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水聲學是聲學的一個分支學科。它主要研究聲波在水下的產生、傳播和接收,用以解決與水下目標探測和信息傳輸過程有關的聲學問題。聲波是已知的唯一能夠在水中遠距離傳播的波動,在這方面遠比電磁波(如無線電波、光波等)好,水聲學隨著海洋的開發和利用發展起來,並得到了廣泛的應用。

水聲學超聲波水聲換能器
水聲學是聲學的一個分支學科。它主要研究聲波在水下的產生、傳播和接收,用以解決與水下目標探測和信息傳輸過程有關的聲學問題。聲波是已知的唯一能夠在水中遠距離傳播的波動,在這方面遠比電磁波(如無線電波、光波等)好,水聲學隨著海洋的開發和利用發展起來,並得到了廣泛的應用。

1 水聲學 -簡史

水聲學1918年,P.朗之萬製成壓電式換能器
1827年左右,瑞士和法國的科學家首次相當精確地測量了水中聲速。1912年「巨人」號客輪同冰山相撞而沉沒,促使一些科學家研究對冰山回聲定位,這標誌了水聲學的誕生。美國的R.A.費森登設計製造了電動式水聲換能器(500~1000Hz),1914年就能探測到2海里遠的冰山。1918年,P.朗之萬製成壓電式換能器,產生了超聲波,並應用了當時剛出現的真空管放大技術,進行水中遠程目標的探測,第一次收到了潛艇的回波,開創了近代水聲學,也由此發明了聲吶。隨後,水聲換能器的革新,關於溫度梯度影響聲傳播路徑的機理、聲吸收係數隨頻率變化等水聲學研究的成就,使聲吶得以不斷改進,並在第二次世界大戰期間反德國潛艇的大西洋戰役中起了重要作用。

第二次世界大戰以後,為提高探測遠距離目標(如潛艇)的能力,水聲學研究的重點轉向低頻、大功率、深海和信號處理等方面。同時,水聲學應用的領域也越加廣泛,出現了許多新裝置,例如:水聲制導魚雷,音響水雷,主、被動掃描聲吶,水聲通信儀,聲浮標,聲航速儀,回聲探測儀,魚群探測儀,聲導航信標,地貌儀,深、淺海底地層剖面儀,水聲釋放器以及水聲遙測、控制器等。水聲作為遙測海洋的積分探頭,在長時間內大面積連續監測海洋的運動過程以及海洋資源概念也已初步形成。隨著海洋的開發,水聲學在海洋資源的調查開發、對海洋動力學過程和環境監測、增進人類對海洋環境的認識等方面的應用還將不斷地擴展。

現代水聲學的研究課題涉及面很廣,主要有:①新型水聲換能器;②水中非線性聲學;③水聲場的時空結構(例如:信號場的相關,簡正波場的分離和應用,數值聲場預報和通道匹配等);④水聲信號處理技術(例如:最佳時空處理、水聲信號的參量估計等);⑤海洋中的雜訊和混響、散射和起伏,目標反射和艦船輻射雜訊;⑥海洋媒質的聲學特性(例如:沉積層和海底、海面、內波及湍流的聲學特性)等。特別是水聲學正在與海洋、地質、水生物等學科互相滲透,而形成海洋聲學等研究領域。

2 水聲學 -學科內容

水聲換能器和參量陣  

水聲學中心國際水聲學交流活動
水聲換能器  
是發射和接收水中聲信號的裝置,應用最廣泛的是電聲轉換的水聲換能器,即轉換電能為水中聲能的水聲發射器以及轉換水中聲能為電能的水聲接收器(即水聽器)。水是聲阻抗率較高的媒質,因此要發射較大聲功率就必須有較大的力。常用的水聲換能器按其基本換能機理分為可逆式和不可逆式兩大類。可逆式(可作接收器)的有:電動、靜電、可變磁阻(電磁)、磁致伸縮和壓電水聲換能器。不可逆式(不可作接收器)的有:調製流體(流體動力)、氣動(如氣槍)、化學能(如信號彈)、機聲(如掃水雷聲源)等(見電聲換能器)。

水聲換能器的進展  
20世紀60年代以來,為了實現聲吶的遠程探測,發展了不少新的換能材料、結構振動方式和換能機理;發展了工作在低頻、寬頻、大功率和深水中的發射器,具有高靈敏度、寬頻、低雜訊等性能的水聽器;出現了新型的水聲換能器,如PVDF水聽器、複合壓電陶瓷水聽器、凹型彎張換能器、利用亥姆霍茲共鳴器原理製成的低頻水聽器、應用射流開關技術的調製流體式換能器、聲光換能器等。

水聲參量陣  

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分為參量發射陣和參量接收陣兩類。它利用聲波在水內傳播時產生的非線性相互作用。如發射器同時發出兩個頻率相近的(分別為f1f2)高頻波(又稱原波),由於非線性相互作用,則還產生頻率為(f2-f1)和(f2f1)的差頻波及和頻波,這也可看作為一種新的轉換概念,參量發射陣利用的是差頻波(見換能器陣)。

參量發射陣
(又簡稱參量陣)可分為原波飽和與無飽和兩種情況(飽和是當聲波的振幅足夠大時產生的,這時,近場原波的振幅趨於飽和,不隨聲源振幅的增大而增大),有四種典型模式(或稱極限情況):無飽和近場吸收限制、無飽和遠場球面擴展限制、飽和近場限制、飽和遠場限制。對這四種典型模式的理論研究結果與實驗符合得很好。對無飽和的兩種模式,差頻波的聲壓都正比於兩原波聲壓的乘積。對第一種模式,差頻波聲壓正比於頻率下移比的二次方,下移比是原波與差頻波的頻率之比;對第二種模式,則正比於下移比的一次方。 參量陣的主要缺點是效率很低,它的獨特優點是可以利用小尺寸換能器獲得低頻、寬頻帶、低旁瓣或無旁瓣、探照燈式的尖銳波束,應用於需要低頻高解析度探測中。參量陣已進入實用階段,特別適用於海底淺層地質的勘探、水下埋藏物的探測、淺海特定簡正波的激勵等。 參量接收陣近來也受到注意,其工作原理與參量發射陣相同,非線性相互作用在高聲強的泵波和待接收的聲波之間發生,在泵波的聲軸上接收差頻或和頻信號。不過,參量接收陣的技術實現難度更大,實際應用為時尚早。

3 水聲學 -聲波

聲波在海洋中的傳播和聲場數值預報  
海洋及其邊界(海面和海底)組成複雜多變的水聲傳播媒質,它的複雜多變性主要表隨海區和季節而變化,從而有不同的傳播規律。

傳播損失  
從聲源發出的聲信號在傳播過程中逐漸損失能量,這種傳播損失分為擴展和衰減。擴展損失表示聲波的波陣面從聲源向外不斷擴展的簡單幾何效應。但實際上聲波經常是在類似於波導中的傳播,可以在這種波導(稱為聲道)中定向性地傳播很長距離。衰減損失包括吸收、散射和聲能漏出聲道的效應。造成吸收的原因是海水的粘滯性、熱傳導性、海水中硫酸鎂和硼酸-硼酸鹽離子的弛豫機構。吸收使聲強以指數形式隨距離下降,吸收係數一般正比於頻率二次方(見聲吸收),因此遠程聲吶都選用較低頻率。造成散射的原因包括海中氣泡、懸浮粒子、不均勻水團、浮游生物以及邊界的不平整性,散射一般遠小於吸收所引起的衰減。聲能漏出聲道的效應則因具體聲道而異。

水下聲道 

水聲學間接救護

產生海洋傳播聲道的條件是海洋邊界及特定聲速剖面。聲速剖面就是海洋的聲速分層結構。海水中的聲速是溫度、鹽度和靜壓力 (深度)的函數。圖1是典型的深海聲速剖面。它大致分為三層:表面層、主躍變層和深海等溫層。①表面層中的聲速對溫度和風的作用很敏感,有明顯的季節變化和日變化。由於湍流、對流和風動表面對海水的攪拌,往往形成等溫層,稱為混合層。在混合層內,由於海水靜壓力的作用,產生10-5m-1量級的正聲速梯度水聲學水聲學形成不很穩定的表面聲道──混合層聲道。

②在表面層以下約千米深度內,溫度隨深度而下降,使聲速也隨深度下降,具有較強的負聲速梯度,稱為主躍變層。③最下面的稱為深海等溫層,層中海水處於冷而均勻的穩定狀態,聲速隨著深度的增加而增加。在主躍變層的負聲速梯度和深海等溫層的正聲速梯度之間存在一個定速極小值(聲道軸),形成較穩定的深海聲道──聲發聲道。緯度高於50°的大洋中,整個水層都具有深部冷水溫度,聲道軸接近海面。在沿岸淺海及大陸架上,聲速剖面受較多的因素影響,有較強的地區變異性和短時間不穩定性。但平均而言,仍有比較明顯的季節特徵。在冬季的典型聲速剖面是等溫層,在夏季往往是負躍層或負梯度。在淺海,由海面和海底構成淺海聲道,聲波在聲道中由海面和海底不斷反射而傳播。海底的聲反射特性,特別是小掠射角的海底反射損失,是淺海聲場分析和聲吶作用距離預報的重要參量,它決定於海底的底質和結構。

4 水聲學 -理論方法

水聲學水聲學
當聲傳播水平距離不特別遠(幾百千米以內)時,往往把海洋看作分層媒質,分層媒質中的波動理論在60年代已達到較為成熟的階段(見分層媒質中的波)。

研究聲波在海洋媒質中傳播的主要方法是簡正波理論和射線理論,它們是波動方程滿足定解條件的解的兩種表達形式。前者把聲場表示為許多簡正波的和,在淺海遠程情況,一般只有頭幾號甚至只有第1號簡正波起重要作用,因此用起來很方便。後者把聲場表示為許多射線解的和,在高頻極限情況,這些解退化為聲線,類似於經典的幾何光學射線,它具有清晰的直觀圖像,更適合深海。可以證明,波動方程解的這兩種表達形式滿足某種傅里葉變換關係。對於一般情況,W.K.B.近似方法是一種很有用的近似方法。基於W.K.B.近似的簡正波解析表達式的物理圖像不夠直觀,射線-簡正波理論賦予簡正波本徵函數以射線解釋,對於淺海情況,簡正波本徵函數的指數衰減係數可被理解為對應角度射線的海底反射損失除以跨度。

深海中的聲傳播  
通過混合層聲道、聲發聲道和會聚區等方式傳播。
① 深海混合層聲道。它使掠射角小於在混合層底部(即下邊界)發生反轉的臨界角,使聲線保持在聲道中,從而形成較為良好的聲波傳播通道。在層的下面產生聲影區,由於海面的聲散射以及聲道下邊界引起的衍射,一些能量進入了影區,故影區不是完全無聲的。混合層聲道的傳播損失除了幾何擴展和吸收衰減外,還包括泄漏衰減。當頻率低於第1號簡正波的截止頻率時,這種聲道作用不復存在。

② 深海聲發聲道。聲發 (sofar)聲道詞意來源於SOFAR 系統營救墜海失事的飛行員。當聲源置於聲道軸附近時,由於聲線向聲速較小處彎曲,使一定掠射角內的聲線不觸及海面和海底而被保留在聲道內。它的傳播損失只包括吸收衰減和幾何擴展,因此,對於較低頻率的聲波,由於吸收很小,能夠傳播得非常遠。這種超遠傳播現象在40年代就已被發現。已經證明,幾千克三硝基甲苯的爆炸聲能夠在海洋中 6000km遠處被收聽到。圖2繪出了中國南海典型深海聲道的聲速分佈及聲源位於聲道上的聲線圖。如果接收器同樣位於聲道軸,則在這些聲線中,偏離聲道軸最大的聲線最先到達,沿聲道軸的聲線最後到達,使在聲道軸上爆炸聲變為一個拉長的信號,(圖3)。

③ 會聚區。越靠近聲道軸的聲線攜帶的能量越大,所以接收信號的幅值隨時間緩慢上升,到沿聲道軸聲線到達時取最大值,爾後突然截止。在聲道中,由於鄰近射線的交會形成聲強度較強的焦散區。由交會而構成的包絡線稱焦散線,焦散線相交海面的區域稱會聚區。會聚區中的峰值聲強級有超過球面擴展加吸收達25dB的會聚增益,通常取10~15dB。會聚區寬度的數量級約為距離的5%~10%,而第一會聚區寬度約為5.5km。理論預言,在中國南海表面聲速小於底部聲速的海洋中也存在較強的反轉點會聚區,結果已被實驗證實。利用會聚區實現遠程探測已成為現役聲吶的一種重要工作方式。此外,還有相對次要的海底反射束傳播方式。

淺海中的聲傳播  
由於海底參與作用,使淺海聲道比深海聲道還要複雜。
① 均勻層聲場。它是淺海聲場中最簡單、也是最基本的情況。C.L.皮克里斯首先以均勻液態海底模型及兩液層海底模型討論了均勻淺海中爆炸聲的傳播問題,為水聲場的簡正波理論作了開創性的工作。圖4是高聲速均勻層液態海底在一水平距離處所接收到的波形示意圖,首先到達的是以海底聲速作為群速度的底波,然後是群速度等於海水聲速的水波,最後到達的是愛里(Airy)波。在頻率較高時,海底的影響主要表現於界面反射損失。對於高聲速海底,使用以小掠射角斜率、大掠射角常反射損失及分界角表示的三參量模型來描述海底反射損失,給理論分析帶來很大方便。基於三參量海底模型,淺海均勻層平滑平均場強對水平距離r的關係根據過渡距離r1r2r3,大致分為四個場區:r<r1為球面衰減區;r1<r<r2為柱面衰減區;r2<r<r3r水聲學衰減區;r>r3為第 1號簡正波起主要作用的柱面擴展加指數衰減區。當頻率足夠高時,柱面衰減區消失。過渡距離由海底參量以及頻率和海深給定。

水聲學救護方法

② 負梯度聲場。在夏季無風天氣,由於太陽照射造成聲速隨深度下降,形成負梯度聲速剖面。淺海負梯度的平滑平均場強也存在類似的四個場區,但由於聲速負梯度所引起的聲線向下彎曲,使聲線以較大的角度觸及海底,導致聲線碰撞海底的次數增加,並且每次碰撞又有較大的反射損失,使聲能漏出聲道的效應顯著地大於均勻層,場強以更快的速度隨距離而衰減。當水平距離足夠遠,在水中反轉的聲線起主要作用時,會出現明顯的聲場深度結構,越靠近海底場強越強。

③ 溫躍層聲場。在夏季有風天氣,淺海表面在風攪混下形成等溫層,而海洋下部的海水仍殘留有冷水特性,溫度會在當中一薄層內由上面較暖的等溫層過渡到下面較冷的等溫層,使得聲速也發生相應的劇烈變化,從而形成夏季的另一種典型淺海聲道──溫躍層聲道。在有溫躍層(通常是負躍層)的海洋中,當聲源置於溫躍層以下時,只有大掠射聲線才可以穿透溫躍層,小掠射角聲線被溫躍層反射而保留在下層,這些聲線的海底反射損失小,傳播衰減一般小於大掠射角的情況。因此,當水平距離足夠遠時,溫躍層下的場強顯著地大於溫躍層上的場強。反映這種場強深度結構的物理量稱為穿透比,它被定義為下發下收的場強與上發下收(或下發上收)的場強之比。另外,由於聲線管的擴張,上發上收的場強也大於上發下收的場強。

水聲學救護方法

在淺海聲道中,多途效應(參加疊加聲場的各號簡正波具有不同的群速度,或到達接收點的聲線有不同的路徑)使得寬頻脈衝聲信號在傳播過程中不斷畸變。在均勻層和負梯度情況主要表現為波形的拖散,而在負躍層情況將會有規則的梳狀結構出現。

聲場數值預報  
由於海洋媒質的時空多變性,在許多實際應用中,利用快速計算機,根據海洋環境參量的測定值或預報值,在建立了能夠反映海洋環境因素對聲場的制約關係的理論模型基礎上,進行海洋聲場數值預報成為當前亟待研究的重要課題。所發展的預報方法有五種:①射線演算法;②簡正波演算法;③拋物方程演算法;④快速聲場程序(FFP)演算法;⑤水平射線-垂直簡正波法。每一種演算法都各有其優缺點,要針對具體問題的性質作適當選擇。

5 水聲學 -背景干擾

水聲探測中的背景干擾有雜訊和混響兩大類。

水聲學雜訊源
雜訊  
又可分為自雜訊和環境(海洋)雜訊(圖5)。自雜訊的來源因不同的對象而異。

海洋環境雜訊是被動式聲吶的主要干擾。其主要研究內容是雜訊譜級和雜訊場的二階時空統計特性,以及它們同環境因素的關係。
① 譜級。它密切依賴於海況,並有每倍頻程衰減5~6dB的下降規律。 深海環境雜訊可劃分為四個頻段,在每個頻段內,譜級隨頻率的變化規律各不相同,並各有起主要作用的聲源,如表1所示。  
水聲學救護方法

在風速大於5kn(節,1節=1海里/小時)時,波浪雜訊譜級每倍風速增加6~7.2dB。溫茲(Wenz)曲線全面地概括了深海譜級的規律(圖6)。依據溫茲曲線,可以對深海雜訊級作出可靠的預報。海洋環境雜訊還包括其他各種因素的影響,例如雨和雹。大雨可使6級海況下的譜級,在5~10kHz範圍內增大30dB。 淺海環境雜訊譜級隨時間和地點有很大的變異性,因為淺海環境還有其他的多變性重要雜訊源,如擊岸雜訊、生物群體雜訊以及技術雜訊等。

② 雜訊場理論。風成雜訊和船舶雜訊是海洋環境雜訊的主體,這兩種雜訊源都是面分佈源,給定了面源的特性,結合傳播效應,在理論上可給出海洋環境雜訊場的各種特性:譜級、指向性、時空相關函數或互功率譜。近年來,在理論上已能解釋深海及淺海雜訊場的指向性。並預見到低雜訊通道的存在。但對風成雜訊的機理還不十分清楚。

海洋中的混響  
海洋中存在著大量散射體以及起伏不平的界面。當聲源發射聲波以後,碰到這些散射體,就會引起聲能在各個方向上重新分配,即產生散射波。其中返回到接收點的散射波的總和稱為混響。混響是主動式聲吶的主要干擾。 由產生混響的散射體不同性質,可分為體積混響、海面混響和海底混響,典型的混響如圖7和圖8所示。

對混響的研究大體上分為能量規律和統計規律兩個方面。  
混響的能量規律的理論分析以聲波在海洋中的傳播理論和散射理論的結合為出發點,主要涉及混響強度同信號參量和環境因素的聯繫以及衰減規律。一般以簡化的理論模型來分析混響強度,它引入兩個基本假設:①混響強度是同時到達接收點的各散射元波強度之和;②在不存在多途效應時,單位散射空間的散射波強度可表為與傳播和散射有關的兩個因子之積。這個理論模型不僅適用於近程混響,現有的淺海遠程混響理論實際上也是以它為出發點的。

水聲學典型的混響

混響的統計規律主要研究各類型混響的包絡的概率分佈和起伏率。混響是大量散射波的疊加,根據中心極限定理,混響的瞬時值應服從均值為零的高斯分佈,其包絡服從瑞利分佈,起伏率等於0.523。而含有海底散射波的混響應服從均值不為零的高斯分佈,其包絡應服從賴斯(Rice)分佈,實驗結果表明,這一推斷是正確的。淺海混響包絡的起伏率一般在0.3~0.5之間。

以射線理論為基礎的近程混響的理論早在40年代就已完成,並對近程混響的統計規律已作了大量的實驗研究,包括混響振幅的起伏率、時間和空間的相關性、頻率的分佈等特性。隨著現代聲吶作用距離的提高,遠程混響問題是正在大力探討並取得進展的研究課題。

6 水聲學 -信號場

水聲學典型的混響
水聲信號的起伏和散射是由於海洋中存在著隨機不均勻體,它們主要可分為三類:①海面和海底的隨機不平整;②湍流引起的熱微結構;③內波引起的聲速變化。這三類不均勻體的前向散射或對聲波相位的擾動,則形成信號場的起伏,它們引起的聲場起伏的規律也各不相同。 水聲信號場的起伏和散射是一個十分複雜的問題。到為止,還只有抽取某項主要機理而簡化其他因素加以研究。

海面波浪引起的聲起伏  
是研究的重要課題,它簡化為隨機起伏表面所限制的均勻半空間中的聲場起伏問題,理論分析方法基本上有兩種:①從格林公式和相應的軟邊界條件出發,再假定表面的不平整性足夠平緩,而得到解析解。②直接尋求起伏表面的平均反射係數,它適用於絕對軟或絕對硬的界面,同時也只適用界面粗糙度較小,因而散射場的隨機分量遠小於平均分量的特殊情況。對於一般的情況還待於發展新的理論分析方法。

湍流引起的聲起伏  
湍流引起的各向同性分量的溫度起伏場對於聲速有擾動。聲信號相對振幅的起伏同相位起伏的均方值相等,而且正比于波數的二次方、媒質折射率起伏的均方值和相關半徑以及傳播的距離。

內波引起的聲起伏  
內波屬於重力波。近年來,關於低頻遠距離聲傳播起伏的實驗結果表明:聲信號在數分鐘以至數小時時間尺度上,相位相當穩定,而振幅卻有相當快的隨機起伏,即振幅起伏與相位起伏具有完全不同的時間尺度,這與由湍流的弱散理論得到的結論完全不同。所以,這個研究課題引起了水聲和海洋動力學的很大注意。

研究認為,內波對聲場起伏起主要作用的頻率範圍是慣性頻率和韋伊塞萊 (Visl)頻率之間(見海洋中的內波),在慣性頻率以下,對聲場起伏起主要作用的是內潮的活動。對於深海內波已取得不少實驗資料,突出地反映在由C.加勒特和W.H.蒙克提出的 G-M譜。但是對於淺海內波的研究,在國際上還處於初級階段。由中國淺海的內波研究表明,由於存在尖銳的負躍層等因素,它具有與深海內波明顯不同的某些特性。①在夏季典型負躍層條件下,聲振幅起伏可達20dB,而在同一海區,冬季典型均勻層(無內波)條件下,聲振幅起伏一般不大於數分貝;②聲振幅起伏與內波的活動程度有很強的關聯性;③聲相位起伏主要出接收信號振幅出現最小值的附近一段時間;④聲相位和振幅起伏譜並非隨頻率平滑下降,在內波譜出現峰值處,起伏譜也出現相應的峰值,特別是在周期為8~10min處,這種周期成分出現大起大落的現象。

由上所述可見:高頻近距離的聲場起伏可用於研究海浪和小標度湍流;低頻中遠距離的聲場起伏在慣性頻率和韋伊塞萊頻率之間的相位和振幅譜可用於研究內波;在慣性頻率以下的超低頻相位和振幅譜可用於研究內潮。海洋中的大尺度漩渦的運動規律也可用聲學方法進行遙測。從而發展成為一種新型的水聲學遙感方法,這種以聲波傳播作為積分探頭來探測海洋的問題已日益受到重視。

目標反射和艦船輻射雜訊  水下目標反射  在主動聲吶探測中,目標反射特性與發射信號波形一起構成信號源的特性。在聲吶方程中,用目標強度這一參量來描寫目標反射能力,目標強度的定義是將距離目標的「聲學中心」1m處由目標反射回來的聲強與在同一方向上由遠處入射的聲強之比,取分貝(dB)表示。潛艇、魚雷、水雷或魚等海洋生物等複雜結構的水下目標的反射聲的形成過程是多種的,主要有:①鏡反射;②表面上有規則性的散射,不規則性就是曲率半徑小于波長的稜角、邊緣等;③聲透入目標內部,引起內反射聲波;④共振效應,某些入射波頻率和方位可以激起目標不同的振動模式,往往會提高目標強度。水下目標的反射聲與入射聲相比,經常具有如下特徵:①多普勒頻移;②脈衝聲信號的持續時間拉長;③回聲包絡的不規則性;④調製效應,艦船的螺旋槳可調製尾部方向的反射聲,同時,船殼和尾流的所合成的回聲包絡,由於兩者頻率不同會出現拍頻或振幅變化。對於像潛艇這樣形狀和結構都非常複雜的反射體,在理論上計算目標強度是非常困難的,雖然作了大量實測研究,但到為止,仍有許多問題有待深入。表2列出了一些目標強度的一般估計值,但對具體情況的實際測量值可能會有相當大的變化。

艦船輻射雜訊  
是被動聲吶的信號源,並利用其特性從自雜訊或海洋環境雜訊背景上把它區分出來。在聲吶方程中引入輻射雜訊的聲源級來描寫輻射雜訊的強弱,它定義為在聲軸上距聲學中心1m處的聲強與參考強度之比的分貝數。艦船、潛艇和魚雷的雜訊源可分為三大類:①機械雜訊,②螺旋槳雜訊,③水動力雜訊。在多數情況下,機械雜訊和螺旋槳雜訊是主要的輻射雜訊。這兩種雜訊中哪一種更重要取決於頻率、航速和深度。但在特殊情況下,如在結構部件或空腔被激勵成線譜雜訊源時,水動力雜訊有可能成為主要雜訊源。

① 機械雜訊。主機、輔機、空調設備等機械引起的雜訊,它們可以看成是強線譜和弱連續譜的疊加。
②螺旋槳雜訊。主要由螺旋槳的空化雜訊和水流通過螺旋槳產生單頻雜訊分量所組成。空化雜訊譜是連的,並存在一個峰,對艦船、潛艇,這個峰值通常在100~1000Hz範圍內。空化雜訊的正橫方向明顯大於船首尾方向。單頻雜訊分量包括頻率較高的葉片共振(千赫範圍)和頻率較低的「葉片速率」線譜。 艦船輻射雜訊是一種隨機信號,包括有連續譜、線譜以及有規調製的動態譜,因而在頻率域-時間域上表現出的特徵有:譜、音色、節奏、……等。

7 水聲學 -信號處理

水聲學示意圖

它的主要任務是:在背景干擾情況下,對水聲場時空抽樣,進行空間和時間變換,以提高檢測所需信號的能力。

在50年代初,隨著資訊理論、信號檢測理論、計算技術和水聲學其他分支的發展,水聲信號處理的技術和理論也迅速發展,到60年代初,水聲信號處理方面已掌握了譜分析、相關、匹配濾波器、多波束形成等多種技術。隨著電子計算機的迅速發展,水聲信號處理有下列方面的進展:①數字技術、自適應控制等成功地用于波束形成,使空間處理進入了一個新的階段──多波束接收日益完善並能與環境干擾場自適應匹配。由單純的空間處理走向時空最佳處理。②考慮到水聲傳輸通道的隨時間、空間變化的隨機特性,造成了在時間和頻率上的彌散,已致力於解決與通道匹配接收的問題。③目標識別取得突破性進展,開始走上實用階段。④出現了機助目標檢測跟蹤和參量估值,並向自動檢測方向發展。

時空最佳處理就是要最大限度地利用空間和時間兩方面的信息,亦即信號和背景雜訊在空間分佈上的差異和時間或譜特徵上的差異。在空間方面,常規處理只利用了信號從某一方向來的信息(通過時延匹配,進行同相疊加),而最佳時空處理則還利用了雜訊場的空間相關性質,它比常規處理多一個空間預白濾波器,其作用是利用雜訊相關性來實現「雜訊抵消」,儘可能地消除各路雜訊之間的空間相關和削弱雜訊功率。在時間方面,常規處理只利用了信號和雜訊的功率譜的譜級的差異;除此之外,最佳處理還利用了信號和雜訊功率譜的形狀上的差異。最佳時空處理器根據信號和雜訊功率譜的形狀構成了最佳預選濾波器。由此可見,當干涉場是相關干擾時,最佳時空處理器將比常規的表現出顯著的優越性。

最佳時空處理器的結構,在對抗平面波干涉的情況,可分為三個部分,第一部分用消除平面波干擾,先用矩陣濾波器估計平面波干擾,提供平面波干擾時空採樣的估計值,再與輸入時空採樣相減,抵消平面波干擾。第二部分為波束形成器,用來在目標方向形成波束。第三部分為時間處理,由白色濾波器和匹配濾波器構成。在海洋中經常遇到的是相關干擾場,用最佳處理可以獲得良好的效果。已經實現了被動聲吶的實時最佳處理。

在聲吶中,實際的最佳系統必須能夠不斷地學習周圍的環境,隨時調整內部結構參量,使系統性能按某種準則而言儘可能隨時接近於最佳。這樣的系統稱為自適應系統。用自適應方法實現的最佳基陣處理器稱為自適應波束形成器。隨著聲吶信號處理技術發展,接收機輸出數據率不斷提高,靠聲吶員來辯認出目標並測定其參量是很困難的,這就發展了機器輔助檢測和自動檢測的技術。雖然水聲信號處理的理論不少與雷達的相似,但由於水聲通道的複雜性,仍有許多不同之處。

8 水聲學 -相關學科

次聲學、超聲學、電聲學、大氣聲學、音樂聲學、語言聲學、建築聲學、生物聲學、物理學、力學、熱學、光學、聲學、電磁學、核物理學、固體物理學。

9 水聲學 -參考資料

[1] 澤澤網 http://www.zzgwu.com/wiki/index.php?doc-view-276368
[2] 大科普網 http://www.ikepu.com/physics/physics_branch/water_acoustics_total.htm

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