声呐是什么

（以下内容来自老师给的ppt）

第1章-声纳及声纳方程

1、声源级SL描述主动声纳所发射声信号的强弱：

I是发射器声轴方向上离声源中心1m处的声强

2、发射指向性指数DIT

ND

D

TI

I

DIlg10

理解:

3、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：

r

I

I

TL1lg10

4、目标强度TS定量描述目标反射本领的大小：

5、海洋环境噪声级NL是度量环境噪声强弱的量：

注意：I

N

是测量带宽内或1Hz频带内的噪声强度。

6、等效平面波混响级RL定量描述混响干扰的强弱。

7、接收指向性指数DI

R接收系统抑制背景噪声的能力。

声功率指向性水听器产生的噪

噪声功率无指向性水听器产生的

lg10

R

DI

8、检测阈DT设备刚好能正常工作所需的处理器输入端的信噪比值(SNR)。

噪声功率

信号功率

lg10DT

1

0

lg10





r

I

I

SL

2

1

4mWPI

a

r





77.170lg10

a

PSL

Ta

DIPSL77.170lg10

1

lg10





r

i

r

I

I

TS

0

lg10

I

I

RL

9、主动声纳方程（噪声背景）：

（SL-2TL+TS）-（NL-DI）＝DT

主动声纳方程（混响背景）：

（SL-2TL+TS）-RL＝DT

被动声纳方程

（SL-TL）-（NL-DI）＝DT

10、

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

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

思考题：

1．什么是声纳？声纳可以完成哪些任务？

答: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

2．主被、动声纳的信息流程有何不同？

3．发射指向性指数物理含义是什么？

答:1.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；越大，声能在声轴方向集中的程度越高；就有利于增加声纳的作用距离。

4．请写出主动声呐方程和被动声呐方程？在声呐方程中各项参数的物理意义是什么？

主动声纳方程（噪声背景）：（SL-2TL+TS）-（NL-DI）＝DT

主动声纳方程（混响背景）：（SL-2TL+TS）-RL＝DT

被动声纳方程（SL-TL）-（NL-DI）＝DT

5．环境噪声和海洋混响都是主动声呐的干扰，在实际工作中如何确定哪种干扰是主要的？

答:根据水文条件及声呐使用场合，画出回声信号级、混响掩蔽级和噪声掩蔽级随距离变化

的曲线，如下图，然后由回声信号曲线与混响掩蔽级、噪声掩蔽级曲线的交点所对应的距离

来确定混响是主要干扰，还是噪声为主要干扰，如下图，rR

6．已知混响是某主动声呐的主要干扰，现将该声呐的声源级增加10dB，问声呐作用距离能

提高多少？又，在其余条件不变的情况下，将该声呐发射功率增加一倍，问作用距离如何变

化。

解：对于受混响干扰的主动声呐，提高声源级并不能增加作用距离，因为此时信混比并不改

变。在声呐发射声功率增加一倍，其余条件不变的情况下，作用距离

变为原距离的42倍，即R1=42R。

7.什么条件下发生海底全反射，此时反射系数有什么特点，说明其物理意义。解：发生全

反射的条件是：掠时角小于等于全反射临界角，界面下方介质的声速大于界面上方介质的声

速。发生全反射时，反射系数是复数，其模等于1，虚部和实部的比值给出相位跳变角的正

切，即全反射时，会产生相位跳变.

第2章海洋的声学特性

1、声速梯度：

PPSSTTc

gagaga

dz

dc

g

海洋中的声速c（m/s）随温度T（℃）、盐度S（‰）、压力P（kg/cm2）的增加而增加。

2、理解

3、声波传播的强度衰减（传播损失）原因：

（1）扩展损失（几何衰减）；（2）吸收损失；（3）散射。

传播损失TL=扩展损失TL1+吸收损失TL2

4、扩展损失dBrnTLlg10

（1）n=0适用管道中的声传播，平面波传播0TL

（2）n=1适用表面声道和深海声道，柱面波传播rTLlg10

（4）n=2适用于开阔水域(自由场)，球面波传播。rTLlg20

5、１Neper=8.68dB，声吸收引起的传播损失（吸收系数乘以传播距离）：

6、总传播损失（扩展＋吸收）：rrnTLlg10

7、理解：

kmdB

f

f

B

ff

fSf

A

TT

T/

22





273

1520

6

109.21



T

T

f

21089.1A21072.2B驰豫频率随温度升高而增加。

8、Thorp给出了低频段（驰豫频率约为1kHz）吸收系数的经验公式（适用4℃温度附近）：

kmdB

f

f

f

f

/

4100

7.40

1

102.0

2

2

2

2









（理解）

9、海水粗糙，反射系数小；海底平坦，反射系数大。

10、

11、理解

12、沉积层中声波衰减系数：mKf（理解）

13、海底反射损失：反射声振幅相对入射声振幅减小的分贝数，定义为：

V

p

p

BL

i

rlg20lg20

（理解）

海底反射损失为正值，BL分贝数越大，海底反射损失越大；V为反射系数模值。

14、cT

ck2







I1

TL=10lg11

Ix

xxx

理解：kh

k

g

ctanh2kh

kT

k

g

cftanh2



















作业1：

1．海水中的声速与哪些因素有关？画出三种常见的海水声速分布？

答:海水中的声速与海水温度、密度和静压力（深度）有关，它们之间的关系难以用解析式

表达。

2．声呐A，B有相等的声源级，但声呐A工作频率f

A

高于声呐B工作频率f

B

,问哪台声呐作

用距离远，说明原因?

解：声呐B工作距离远，因为它的工作频率较低，海水吸收小，所以作用距离较远

3．声波在海洋中传播时，其声强会逐渐衰减，说明原因。列举三种常用传播损失表达式，

并说明适用条件?

答:声波传播时强度衰减原因：声波在传播过程中，波阵面逐渐扩展；海水介质的吸收和海

水介质中不均匀性的散射。

4.夏日某处海水中温度分布简化如下图所示的曲线。试求：在什么深度上声速梯度的绝对值

最大？该处的声速梯度是多少？

作业2

1．什么是反向散射强度？平坦海底和粗糙海底的反向散射强度有何不同？

2．请简单描述海底“三参数”模型？“三参数”物理含义是什么？

3．邻近海面的水下点源声场中的声压振幅随距离变化具有哪些规律？

4．引起海洋内部不均匀性的主要因素有哪些？

第3章-海洋中的声传播理论

1、0,,22pzyxkp（理解）

2、Fpzyxkp



,,22（理解）

3、绝对软边界条件：声压为零（海面）



0,,,

,,



tyxz

tzyxp



4、绝对硬边界条件：法向质点振速为零（海底）

5、可通过令



n

nn

zZrRzrp,的分离变量法求得本征函数通解

6、理解













n

nznzn

n

n

nn

rHzkzk

H

j

rHzZzZjzrp







2

00

2

00

sinsin

2

,

2

2

0

2

1

















































H

n

cn



、,3,2,1

2

1



















n

H

nk

zn



7、简正波阶数最大值：



















2

1

0

c

H

N





8、理解临界频率：最高阶简正波传播频率



























N

n

rj

znzn

n

nezkzk

rH

jzrp

1

4

0

sinsin

22

,









H

c

N

N

0

2

1





















H

c

Nf

N22

1

0

















9：截止频率：简正波在波导中无衰减传播的最低临界频率

H

c

2

0

1





H

c

f

4

0

1



10、相速：等相位面的传播速度（振动状态在介质中的传播速度）

2

0

1





n

n

pn

c

c



（理解）

11、群速：声波能量的传播速度

2

0

1



























n

n

gn

c

d

d

c（理解）

12、倒数关系2

0

ccc

gnpn



13、深度取平均后，传播损失为：



H

r

Hr

Llg10lg10lg10声能被限制在层内，随距离r作柱面波衰减。

14、

c

H

rTL

2

lg10lg10

临界掠射角

c

越小，传播损失TL就越大

15、

16、

rktjAe





k



为波矢量

17、均匀介质平面波：均匀介质球面波：非均匀介质球面波：

18、理解：

zyxn

k

k

,,2

2

0

2

















(声线方向声线轨迹声线传播时间)

0

2

2A

A

声线幅度或携带的能量

19、声速k为常数时：声线为直线。

声速k是坐标z的函数时的声线：总是弯向声速小的方向。

20、constSISI

SS



2211

（由声源辐射声功率确定）

21、



z

r

r

W

IzrA









sin

cos

,

0

0

21























22、求出程函方程的条件2

2

k

A

A





23、在波束边缘、声影区（声线不能到达的区域）和焦散区（声能会聚区域），射线声学不

成立。

24、=常数

25、恒定声速梯度情况下，声线曲率处处相等，轨迹是圆弧。

26、声源在海面以任意掠射角出射的声线轨迹方程：

（理解）

27、单层线性分层介质中的声强

28、理解P93页的表3.1

作业：

1、波动方程的定解条件有哪些？

1）边界条件

物理量在介质边界上必须满足的条件。①绝对软边界条件：声压为零②绝对硬边界条

件：法向质点振速为零③混合边界条件：压力和振速线性组合④边界上密度或声速有限间断

2）辐射条件

无穷远处没有声源存在时，其声场应具有扩散波的性质①平面波情况

②柱面波情况③球面波情况

0

0

cos

cos

cc







0jk

x













0lim

























jk

r

r

r

0lim

























jk

r

r

r

3）奇性条件

对于声源辐射的球面波，在声源处存在奇异点，即

2、何谓简正波？平面层波导简正波求解方法？

3、若声源激发频率

N

时，波导中不存在哪些阶简正波？

声源激发频率

N

时，波导中不存在第N阶及以上各阶简正波的传播

4、简正波的相速度和群速度有何区别？物理意义有何不同？

1)相速：虚斜线沿r方向传播速度群速：波形包络传播速度

2)相速：等相位面的传播速度群速：声波能量的传播速度简正波的群速小于相速。

5、液态海底声波传播规律如何？

液态海底没有切变波，其声速通常大于海水声速，但对于高饱和海底沉积层会出现相

反情况。

1.说明射线声学的基本方程、适用条件及其局限性，并说明球面波和柱面波传播时声线的传

播方向？

解：射线声学是波动声学的高频近似，适用高频条件和介质不均匀性缓慢变化的情况，但它

不适用影区，焦散线。柱面声波的声线垂直于柱的侧面，球面声波的声线垂直于球面.

2.水平分层介质中的“程函方程”表示如何？

3.聚集因子F是如何定义的，它有什么物理意义？举出二个F>1的场合。

解：聚集因子，其中I是非均匀介质中的声强，是按球面波衰减的声强，若

F>1，表示该处衰减小于球面波规律，反之，则表示该处衰减大于球面波规律。会聚区中和

焦散线上F>1。

4.海水中声速分布如下图所示，请画出几条典型声线轨迹图。

0r

p

5．已知c

S

、a

1

、a

2

，声源在z

0

处，声线在z

2

处翻转，z

1

处声速最小，z

0

、z

1

和z也为已知，

求声线水平距离R。

6海水中声速值从海面的1500m/s均匀减小到100m深处的1450m/s。求（1）速度梯度；（2）

使海表面的水平声线达到100m深处时所需要的水平距离；（3）上述声线到达100m深处时

的角度。

第4章典型传播条件下的声场

1、

2、

3、根据表面声道传播的主要特征，把声速简化为线性正梯度分布：

001aHzazczc

s

4

、

5、

a

zz

m2

2

0

0





或

a

zs

m2

2



6、临界角：在表面声道层深处发生反转的声线，其声源处和海面处的掠射角最大，称为临

界角；该声线为临界声线。



00

2zHa

m

或aH

sm

2

7、跨度D：声线在海面相邻两次反射点之间的水平距离。

海面掠射角s



声线的跨度D：

跨度D与反转深度m

z

的关系

atgD

s

2















2

2s

m

ctgzD



8、海面掠射角越大，跨度也越大。

最大跨度：

a

H

D

8

max



最小跨度：

a

z

D0

min

8



9、

循环数N：在声源与接收点之间所容纳不同掠射角声线跨度数目。

循环数N越大，声线越接近海面，

N

沿海面传播的声线。

循环数N越大，相邻声线的掠射角越接近，声线越密集，声能越集中。

声源辐射声能主要集中在海表面层附近

10、假设声源与接收器靠近海面，则有源到接收器N次循环的声线的总传播时间近似为：

最接近海底传播的声线（N最小），传播时间最短，最先到达接收点；最靠近海面传播的声

线（N最大），传播时间最长，最后到达接收点。换句话说，声线在海面反射的次数越多，

其传播时间越长。

11、信号持续时间与距离成正比。

12、理解130页的图4.22（声影区，汇聚区），图4.24

作业:

1．表面声道的混合层中的声线传播具有那些特点？

在混合层中，声线几乎被完全限制在表面层中传播，声线不断受海面反射，小掠射角声线

在混合层底部不断发生反转，因而，声信号在表面声道中可远距离传播。

2．什么是反转深度？什么是临界声线和跨度？

在表面声道中传播的声线发生反转的深度在表面声道层深处发生反转的声线，其声

源处和海面处的掠射角最大称为临界角；该声线为临界声线跨度D：声线在海面相邻

两次反射点之间的水平距离

3．画出表面声道声速分布，应用射线理论解释声波在表面波道中远距离传播的原因？

解：下左图为表面声道中的声速分布，表面声道中，以小于临界角发出的声线在声道的某个

深度上翻转向海面传播，遇海面又经海面反射向下传播，如是重复以上过程而得以远距离传

播。

22

2

1

24N

s

rar

t

cN









4．分别说明或画图表示表面波道中声强沿深度和水平方向的分布规律。

解：在表面波道中，声强沿水平方向随距离的－次方衰减。声强沿深度的分布如下右图所示

11声速分布如下左图，声源位于深度H处，以出射的声线在Z1,Z2深度上

翻转，已知求水平距离x。（a1<0,a2>0）

15比较表面声道与深海声道声传播特性之异同。

解：相同点：（1）都能远距离传播；（2）衰减规律基本为柱面规律不同点：

（1）深海声道有会聚区，声面波道则没有；（2）从机理上讲，深海声道传播远

是由于声线在声道轴上、下的翻转，得以远距离传播，而表面波道是介质的折射

和海面的反射才远距离传播；（3）表面波道有截止频率，而深海声道则无截止

频率限制