免费在线 声呐方程 主动声呐方程 信号级（回声信号级）： SL-2TL+TS 背景干扰级： NL-DI （接收阵抑制背景噪声） 注意： 换能器声轴指向？ 水声学 第 1 章声呐及声呐方程 31 1.3 声呐方程 主动声呐方程 接收信号的信噪比： （ SL-2TL+TS ） - （ NL-DI ） 主动声呐方程（噪声背景）： （ SL-2TL+TS ） - （ NL-DI ）＝ DT 注意： 适用于收发合置型声呐，对于收发分置声呐， 往返传播损失不能简单用 2TL 表示；适用于背景干扰 为各向同性的环境噪声情况。 水声学 第 1 章声呐及声呐方程 32 1.3 声呐方程 主动声呐方程 主动声呐方程（混响背景）： （ SL-2TL+TS ） -RL ＝ DT 水声学 第 1 章声呐及声呐方程 33 1.3 声呐方程 被动声呐方程 ? 噪声源发出的噪声直接由噪声源传播至接收换能器； ? 噪声源发出的噪声不经目标反射，即无 TS ； ? 背景干扰为环境噪声，不存在混响干扰。 水声学 第 1 章声呐及声呐方程 34 1.3 声呐方程 被动声呐方程 （ SL-TL ） - （ NL-DI ）＝ DT 注意： SL 噪声源辐射噪声的声源级。 被动声呐存在混响背景声呐方程吗？为什么？ 水声学 第 1 章声呐及声呐方程 35 1.4 组合声呐参数 回声信号级： SL-2TL+TS 加到主动声呐接收换能器上 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呐设 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呐设备 正常工作所需的最低信号级。 回声余量： SL-2TL+TS- （ NL-DI+DT ） 主动声呐回声 级超过噪声掩蔽级的数量。 优质因数： SL- （ NL-DI+DT ） 对于被动声呐，该量规 定最大允许单程传播损失；对于主动声呐，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 ） 声呐接收换能器测得的声 源级与噪声背景干扰级之差。 水声学 第 1 章声呐及声呐方程 36 1.5 声呐方程的应用 声呐方程应用 ? 声呐设备性能预报 ： 已知设备特点和若干参数，对其 它声呐参数进行估计，如估计优质因数； ? 声呐设备设计 ： 预先规定设备职能及各项战术技术指 标，根据声呐方程综合评价各参数的影响，对参数合 理选取和设备最佳设计，例如工作频率选取 — DI 、 TL 。 水声学 第 1 章声呐及声呐方程 37 1.5 声呐方程的应用 Figure of Merit (FOM) ? 定义 – 被动声呐允许的最大单程传播损失；主动声呐允许的最 大双程传播损失 . – 令 TL 或 2TL = FOM, 则可知允许的水声信号传播损失 . ? 被动声呐 – FOM P = SL – NL + DI – DT ? 主动声呐 – FOM A = SL + TS – RL – DT ( 混响背景 ) – FOM A = SL + TS – NL + DI – DT ( 噪声背景 ) 水声学 第 1 章声呐及声呐方程 38 1.5 声呐方程的应用 Range ??? ? 根据 FOM 可以预报声呐 作用距离 。 – FOM 越高 , 允许信号传播损失 越大 ， 则声呐作用距离 越远 。 ? 检测概率 – 被动声呐 ? 如果 FOM TL 则 检测概率 50% ? 如果 FOM TL 则 检测概率 50% – 主动声呐 ? 如果 FOM 2TL 则 检测概率 50% ? 如果 FOM 2TL 则 检测概率 50% ? 根据水声传播理论可以预报 水声传播损失 水声学 第 1 章声呐及声呐方程 39 1.5 声呐方程的应用 Prop Loss Curve Max Range DP Max Range BB FOM = 70 dB 水声学 第 1 章声呐及声呐方程 40 1.5 声呐方程的应用 Prop Loss Curve Max Range DP Max Range CZ FOM = 90 dB 水声学 第 1 章声呐及声呐方程 41 1.6 声呐方程的限制 声呐方程瞬态形式 声呐方程是用声强度来描述的，而声强度是声能流在某一时 间间隔内的平均值： ? ? T pudt T I 0 1 注意： （ 1 ）长脉冲信号：回波信号宽度很接近发射信号脉冲宽度 T 。 （ 2 ）短脉冲信号：由于 介质传播的多途效应 、 目标反射的物理 效应 ，接收到回声信号波形会产生严重畸变，上式平均值会得 到不确定的结果，上式不再适用。 水声学 第 1 章声呐及声呐方程 42 1.6 声呐方程的限制 声呐方程瞬态形式 近似处理： 时间 T 内对声波能流密度 E 求平均而得声强 注意： （ 1 ）对于长脉冲声呐， T 为发射脉冲宽度，回波脉冲宽度也 近似等于此值； （ 2 ）对于短脉冲声呐， T 一般不确定，回声宽度与发射宽度 相差甚大。 T E I ? ? ? ? 0 pudt E 水声学 第 1 章声呐及声呐方程 43 第 1 章 声呐及声呐方程 声呐（ Sonar — SO und NA vigation and R anging ） — 利用水下声信息进行探测、识别、定位、导航和通讯系统。 1.1 声呐及其工作方式 水声学 第 1 章声呐及声呐方程 2 1.1 声呐及其工作方式 声呐分类 按照工作方式分类：主动声呐和被动声呐 水声学 第 1 章声呐及声呐方程 3 主动声呐信息流程 ： 1.1 声呐及其工作方式 被动声呐（噪音声呐站）信息流程 ： 水声学 第 1 章声呐及声呐方程 4 1.1 声呐及其工作方式 水声学 第 1 章声呐及声呐方程 5 主被动声呐有何区别？ ? 主动声呐： – 声源：通过接收目标回波实现目标探测（ SL 、 TS ）； – 传播路径：双程（ 2TL ）； – 背景干扰：环境噪声和混响（ NL 、 RL ）。 ? 被动声呐： – 通过接收被探测目标辐射噪声实现目标探测（ SL ）； – 传播路径：单程（ TL ）； – 背景干扰：环境噪声（ NL ）。 1.1 声呐及其工作方式 主、被动声呐工作信息流程基本组成？ 1 、海水介质 2 、被探测目标 3 、声呐设备 声呐工作信息流程三个基本环节 水声学 第 1 章声呐及声呐方程 6 1.2 声呐参数 声呐参数 将影响声呐设备工作的因素称为声呐参数。 1 、阐述声呐参数定义、物理意义； 2 、推导声呐方程。 水声学 第 1 章声呐及声呐方程 7 1.2 声呐参数 ? 声源级 SL ? 指向性指数 DI T ? 传播损失 TL ? 目标强度 TS ? 传播损失 TL ? 指向性指数 DI R ? 噪声级 NL ? 等效平面波混响级 RL ? 检测阈 DT 主动声呐 水声学 第 1 章声呐及声呐方程 8 1.2 声呐参数 ? 声源级 SL ? 传播损失 TL ? 指向性指数 DI R ? 噪声级 NL ? 检测阈 DT 被动声呐 水声学 第 1 章声呐及声呐方程 9 1.2 声呐参数 1 、主动声呐声源级 SL （ S ource L evel ） 描述主动声呐所发射声信号的强弱： 1 0 lg 10 ? ? r I I SL I 为发射器声轴方向上离 声源声中心 1 米处的声强； I 0 为参考声强 ( 均方根声压为 1 微帕 平面波对应声强 ) ； ? 声源级反映了发射器辐射声功率的大小。 水声学 第 1 章声呐及声呐方程 10 1.2 声呐参数 ? 将发射器做成具有一定的 发射指向性； ? 解释原因： 它可以提高辐 射信号的强度，相应也提高 回声信号强度，增加接收信 号的信噪比，从而增加声呐 的作用距离。 如何提高主动声呐作用距离？ 水声学 第 1 章声呐及声呐方程 11 1.2 声呐参数 发射指向性指数 DI T （ D irectivity I ndex ） ND D T I I DI lg 10 ? 物理含义： 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； 2 、 DI T 越大，声能在声轴方向集中的程度越高；就有 利于增加声呐的作用距离。 水声学 第 1 章声呐及声呐方程 12 1.2 声呐参数 声源级与声功率的关系 假设： 1 、 介质无声吸收； 2 、 声源为点源； 3 、 辐射声功率为 P a ( W ) ? ? 2 1 4 m W P I a r ? ? ? 距离声源声中心 1 米处声强： 水声学 第 1 章声呐及声呐方程 13 1.2 声呐参数 声源级与声功率的关系 无指向性声源辐射声功率与声源级的关系： 77 . 170 lg 10 ? ? a P SL 有指向性声源辐射声功率与声源级的关系： T a DI P SL ? ? ? 77 . 170 lg 10 常识：船用声呐 P a 为几百瓦～几千瓦， DI T 为 10 ～ 30dB ， SL 约为 210 ～ 240dB 。 水声学 第 1 章声呐及声呐方程 14 1.2 声呐参数 2 、被动声呐声源级 SL （ S ource L evel ） 接收水听器声轴方向上、离目标声学中心 1 米处测 得的目标辐射噪声强度 I N 和参考声强之比的分贝数： 0 10 lg N I SL I ? 注意： （ 1 ）目标辐射噪声强度的测量应在目标的远场进行， 并修正至目标声学中心 1m 处； （ 2 ） I N 指的的接收设备工作带宽内的噪声强度； （ 3 ）辐射噪声谱源级： 1 0 10lg N I SL I f ? ? 水声学 第 1 章声呐及声呐方程 15 1.2 声呐参数 3 、传播损失 TL （ T ransmission L oss ） 定量描述声波传播一定距离后声强度的衰减变化： r I I TL 1 lg 10 ? 引起声强衰减的原因： （ 1 ）由于海水介质本身的 声吸收； （ 2 ）声波传播过程的 波阵面扩展（几何扩展）； （ 3 ）海水中各种不均匀体的 声散射。 水声学 第 1 章声呐及声呐方程 16 1.2 声呐参数 4 、目标强度 TS （ T arget S trength ） 定量描述目标反射本领的大小 ： 1 10lg r i r I TS I ? ? 目 标 Q C P I r 1m 常识 ： 目标反射本领有差异。 （ 1 ）不同目标回波不一样； （ 2 ）回波与入射波特性（频率、波阵面形状）和目标特性 （几何形状、材料等）有关。 水声学 第 1 章声呐及声呐方程 17 1.2 声呐参数 5 、海洋环境噪声级 NL （ N oise L evel ） 海洋环境噪声： 由海洋中大量的各种各样的噪声源 发出的声波构成的，它是声呐设备的一种 背景干扰 。 NL 是度量环境噪声强弱的量 ： 0 lg 10 I I NL N ? 注意： I N 是 测量带宽内 的噪声强度。 海洋环境噪声谱级： 1 0 10lg N I NL I f ? ? 水声学 第 1 章声呐及声呐方程 18 1.2 声呐参数 主动声呐背景干扰 环境噪声 平稳的、各向同性的 混 响 非平稳的、非各向同性的 水声学 第 1 章声呐及声呐方程 19 1.2 声呐参数 （ 1 ）定量描述混响干扰的强弱； （ 2 ）利用平面波 声级 来度量混响场的强弱。 定义：已知 强度为 I 的平面波 轴向 入射到水听器上，水 听器输出电压值 V ；将水听器移置于混响场中， 声轴 指向目标 ，水听器输出电压值也为 V ，则该平面波声 级就是混响级。 6 、等效平面波混响级 RL （ R everberation L evel ） 0 10lg I RL I ? 水声学 第 1 章声呐及声呐方程 20 1.2 声呐参数 7 、接收指向性指数 DI R （ D irectivity I ndex ） 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 lg 10 ? R DI 注意： 指向性水听器的轴向灵敏度等于无指向性水听 器的灵敏度。 物理含义： 接收系统 抑制 背景噪声的能力。 水声学 第 1 章声呐及声呐方程 21 1.2 声呐参数 水听器自由场（电压）灵敏度： 水听器输出端的开路 电压 u 与自由场中引入水听器前其声中心处声压 p 比值： p M u p V Pa ? ? ? 20lg 1 pl p r r M M M M V Pa ? ? 例子： 若水听器自由场（电压）灵敏度为 -200dB ，假 设入射平面波的声压级为 80dB ，问其输出端的开路电 压为多少？ 水声学 第 1 章声呐及声呐方程 22 1.2 声呐参数 假设： 1. 水听器灵敏度为单位值； 2. 噪声场为各向同性，单位立体角内的噪声功率为 I i 。 无指向性水听器产生的噪声功率为： ? ? ? ? ? ? 4 4 i i N mI d I m R m 为与灵敏度有关的比例常数； 是单位立体角。 ? d 水声学 第 1 章声呐及声呐方程 23 1.2 声呐参数 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 4 4 , , d b mI d b I m R i i D 是归一化的声束图函数。 ? ? ? ? , b 指向性水听器产生的噪声功率为： 水声学 第 1 章声呐及声呐方程 24 1.2 声呐参数 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 4 , 4 lg 10 lg 10 d b R R DI D N R 注意 ： 参数 DI R 只对各向同性噪声场中的平面波信号 （是完全相关信号）有意义；否则需用阵增益 AG 来 代替 DI R 。 根据接收指向性指数定义： 水声学 第 1 章声呐及声呐方程 25 1.2 声呐参数 换能器基阵的阵增益： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 4 4 4 4 , , , , 10lg , , S b d N b d AG S d N d ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 水声学 第 1 章声呐及声呐方程 26 1.2 声呐参数 简单几何形状换能器指向性： 水声学 第 1 章声呐及声呐方程 27 1.2 声呐参数 定义： 设备刚好能正常工作所需 处理器输入端 信噪比值 ( SNR ) 8 、检测阈 DT （ D etection T hreshold ） 功率 水听器输出端上的噪声 信号功率 刚好完成某种职能时的 lg 10 ? DT 注意： 对于同种职能的声呐设备，检测阈值 较低 的设备，其处 理能力 强 ，性能也 好 。 常识：声呐设备接收器接收 声呐信号 和 背景噪声 ，两部分的比 值（信噪比）即接收带宽内的信号功率与工作带宽内（或 1Hz 带宽内）的噪声功率之比，它影响设备的工作质量，比值越高， 设备就能正常工作，“判决”就越可信。 水声学 第 1 章声呐及声呐方程 28 1.3 声呐方程 1. 将海水介质、声呐目标和声呐设备作用联系在一起； 2. 将信号与噪声相联系； 3. 综合考虑水声所特有的各种现象和效应对声呐设备的 设计和应用所产生影响的关系式。 声呐方程 水声学 第 1 章声呐及声呐方程 29 1.3 声呐方程 基本考虑 1. 声呐方程基本原则： 信号级 - 背景干扰级 = 检测阈 2. 背景干扰级含义： 设备工作带宽内部分背景噪声才起干扰作用。 水声学 第 1 章声呐及声呐方程 30

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