水声学
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spContent=人类在N年前便可以在太空翱翔、在月球行走,但最深也不过11千米的海洋却让人深不可测。不是海洋太深,不是海洋太广,而是我们仍然没有找到一种有效方法。声波是目前唯一已知的水下远距离信息传输的有效载体,水声学便是人类认识海洋的基础科学。你想下海吗?你敢下海吗?你不得不从学习水声学开始!
—— 课程团队
课程概述

(1)我校的《水声学》是国内最早面向本科生开设的,拥有水声工程国家重点学科、第一批博士点、第一批博士后流动站、水声技术国家级重点实验室支撑;拥有一流的师资队伍、自编教材、国家级精品课程和国家精品资源共享课程支撑,始终引领着我国水声学尖端人才的培养。

(2)水声学是声学的一个分支学科,主要解决声波在水下的辐射、传播与接收过程中涉及的相关声学问题,包括声纳系统、海洋环境、声传播理论、海洋中的声传播规律、水下物体的声散射、海洋环境的声散射及海洋环境噪声等。

(3)水声学为水声工程专业核心课程,内容为水声领域的基础理论,具有很强的理论性,学习之前需要掌握一定的数理基础和声学基本概念。幕课中通过公式推导、案例教学等手段将复杂内容形象化,抽象问题具体化,使得学者通过自学就能够掌握本课程的主要内容。

(4)学习本课程后,学者将掌握简正波理论和射线声学理论、规则物体的声散射分析理论、海面海底的声散射分析理论,将能够应用所学理论揭示声波在海洋中的传播规律、分析海洋环境对声传播的影响规律、掌握水下物体的声散射能力、掌握海洋环境声散射强度的衰减规律、计算水下噪声强度,最终进行简单声纳系统的设计及工作特性分析。本课程的学习将为非水声专业本科生报考水声工程专业硕士研究生创造必要条件,也为水声工程专业硕士、博士研究生继续学习水声方向课程提供必要基础。

授课目标
通过声纳系统与声纳方程、海洋环境的声学特性、海洋中的声传播理论、目标声散射、海洋混响、水下噪声内容的讲授,使学生掌握声波在海洋中传播时的基本现象、规律和机理以及对声纳设备的影响,具备解释声传播现象和解决简单水声工程实际问题的能力,培养继续从事水声学习和科研工作的专业人才。
课程大纲

第一章  声纳系统及换能器

1.1 水声学的发展

水声学的发展这节课主要讲述水声学的发展历程,也即声纳的发展历程。内容包括主动声纳的诞生、被动声纳 的发展、1918年至1939年和平时期声纳的发展、1939年第二次世界大战对水声学发展的影响、冷战时期声纳的发展以及二十世纪末期水声学的发展。

1.2 水声学的研究对象

水声学的研究对象主要讲述水声学主要研究方向以及每个方向的具体内容。内容包括三个主要研究方向、每个方向的具体内容、当前的热点问题。

1.3 水声学的主要应用

水声学的主要应用主要讲述水声学在军事领域、民用领域的具体应用。内容包括军事上按载体或功能划分的声纳应用、民用上声纳的具体应用。

1.4 水声学课程概述

水声学课程介绍主要讲述水声学这门课程的主要内容、课程的前后衔接、课程学习方法及课程学习资源。

1.5 声纳系统的概念

主要讲述声纳的定义、声纳的工作方式和分类、主动声纳系统信息流程、被动声纳系统信息流程、主被动声纳系统信息流程的联系与区别。

‍1.6.1 声纳参数 I

主要讲述声纳参数的概念、主动声纳的声纳参数、被动声纳的声纳参数、声源级、发射指向性指数、目标强度、等效平面波混响级四个主动声纳参数的数学定义及其物理意义。

‍1.6.2 声纳参数 II

主要讲述传播损失、海洋环境噪声级、接收指向性指数、检测域四个声纳参数的数学定义及其物理意义、声纳参数的相互联系。

1.7 声纳方程

讲述声纳方程的组成原则、主动声纳信号强度变化过程、被动声纳信号强度变化过程、主动声纳方程、被动声纳方程、声纳方程的两个应用、声纳方程的限制。

1.8 组合声纳参数

讲述回声信号级、噪声掩蔽级、混响掩蔽级、回声余量、优质因素、品质因素六个组合声纳参数的物理意义、主动声纳主要干扰背景判断。

1.9.1 发射换能器阵的指向性 I

讲述等间距均匀点源离散直线阵辐射声压、远场辐射声压的指向性、指向性的特点、发射方向性因子的定义、发射指向性指数的定义。

1.9.2 发射换能器阵的指向性 II

主要讲述均匀连续直线阵和平面圆形活塞辐射器的辐射声压、远场辐射声压的指向性、指向性的特点、发射方向性因子、发射指向性指数。

1.10 接收换能器阵的指向性

主要讲述指向性函数的定义、等间距均匀离散直线阵的输出声压、指向性函数。

1.11 阵增益

主要讲述阵增益的定义、等间距均匀离散直线阵的阵增益、均匀各向同性噪声场中等间距均匀离散直线阵的阵增益计算。

第二章  海洋环境的声学特性 

2.1 海水中的声速

主要讲述声速表达式、声速经验公式、影响声速的因素、声速测量手段、深海海水温度的分层结构、海水温度的季节变化、日变化和纬度变化、声速分布分类。

2.2.1 海水中的声传播衰减 I

讲述引起声传播衰减的原因、平面波和球面波的扩展损失、扩展损失的一般表示、均匀介质的声吸收、吸收系数的数学推导、传播损失的一般表示。

2.2.2 海水中的声传播衰减 II

主要讲述超吸收的概念、纯水的超吸收、海水的超吸收、引起海水超吸收的原因、海水吸收系数经验公式、吸收系数与静压力的关系、含气泡海水的声衰减的原因。

2.3.1 海底的声散射特性

主要讲述海底声学参数获取方法、海底对声传播的影响、反向散射强度的概念、深海平原海底反向散射强度随入射角及频率的变化、非常粗糙海底海底反向散射强度随入射角及频率的变化。

2.3.2 海底的声反射特性

主要讲述海底反射损失的定义、高声速海底反射系数的模与反射损失随掠射角的变化、海底全内反射的概念及发生全内反射的条件、低声速海底反射系数的模与反射损失随掠射角的变化、海底反射损失的三参数模型、三参数模型中各参数的求解。

2.3.3 海底沉积物的声速频散与衰减

主要讲述沉积物的描述、沉积物声学模型、沙质沉积物声速频散与衰减实验室测量实验。

2.4 海面的声学特性

主要讲述海面波浪的基本特征、波浪的统计特征、浪高与海况等级、海面表层内的气泡层对声传播的影响、海面对声传播的影响、海洋内部的不均匀性。

第三章  海洋中的声传播理论

3.1 波动方程

讲述理想流体介质中小振幅声波满足的波动方程的导出过程、密度非均匀介质的波动方程、密度均匀介质的波动方程、有外力作用时的波动方程。

3.2 定解条件

讲述定解条件的概念、定解条件的类型、定解条件的数学表示、定解条件的物理解释。

3.3 分离变量法

主要讲述硬底均匀浅海声场所满足的波动方程的分离变量法求解、形式解中待定常数的确定、简正波的本征值与本征函数、硬底均匀浅海声场声压。

3.4 硬底均匀浅海的简正波

主要讲述简正波的特征、声场的简正波表示、简正波的临界频率与波导的截止频率、简正波的相速与群速、简正波的掠射角、传播简正波的阶数与声波频率的关系。

3.5 硬底均匀浅海声场

讲述硬底均匀浅海波导的频散效应、声场的简正波表示、传播损失、平均强度衰减规律。

3.6 液态海底均匀浅海声场

主要讲述液态海底均匀浅海声场的简正波表示、简正波振幅随深度的变化、简正波振幅随频率的变化、简正波的临界频率与波导的截止频率、平均强度衰减规律。

3.7 射线声学基础

主要讲述射线声学中的基本概念、几种波场的声线与等相位面。

3.8 射线声学的基本方程与应用条件

主要讲述射线声学中两个基本方程的导出过程、程函、等相位面、声线传播方向、两个应用条件。

3.9.1 程函方程的不同表示形式

主要讲述程函方程用介质折射率和声线的方向余弦表示、方向余弦用程函表示、程函方程用介质折射率的梯度表示,目的是方便程函方程的应用。

3.9.2 程函方程的应用

主要讲述程函方程的第三种表示形式在声线传播方向证明、Snell折射定律公式推导、声线曲率半径公式推导、程函的显式解推导中的应用,以及声线弯曲方向判断、程函的物理意义。

3.10 强度方程的物理意义

主要讲述射线声学中强度方程的声强表示形式、声强的散度、声强矢量通过封闭曲面的通量、强度方程的物理意义。

3.11 声强基本公式

主要讲述水平分层介质中声强基本公式的数学推导、声场声压的射线表示、聚焦因子的定义及物理意义、焦散线。

3.12 Snell折射定律与声线轨迹

主要讲述Snell定律用于判断声线的弯曲方向、Snell定律中常数的概念、Snell定律的几何意义、恒定声速梯度介质中声线轨迹方程求解。

3.13 声线水平传播距离与传播时间

主要讲述水平分层介质中声线的水平传播距离求解、恒定声速梯度下声线的水平传播距离求解、水平分层介质中声线传播时间求解、恒定声速梯度下声线传播时间求解。

3.14 波动理论与射线理论的比较

主要讲述简正波理论、射线声学理论的特点和适用范围,以及两者的对比分析。

第四章  典型传播条件下的声场

4.1 邻近海面的水下点源声场

主要讲述简正波理论、射线声学理论的特点和适用范围,以及两者的对比分析。

4.2 表面声道声线参数

主要讲述表面声道的形成过程、声线的反转深度、临界角、跨度、循环数四个参数的定义及数学表示。

4.3.1 表面声道的声传播特性 I

主要讲述表面声道声线传播时间、接收爆炸声信号的波形包络及物理解释、表面声道中简正波的临界频率、表面声道的截止频率。

4.3.2 表面声道的声传播特性 II

主要讲述射线声学方法求解表面声道的传播损失、传播损失的经验公式、表面声道的声强级随深度的变化、表面声道的声强级随频率的变化、浅海表面声道的传播损失。

4.4 深海声道的声传播特性

主要讲述Munk标准声速分布模型、深海声道声线传播时间、接收爆炸声信号的包络及物理解释、汇聚区与声影区的概念、汇聚增益与声强异常的概念、传播损失。

4.5 深海负梯度与深海负跃层的声传播特性

主要讲述深海负梯度的特点、声亮区与声影区的概念、极限声线的概念、几何作用距离的数学表示、深海负跃层对声传播的影响。

4.6 硬底均匀浅海声场的虚源表示

主要讲述虚源法基本思想、虚源法求解硬底均匀浅海点源的声场、虚源法的应用条件。

4.7 弹性海底均匀浅海声场的虚源表示

主要讲述海底为非绝对反射边界时均匀浅海点源声场的虚源法求解、硬底均匀浅海声场平均声强随距离的变化规律、海底有声吸收时均匀浅海声场平均声强随距离的变化规律、浅海传播损失、传播损失经验公式。

第五章  声波在目标上的反射和散射

5.1 刚性大球的目标强度

主要讲述水下目标分类、目标强度的定义及物理意义、刚性大球目标强度数学表达式的数学推导。

5.2 潜艇的目标强度

主要讲述潜艇目标强度随方位、测量距离、测量信号脉冲宽度、测量信号频率、目标所处深度等因素的变化关系,从而给出目标强度测量所应满足的测量条件。

5.3 目标强度的实验测量方法

主要讲述目标强度的测量原理、比较法、直接法和应答器法测量目标强度的原理、实验室测量目标强度的方法、注意事项。

5.4 目标回波的组成及特征

主要讲述目标回波信号的形成、目标回波信号的一般特征。

5.5 刚性球体的散射声场

主要讲述分离变量法求解刚性不动球体的散射声场、刚性不动微小粒子的散射声场、散射声场的指向性、散射声场的频率特性、根据散射声场求解目标强度。

5.6 弹性球体的散射声场

主要讲述分离变量法求解弹性球体的散射声场、边界条件、不同边界球体散射声场的形态函数比较、弹性体散射声场的空间指向性特性、非镜反射效应和频率特性。

5.7 Helmholtz积分方法

主要讲述目标散射声场的Helmholtz 积分求解、求解积分的费涅耳半波带近似法。

第六章  海洋中的混响

6.1 海洋混响基本概念

主要讲述混响时间波形、混响形成过程、混响的特点、混响分类、散射强度的定义、等效平面波混响级的定义、混响强度建模基本假设。

6.2 体积混响理论

主要讲述对混响有贡献的区域、体积混响强度建模、体积混响等效平面波混响级、混响体积、体积混响目标强度、体积混响强度随时间衰减规律、抗体积混响方法、深水体积混响源及舰船尾流。

6.3 海水中气泡的声学特性

主要讲述气泡对声波的吸收作用、气泡的共振频率、气泡的散射截面、含气泡水的衰减系数、含气泡水的声速频散。

6.4 海面混响理论

主要讲述对海面混响有贡献的区域、海面混响强度建模、海面混响等效平面波混响级、混响面积、混响目标强度、混响强度随时间衰减规律、抗海面混响方法、海面散射强度与掠射角、频率、风速的关系、海面声散射理论与散射强度经验公式。

6.5 海底混响理论

主要讲述对海底混响有贡献的区域、海底混响强度建模、海底混响等效平面波混响级、混响面积、混响目标强度、混响强度随时间衰减规律、抗海底混响方法、海底散射强度与掠射角、频率、底质的关系。

6.6 混响的统计特性

主要讲述混响瞬时值的分布特性、混响包络的分布特性、混响的频谱特性、混响空间相关特性建模。

6.7 主动声纳方程的应用

主要讲述沉底和水中目标探测的主动声纳方程的应用,也即混响为干扰背景及噪声为干扰背景时的主动声纳方程的应用。

第七章  水下噪声

7.1 噪声的基本概念

主要讲述噪声声压的均值、方差和功率谱、高斯白噪声、噪声的平均频谱密度、噪声的频谱密度函数、噪声的自相关函数与功率谱密度函数的关系、噪声的谱级与噪声级的关系、高斯白噪声仿真、水下噪声的指向性。

7.2 海洋环境噪声

主要讲述深海环境噪声源、深海环境噪声谱、自然噪声的间歇源、深海环境噪声的空间相关特性、深海环境噪声的指向性。

7.3 均匀各向同性噪声场空间相关特性

主要讲述均匀各向同性噪声声压空间相关特性建模理论。

7.4 被动声纳方程的应用

主要讲述声纳作用距离预报、声纳参数优化两个方面的被动声纳方程应用。

7.5.1 舰船、潜艇和鱼雷的辐射噪声 I

主要讲述辐射噪声的声源级定义、舰船、潜艇和鱼雷的辐射噪声源、舰船、潜艇和鱼雷的辐射噪声谱。

7.5.2 舰船、潜艇和鱼雷的辐射噪声 II

主要讲述三类辐射噪声的强度、舰船辐射噪声的指向性、辐射噪声沿船长的分布、辐射噪声的通过特性、水面舰船、潜艇和鱼雷的辐射噪声谱级、舰船辐射噪声测量方法。

7.6 舰船、潜艇和鱼雷的自噪声

主要讲述自噪声与辐射噪声的异同点、舰船自噪声源及其频谱特性、自噪声随航速的变化、自噪声的频率特性、自噪声的指向性、自噪声的传递路径、舰船、潜艇的自噪声级、舰船自噪声测量方法。

7.7 舰船噪声控制简介

主要讲述舰船噪声控制方法、机械噪声控制措施、螺旋桨噪声控制措施、水动力噪声控制措施。

第八章  声传播起伏

8.1 海水温度随机不均匀性和声传播起伏

主要讲述引起声传播起伏的因素、声速相对均方偏差、温度不均匀性的平均尺寸、振幅起伏率的定义、振幅起伏率随距离的变化。

8.2 介质随机不均匀性的声散射引起的声传播起伏

主要讲述随机不均匀介质中波动方程求解的Born 微扰法、声传播起伏分析的Rytov 微扰法、散射场的指向特性、振幅、相位的起伏率、起伏的空间相关特性、起伏的时间相关特性。

8.3 随机界面上的声散射和声传播起伏

主要讲述瑞利参数、相干参数与瑞利参数的关系、海面声散射、振幅起伏与相位起伏、内波引起的声传播起伏、声传播起伏对声纳测量精度的影响。

预备知识

(1)大学物理

(2)高等数学,复变函数,概率论与数理统计,数学物理方法,计算方法

(3)声学理论基础


证书要求

(1)单元测验占课程成绩的30%,满分30分

(2)课堂讨论占课程成绩的30%,满分30分

(3)考试占课程成绩的40%,满分40分

(4)课程成绩达到60-84分为合格,可获得合格证书;

(5)课程成绩达到85分及以上为优秀,可获得优秀证书。

参考资料

[1]  刘伯胜,雷家煜.水声学原理(第二版).哈尔滨工程大学出版社,2010

[2]  A. D. Waite著,王德石译.实用声纳工程(第三版).电子工业出版社,2004

[3]  周福洪.水声换能器及基阵.国防工业出版社,1984

[4]  Darrell R. Jackson,Michael D. Richardson著,刘保华,阚光明等译.高频海底声学.海洋出版社,2014

[5]  R. J. 尤立克著,洪申译.水声原理.哈尔滨船舶工程学院出版社,1989

[6]  汪德昭,尚尔昌.水声学(第二版).科学出版社,2013

[7]  http://atoc.ucsd.edu

[8]  http://oalib.hlsresearch.com

[9]  声学学报.科学出版社,1964-,哈尔滨工程大学图书馆报刊阅览室

[10]美国声学学报(The Journal of the Acoustical Society of America).美国物理所,1929-,哈尔滨工程大学图书馆西文期刊阅览室