第6章 海洋中的混响1.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,*,第,6,章 海洋中的混响,6.3,海水中气泡的声学特性,海面混响形成：,海面不平整性、波浪产生小气泡对声波的散射。,海面混响的特性与水中气泡的声学特性密切相关。,层厚、气泡浓度及气泡半径取决于气象条件,6.3,海水中气泡的声学特性,1,、小气泡对声波的吸收作用,需注意问题：,小气泡不属于吸声材料，但由于小气泡群的吸收和散射作用，声波通过这种气泡群后会产生很大衰减,。,衰减的原因：,气泡散射,气泡的存在使介质出现不连续性,气泡再辐射,在入射声波作用下，气泡作受迫振动，向周围介质辐射声能,气泡热传导,气泡的压缩、膨胀产生热传导,流体粘滞作用,水介质与气泡的磨擦产生热能,概括,：,气泡对声波的衰减来自气泡的吸收作用和散射作用。,6.3,海水中气泡的声学特性,2,、小气泡的共振频率,小气泡类似于谐振腔，在声波的作用下，其振动机理类比电路如下图：,6.3,海水中气泡的声学特性,2,、小气泡的共振频率,小气泡作受迫振动时的等效机械阻抗：,气泡谐振频率：,水中的气泡，取 ，空气的 ，设气泡在水面附近，则 为,1,标准大气压，则可得谐振频率,：,kHz,cm,6.3,海水中气泡的声学特性,2,、小气泡的共振频率,半径,a,在（）,cm,数量级范围内的气泡的共振频率为（,333.3,）,kHz,，而声纳的工作频率恰好在此范围，所以半径为（）,cm,的气泡对声纳工作影响最大,。,海水中压力 与海水深度,d,有关，则深度,d,处的空气泡的共振频率为,：,kHz,m,cm,6.3,海水中气泡的声学特性,3,、单个气泡的散射截面、吸收截面和消声截面,根据机电类比，小气泡的散射功率 就是消耗在电阻 上的功率,：,入射声波强度,若定义散射截面 ，则单个气泡的散射截面,：,6.3,海水中气泡的声学特性,3,、单个气泡的散射截面、吸收截面和消声截面,吸收截面和吸声功率自己阅读教材：,单个气泡消声截面散射截面吸收截面,因为气泡的消声作用是由散射作用和吸收作用构成。,上述两式表明：,声波频率与散射功率、散射截面有关；当 时，气泡处于共振状态，散射功率、散射截面达到最大，分别为,：,6.3,海水中气泡的声学特性,4,、衰减系数,定义：,平面声波在含气泡水中传播时的声强度衰减,：,式中，和 分别为声波传播方向上相距单位距离两点声强。,设每个气泡的消声截面为 ，每 水介质中含有,n,个共振气泡，则衰减系数为,：,注意：上式忽略气泡间多次散射，仅适用于气泡浓度不大情况。,6.3,海水中气泡的声学特性,5,、含气泡水介质中声速,介质中声速是该介质的一个基本声学参数，反映介质的声学特性，对声波的传播有重大影响。,含气泡水中的声速气泡含量、声波频率有关；,当声波频率低于气泡共振频率，气泡的存在使声速明显减小；,当声波频率远高于共振频率，气泡对声速不产生明显影响；,声波频率就在共振频率附近，则随着频率的变化，声速发生剧烈改变。,6.4,海面混响,1,、海面混响理论,海面对混响有贡献区域：,厚度为,H,，宽为 球台状圆环，如下图所示。,海面混响推导：,与体积混响一样，不同是积分体积，散射强度采用界面散射强度 。,6.4,海面混响,1,、海面混响理论,设收发合置换能器位于 点，离海面散射层的距离为,h,；收发换能器指向性分别为 、，声源在散射层上的投影点 到圆环内侧距离为,R,，声源到圆环内侧的斜距为,r,。,6.4,海面混响,1,、海面混响理论,类似体积混响的理论处理，对混响有贡献的散射声强：,上式积分解析解一般不易求得，考虑到只有工作在近海面的声纳才可能受到海面混响的严重干扰。假设：,在上述假设条件下，收发换能器垂直指向性不起作用，只有水平指向性才起作用，这样散射面近似在 平面内：,6.4,海面混响,1,、海面混响理论,散射声强：,用一个理想指向性,替代发,-,收组合的指向性束宽：,最终的散射声强的表达式为：,变化规律：,散射声强度正比于发射声强、发射声信号脉冲宽度、发,-,收换能器组合指向性束角，并和距离的三次方成反比，即随时间的三次方衰减。,6.4,海面混响,1,、海面混响理论,海面混响的等效平面波混响级表达式：,若散射层内 是均匀的，则 恰好就是界面散射强度 ；则海面混响的等效平面波混响级表达式：,注意：,若散射层内 是不均匀的，则,。,6.4,海面混响,2,、海面散射强度,海上测量结果表明：海面散射强度与掠射角、工作频率和海面上风速有关，见右图（,60kHz,）。海面散射强度与掠射角、风速的关系分成三个区域,。,计算海面混响的,RL,，必须知道 ，因此，对于海面混响研究实际是对 的研究。,6.4,海面混响,2,、海面散射强度,（,1,）与掠射角关系,掠射角小于,30,o,，散射强度几乎不随掠射角而变，但随风速增加而增加。,原因,：气泡散射，气泡密度变大。,掠射角在,30,o,70,o,范围，散射强度值掠射角增大而增大，而随风速的增长逐渐变慢。,原因,：海表面的反向散射是主要原因。,掠射角在,70,o,90,o,范围，尤其是在接近正投射情况下，散射强度值反而随风速增加而减小。,原因,：镜反射减小，海面破碎程度严重。,结论,：在不同掠射角范围内，海面混响产生机理有所不同。,6.4,海面混响,2,、海面散射强度,（,2,）与频率关系,小掠射角角度时，具有较强的频率关系，散射强度为,3dB/,倍频程关系；垂直入射时，此关系不明显。,（,3,）经验公式,Chapman,和,Harris,等人得到了计算海面反向散射强度的经验公式（风速：,030,节，频率：,0.4kHz6.4kHz,）：,式中，,v,为风速，单位节；为掠射角，单位度；,f,是频率，单位赫兹,。,6.4,海面混响,3,、海面散射理论,（,1,）,Echart,理论,将海面看作随机不平整表面，混响为海面上次级辐射声源的贡献和：,掠射角（度）,海面波浪斜率均方值,6.4,海面混响,3,、海面散射理论,（,2,）光栅理论,Marsh,等人提出理论：,重力加速度,海面波高功率谱,如果将海面作用看作衍射光栅，则海面波高功率谱为：,适用条件：,明显不符合海面散射的实际物理过程。,6.4,海面混响,3,、海面散射理论,风速,（,3,）粗糙度描述理论,入射波波长 ，海面不平整的平均高度为,h,，声波掠射角为 ：,注意：,由于海面散射的复杂性及易变性，以上介绍的理论都只在一定的范围内才能解释海上实际测量结果。,6.5,海底混响,1,、海底混响理论,海底混响是一种界面混响。海底散射几何关系如右图所示。收发合置换能器距离海底高度为,H,，它们指向性分别为 、,。,根据实际情况，所以,，这使得反向散射过程与换能器垂直指向性基本无关，故,，可近似为 ，,。,6.5,海底混响,1,、海底混响理论,海底混响的有效散射声强为：,海底反向散射强度,6.5,海底混响,1,、海底混响理论,用一个理想指向性图 替代发收组合的指向性束宽：,海底散射声强：,变化规律：,海底散射声强度正比于发射声强、发射声信号脉冲宽度、收,-,发组合指向性束宽，并和距离的三次方成反比，即随时间的三次方衰减。,6.5,海底混响,1,、海底混响理论,海底混响的等效平面波混响级表达式：,海面混响,体积混响,6.5,海底混响,2,、海底散射强度,海底散射强度主要受海底底质、掠射角和声波频率等因素影响。,（,1,）与声波频率关系,比较平滑的海底（泥浆底或砂底）：在很宽频率范围内，随频率以,3dB/,倍频程增大；,岩石、砂和岩石及淤泥、贝壳海底：与频率基本无关。,解释：,海底粗糙程度的影响：粗糙度大于波长，海底反向散射与频率无关；粗糙度小于波长时，散射强度随频率增大。根据海底散射强度随频率变化，将海底粗糙度分为三类。,6.5,海底混响,2,、海底散射强度,（,2,）与海底底质和角度关系,注意：,知道如何查图读数即可。,常识：,海底散射强度大于海水的体积混响和海面散射强度，对于工作在近海底的主动声纳来讲，海底混响可能成为主要干扰背景。,6.5,海底混响,3,、关于海底反向散射的理论解释,产生海底反向散射的主要原因是海底的起伏不平整性及表层的粗糙度；,海底对声波的散射作用的本质是将投射到海底的声能量在空间中进行了重新分配；,强粗糙面上的散射问题可用兰伯特（,Lambert,）定律描述。,6.6,混响统计特性,混响是一个非平稳随机过程,平均强度随时间而衰减,平稳化处理,补偿放大器补平平均强度,只改变平均值、没有改变混响过程的相对起伏大小,6.6,混响统计特性,1,、分布函数及平均起伏率,(1),混响瞬时值分布规律,混响数学描述：,单个散射信号形状,散射波的随机幅度,假设散射信号波形与入射声信号波形一致；假设每个散射波的相位在,0,内随机取值，此时混响瞬时值,V,满足,正态分布,规律（中心极限定理），概率密度为：,6.6,混响统计特性,1,、分布函数及平均起伏率,(2),混响振幅分布规律（混响曲线包络）,将混响表示为如下形式,：,可以证明，,大量,凡是幅度几乎相同，而相位是,0,均匀分布的振动迭加后得到的信号，其振幅服从,瑞利分布,，因此振幅的概率密度函数为：,混响振幅慢变化,混响信号相位,6.6,混响统计特性,1,、分布函数及平均起伏率,(3),混响振幅起伏率,对于瑞利分布而言有：,6.6,混响统计特性,1,、分布函数及平均起伏率,(3),混响振幅起伏率,实测结果表明：,单纯体积混响和海面混响符合瑞利分布；,浅海混响振幅向右偏离瑞利分布；,原因：,单位体积内散射体数目不够多，则单位时间内到达接收点散射声数目较少，混响瞬时值不能很好遵循正态分布，混响信号振幅分布偏离瑞利分布。,某些个别强散射分量或有规分量参与信号叠加，混响信号振幅遵循广义瑞利分布。,6.6,混响统计特性,2,、混响相关性,(1),空间相关,海底混响具有强相干性，而体积混响具有弱相干性。两个水听器接收到的散射波声压为,：,当散射体到水听器的距离,r,远大于水听器间距,l,时，则有,：,6.6,混响统计特性,2,、混响相关性,(1),空间相关,V,1,和,V,2,之间的相关函数,K,为：,其相关系数,：,6.6,混响统计特性,2,、混响相关性,(1),空间相关,上式只是一个散射元所造成的结果，总的相关系数为,：,6.6,混响统计特性,2,、混响相关性,(2),特点,相关系数随,l,振荡衰减形式,相关系数与频率有关,(1),空间相关,如果水听器的水平指向性开角为 ，并且 ，则,：,6.6,混响统计特性,3,、频率分布,混响频谱展宽：,正弦填充脉冲声纳的混响在频率上与发射频率不完全相合，在频率两侧都有频移。,舰艇和散射体运动；,发射脉冲有一定的频宽；,发射脉冲宽度为 时，其频宽近似为 。,6.7,混响预报,例：,设声纳工作频率为,50kHz,，声源级为,120dB,，发射脉冲宽度,1ms,，换能器为,0.3m,长的线状换能器，置于泥浆海底上方,30m,处，求相应离底的斜距为,180m,时的海底混响级。,解：,（,1,）声波掠射角,r=180m,30m,（,2,）海底散射强度,由掠射角和泥浆海底条件,在图,6-15,的曲线查得,dB,6.7,混响预报,例：,设声纳工作频率为,50kHz,，声源级为,120dB,，发射脉冲宽度,1ms,，换能器为,0.3m,长的线状换能器，置于泥浆海底上方,30m,处，求相应离底的斜距为,180m,时的海底混响级。,（,3,）等效波束宽度,声纳工作频率,50kHz,，相应的波长为,0.03m,，又换能器为,0.3m,长的柱状换能器，所以由表,6-3,查得,6.7,混响预报,例：,设声纳工作频率为,50kHz,，声源级为,120dB,，发射脉冲宽度,1ms,，换能器为,0.3m,长的线状换能器，置于泥浆海底上方,30m,处，求相应离底的斜距为,180m,时的海底混响级。,（,4,）混响面积,A,（,5,）等效平面波混响级,RL,作业,请简述海面散射强度随掠射角、工作频率和海面风速的变化规律？,用主动声呐探测放置在海底，半径为,0.5,米的刚性球；收发合置换能器距该球,200,米，收发合置换能器等效束宽为,0.1,弧度；查表知该处海底的散射强度为,-20,分贝；若信号脉冲宽度,=5,毫秒，求：接收信号的信混比。（海水中声速,c=1500m/s,；声波球面扩展，不计海水声吸收）,作业,写出（,1,）目标回声信号级表达式；（,2,）海底混响的等效平面波混响级表达式。又已知：海底有一刚性球，半径,1m,；收,-,发合置换能器，其指向性等效束宽 弧度；收,-,发合置换能器距海底目标斜距,400m,；信号脉冲宽度；海底散射强度,-25dB,；（,3,）试求：接收信号的信混比。（,4,）为提高接收信号的信混比应如何改进声呐的设备参数。（声速：,1500m/s,；声波球面波扩展；不计海水声吸收）,为提高接收信号的信混比应如何改进声呐的设备参数。（声速：,1500m/s,；声波球面波扩展；不计海水声吸收）,混响的瞬时值和振幅各服从什么分布规律？混响的空间相关特性？,