水聲學

　　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、傳播和接收過程，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，并得到了廣泛的應用。
　　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，這標志了水聲學的誕生。
　　美國的費森登設計制造了電動式水聲換能器，1914年就能探測到兩海里遠的冰山。1918年，朗之萬制成壓電式換能器，產生了超聲波，并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。
　　隨后，水聲換能器的革新，關于溫度梯度影響聲傳播路徑的機理、聲吸收系數隨頻率變化等水聲學研究的成就，使聲吶得以不斷改進，并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。
　　第二次世界大戰以后，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、淺誨底地層剖面儀，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：新型水聲換能器；水中非線性聲學；水聲場的時空結構；水聲信號處理技術；海洋中的噪聲和混響、散射和起伏，目標反射和艦船輻射噪聲；海洋媒質的聲學特性等。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。
　　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：調制流體(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。
　　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、寬帶、大功率和深水中的發射器，具有高靈敏度、寬帶、低噪聲等性能的水聽器；出現了新型的水聲換能器，如復合壓電陶瓷水聽器、凹型彎張換能器、利用亥姆霍茲共鳴器原理制成的低頻水聽器、應用射流開關技術的調制流體式換能器、聲光換能器等。
　　水聲參量陣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高頻波 (又稱原波)，由于非線性相互作用，則還產生差頻波及和頻波，這也可看作為一種新的轉換概念，參量發射陣利用的就是差頻波。
　　參量發射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，近場原波的振幅不再隨聲源振幅的增大而增大)，有四種典型模式：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于兩原波聲壓的乘積。
　　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，應用于需要低頻高分辨率探測中。參量陣已進入實用階段，特別適用于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。
　　海洋及其邊界(海面和海底)組成復雜多變的水聲傳播媒質，它的復雜多變性主要表現在隨海區和季節而變化，從而有不同的傳播規律。
　　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于波導中的傳播，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，吸收系數一般正比于頻率二次方，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，散射一般遠小于吸收所引起的衰減。聲能漏出聲道的效應則因具體聲道而異。
　　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。它大致分為三層：表面層、主躍變層和深海等溫層。
　　表面層中的聲速對溫度和風的作用很敏感，有明顯的季節變化和日變化。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。最下面的稱為深海等溫層，層中海水處于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。
　　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征。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，它決定于海底的底質和結構。
　　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。
　　海洋中存在著大量散射體以及起伏不平的界面。當聲源發射聲波以后，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。
　　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系以及衰減規律。
　　隨著聲納信號處理技術的發展，接收機輸出數據率不斷提高，靠聲納員來辨認出目標并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與雷達很相似，但由于水聲信道的復雜性，仍有許多不同之處。