-DI）=DT,：适用于收发合置型声纳，对于收发分置声纳，往返传播损失不能简单用2TL表示；适用于背景干扰为各向同性的环境噪声情况。,混响背景情况,：,（SL-2TL+TS）-RL=DT,：适用于收发合置型声纳，对于收发分置声纳，往返传播损失不能简单用2TL表示；适用于背景干扰为混响的情况。,31,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,三、声纳方程,3.3 被动声纳信号强度变化过程,32,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,三、声纳方程,3.4 被动声纳方程,特点,：,噪声源发出的噪声直接由噪声源传播至接收换能器；,噪声源发出的噪声不经目标反射，即无TS；,背景干扰为环境噪声。,声纳方程,：,（SL-TL）-（NL-DI）=DT,：,SL为噪声源辐射噪声的声源级。,33,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,四、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；,34,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,四、组合声纳参数,回声余量,：主动声纳回声级超过噪声掩蔽级的数量,SL-2TL+TS-,（,NL-DI+DT,）,优质因数,：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。,SL-,（,NL-DI+DT,）,品质因数,：声纳接收换能器测得的声源级与噪声级之差,SL-,（,NL-DI,）,35,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,五、声纳方程的应用及限制,5.1 声纳方程的应用,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；,估计最大传播损失,估计探测距离,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，对参数进行合理选取和,设备最佳设计。,频率的选取DI、TL,36,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,五、声纳方程的应用及限制,5.2 声纳方程的限制,声纳方程是用声强度来描述的，而声强度是声能流在某一时间间隔内的平均值：,长脉冲信号，回波信号的宽度很接近发射信号脉冲宽度,短脉冲信号，回波信号波形严重畸变，平均值不确定,37,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,五、声纳方程的应用及限制,5.3 声纳方程的修正,作为一种常用的近似，在时间T内对声波的能流密度E求平均而得声强：,对于长脉冲声纳，T为发射脉冲宽度，回波脉冲宽度也近似等于此值；对于短脉冲声纳，T一般不确定，回声宽度与发射宽度相差甚大。,38,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,五、声纳方程的应用及限制,5.3 声纳方程的修正,短脉冲信号声纳方程中（R.J.Urick）：,回声脉冲宽度：,39,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,五、声纳方程的应用及限制,5.3 声纳方程的修正,40,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,六、主动声纳的主要干扰判断,回声级、噪声掩蔽级、混响掩蔽级与距离的关系,EL=SL-2TL+TS,NL-DI+DT,RL+DT,41,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,六、主动声纳的主要干扰判断,结论,回声和混响都是随距离而衰减的，而噪声保持不变。回声曲线随距离下降比混响掩蔽级曲线要快，二者相交于混响限制距离,Rr,处。而回声曲线与噪声掩蔽级曲线相交于噪声限制距离,Rn,处。,对于噪声掩蔽级I，,Rr,Rn,，声纳设备正常工作的距离,R,Rr,，因此声纳作用距离受混响限制，选择,混响为主要干扰,的声纳方程；,对于噪声掩蔽级II，,Rn,Rr,，而声纳设备正常工作的距离,R,Rn,，因此声纳作用距离受噪声限制，选择,噪声为主要干扰,的声纳方程。,42,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,第一章作业,什么是声纳？声纳可以完成哪些任务？,请写出主动声纳方程和被动声纳方程？在声纳方程中各项参数的物理意义是什么？,声纳方程的两个重要的基本用途是什么？,环境噪声和海洋混响都是主动声纳的干扰，在实际工作中如何确定哪种干扰是主要的？,43,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,THE END,44,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,