計(jì)量論壇

標(biāo)題: 水聲學(xué) [打印本頁(yè)]

作者: csxfjsw123 時(shí)間: 2007-1-4 08:50
標(biāo)題: 水聲學(xué)
　　水聲學(xué)是聲學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科,它主要研究聲波在水下的產(chǎn)生、傳播和接收過(guò)程，用以解決與水下目標(biāo)探測(cè)和信息傳輸過(guò)程有關(guān)的聲學(xué)問(wèn)題。
　　聲波是已知的唯一能夠在水中遠(yuǎn)距離傳播的波動(dòng)，在這方面遠(yuǎn)比電磁波(如無(wú)線電波、光波等)好，水聲學(xué)隨著海洋的開(kāi)發(fā)和利用發(fā)展起來(lái)，并得到了廣泛的應(yīng)用。
　　1827年左右，瑞士和法國(guó)的科學(xué)家首次相當(dāng)精確地測(cè)量了水中聲速。1912年“巨人”號(hào)客輪同冰山相撞而沉沒(méi)，促使一些科學(xué)家研究對(duì)冰山回聲定位，這標(biāo)志了水聲學(xué)的誕生。
　　美國(guó)的費(fèi)森登設(shè)計(jì)制造了電動(dòng)式水聲換能器，1914年就能探測(cè)到兩海里遠(yuǎn)的冰山。1918年，朗之萬(wàn)制成壓電式換能器，產(chǎn)生了超聲波，并應(yīng)用了當(dāng)時(shí)剛出現(xiàn)的真空管放大技術(shù)，進(jìn)行水中遠(yuǎn)程目標(biāo)的探測(cè)，第一次收到了潛艇的回波，開(kāi)創(chuàng)了近代水聲學(xué)，也由此發(fā)明了聲吶。
　　隨后，水聲換能器的革新，關(guān)于溫度梯度影響聲傳播路徑的機(jī)理、聲吸收系數(shù)隨頻率變化等水聲學(xué)研究的成就，使聲吶得以不斷改進(jìn)，并在第二次世界大戰(zhàn)期間反德國(guó)潛艇的大西洋戰(zhàn)役中起了重要作用。
　　第二次世界大戰(zhàn)以后，為提高探測(cè)遠(yuǎn)距離目標(biāo)(如潛艇)的能力，水聲學(xué)研究的重點(diǎn)轉(zhuǎn)向低頻、大功率、深海和信號(hào)處理等方面。同時(shí)，水聲學(xué)應(yīng)用的領(lǐng)域也越加廣泛，出現(xiàn)了許多新裝置，例如：水聲制導(dǎo)魚雷，音響水雷主、被動(dòng)掃描聲吶，水聲通信儀，聲浮標(biāo)，聲航速儀，回聲探測(cè)儀，魚群探測(cè)儀，聲導(dǎo)航信標(biāo)，地貌儀，深、淺誨底地層剖面儀，水聲釋放器以及水聲遙測(cè)、控制器等。
　　水聲作為遙測(cè)海洋的積分探頭，在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)大面積連續(xù)監(jiān)測(cè)海洋的運(yùn)動(dòng)過(guò)程以及海洋資源概念也已初步形成。隨著海洋的開(kāi)發(fā)，水聲學(xué)在海洋資源的調(diào)查開(kāi)發(fā)、對(duì)海洋動(dòng)力學(xué)過(guò)程和環(huán)境監(jiān)測(cè)、增進(jìn)人類對(duì)海洋環(huán)境的認(rèn)識(shí)等方面的應(yīng)用還將不斷地?cái)U(kuò)展。
　　現(xiàn)代水聲學(xué)的研究課題涉及面很廣，主要有：新型水聲換能器；水中非線性聲學(xué)；水聲場(chǎng)的時(shí)空結(jié)構(gòu)；水聲信號(hào)處理技術(shù)；海洋中的噪聲和混響、散射和起伏，目標(biāo)反射和艦船輻射噪聲；海洋媒質(zhì)的聲學(xué)特性等。特別是水聲學(xué)正在與海洋、地質(zhì)、水生物等學(xué)科互相滲透，而形成海洋聲學(xué)等研究領(lǐng)域。
　　水聲換能器是發(fā)射和接收水中聲信號(hào)的裝置，應(yīng)用最廣泛的是電聲轉(zhuǎn)換的水聲換能器，即轉(zhuǎn)換電能為水中聲能的水聲發(fā)射器，以及轉(zhuǎn)換水中聲能為電能的水聲接收器(即水聽(tīng)器)。水是聲阻抗率較高的媒質(zhì)，因此要發(fā)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(jī)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(dòng)、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(diào)制流體(流體動(dòng)力)、氣動(dòng)(如氣槍)、化學(xué)能(如信號(hào)彈)、機(jī)聲(如掃水雷聲源)等。
　　20世紀(jì)60年代以來(lái)，為了實(shí)現(xiàn)聲吶的遠(yuǎn)程探測(cè)，發(fā)展了不少新的換能材料、結(jié)構(gòu)振動(dòng)方式和換能機(jī)理；發(fā)展了工作在低頻、寬帶、大功率和深水中的發(fā)射器，具有高靈敏度、寬帶、低噪聲等性能的水聽(tīng)器；出現(xiàn)了新型的水聲換能器，如復(fù)合壓電陶瓷水聽(tīng)器、凹型彎張換能器、利用亥姆霍茲共鳴器原理制成的低頻水聽(tīng)器、應(yīng)用射流開(kāi)關(guān)技術(shù)的調(diào)制流體式換能器、聲光換能器等。
　　水聲參量陣分為參量發(fā)射陣和參量接收陣兩類。它利用聲波在水內(nèi)傳播時(shí)產(chǎn)生的非線性相互作用。如發(fā)射器同時(shí)發(fā)出兩個(gè)頻率相近的高頻波 (又稱原波)，由于非線性相互作用，則還產(chǎn)生差頻波及和頻波，這也可看作為一種新的轉(zhuǎn)換概念，參量發(fā)射陣?yán)玫木褪遣铑l波。
　　參量發(fā)射陣可分為原波飽和與無(wú)飽和兩種情況(飽和是當(dāng)聲波的振幅足夠大時(shí)產(chǎn)生的，這時(shí)，近場(chǎng)原波的振幅不再隨聲源振幅的增大而增大)，有四種典型模式：無(wú)飽和近場(chǎng)吸收限制、無(wú)飽和遠(yuǎn)場(chǎng)球面擴(kuò)展限制、飽和近場(chǎng)限制、飽和遠(yuǎn)場(chǎng)限制。對(duì)這四種典型模式的理論研究結(jié)果與實(shí)驗(yàn)符合得很好。對(duì)無(wú)飽和的兩種模式，差頻波的聲壓都正比于兩原波聲壓的乘積。
　　參量陣的主要缺點(diǎn)是效率很低，它的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)是可以利用小尺寸換能器獲得低頻、寬頻帶、低旁瓣或無(wú)旁瓣、探照燈式的尖銳波束，應(yīng)用于需要低頻高分辨率探測(cè)中。參量陣已進(jìn)入實(shí)用階段，特別適用于海底淺層地質(zhì)的勘探、水下埋藏物的探測(cè)、淺海特定簡(jiǎn)正波的激勵(lì)等。
　　參量接收陣近來(lái)也受到注意，其工作原理與參量發(fā)射陣相同，非線性相互作用在高聲強(qiáng)的泵波和待接收的聲波之間發(fā)生，在泵波的聲軸上接收差頻或和頻信號(hào)。不過(guò)，參量接收陣的技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度更大，實(shí)際應(yīng)用為時(shí)尚早。
　　海洋及其邊界(海面和海底)組成復(fù)雜多變的水聲傳播媒質(zhì)，它的復(fù)雜多變性主要表現(xiàn)在隨海區(qū)和季節(jié)而變化，從而有不同的傳播規(guī)律。
　　從聲源發(fā)出的聲信號(hào)在傳播過(guò)程中逐漸損失能量，這種傳播損失分為擴(kuò)展和衰減。擴(kuò)展損失表示聲波的波陣面從聲源向外不斷擴(kuò)展的簡(jiǎn)單幾何效應(yīng)。但實(shí)際上聲波經(jīng)常是在類似于波導(dǎo)中的傳播，可以在這種波導(dǎo)(稱為聲道)中定向性地傳播很長(zhǎng)距離。衰減損失包括吸收、散射和聲能漏出聲道的效應(yīng)。造成吸收的原因是海水的粘滯性、熱傳導(dǎo)性、海水中硫酸鎂和硼酸-硼酸鹽離子的弛豫機(jī)構(gòu)。吸收使聲強(qiáng)以指數(shù)形式隨距離下降，吸收系數(shù)一般正比于頻率二次方，因此遠(yuǎn)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(tuán)、浮游生物以及邊界的不平整性，散射一般遠(yuǎn)小于吸收所引起的衰減。聲能漏出聲道的效應(yīng)則因具體聲道而異。
　　產(chǎn)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(jié)構(gòu)。海水中的聲速是溫度、鹽度和靜壓力(深度)的函數(shù)。它大致分為三層：表面層、主躍變層和深海等溫層。
　　表面層中的聲速對(duì)溫度和風(fēng)的作用很敏感，有明顯的季節(jié)變化和日變化。在表面層以下約千米深度內(nèi)，溫度隨深度而下降，使聲速也隨深度下降，具有較強(qiáng)的負(fù)聲速梯度，稱為主躍變層。最下面的稱為深海等溫層，層中海水處于冷而均勻的穩(wěn)定狀態(tài)，聲速隨著深度的增加而增加。在主躍變層的負(fù)聲速梯度和深海等溫層的正聲速梯度之間存在一個(gè)定速極小值(聲道軸)，形成較穩(wěn)定的深海聲道——聲發(fā)聲道。
　　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(qiáng)的地區(qū)變異性和短時(shí)間不穩(wěn)定性。但平均而言，仍有比較明顯的季節(jié)特征。在冬季的典型聲速剖面是等溫層，在夏季往往是負(fù)躍層或負(fù)梯度。
　　在淺海，由海面和海底構(gòu)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(chǎng)分析和聲吶作用距離預(yù)報(bào)的重要參量，它決定于海底的底質(zhì)和結(jié)構(gòu)。
　　當(dāng)聲傳播水平距離不特別遠(yuǎn)(幾百千米以內(nèi))時(shí)，往往把海洋看作分層媒質(zhì)，分層媒質(zhì)中的波動(dòng)理論在60年代已達(dá)到較為成熟的階段。
　　海洋中存在著大量散射體以及起伏不平的界面。當(dāng)聲源發(fā)射聲波以后，碰到這些散射體，就會(huì)引起聲能在各個(gè)方向上重新分配，即產(chǎn)生散射波。其中返回到接收點(diǎn)的散射波的總和稱為混響。混響是主動(dòng)式聲吶的主要干擾。由產(chǎn)生混響的散射體不同性質(zhì)，可分為體積混響、海面混響和海底混響。
　　對(duì)混響的研究大體上分為能量規(guī)律和統(tǒng)計(jì)規(guī)律兩個(gè)方面。混響的能量規(guī)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(jié)合為出發(fā)點(diǎn)，主要涉及混響強(qiáng)度同信號(hào)參量和環(huán)境因素的聯(lián)系以及衰減規(guī)律。
　　隨著聲納信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，接收機(jī)輸出數(shù)據(jù)率不斷提高，靠聲納員來(lái)辨認(rèn)出目標(biāo)并測(cè)定其參量是很困難的，這就發(fā)展了機(jī)器輔助檢測(cè)和自動(dòng)檢測(cè)的技術(shù)。
　　雖然水聲信號(hào)處理的理論與雷達(dá)很相似，但由于水聲信道的復(fù)雜性，仍有許多不同之處。

作者: chuanzyh 時(shí)間: 2007-3-26 22:43
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作者: rock1983823 時(shí)間: 2007-3-29 12:00
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