1、第七章 海洋中的混響海洋混響是主動(dòng)聲納的背景干擾之一，它限制了聲納設(shè)備的作用距離。混響是伴隨聲納發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生的，它與發(fā)射信號(hào)特性密切相關(guān)，而且還與傳播聲道特性有關(guān)。混響是由海洋中大量無(wú)規(guī)散射體對(duì)入射聲信號(hào)的聲散射在接收點(diǎn)迭加而形成的，它是一個(gè)隨即過(guò)程。7.1 海洋混響的基本概念1、混響的分類(lèi)海洋中存在大量的散射體：海洋生物、泥沙粒子、氣泡、水團(tuán)等，不平整海面和海底；它們構(gòu)成實(shí)際海洋的不均勻性，聲波投射其上時(shí)，產(chǎn)生散射聲場(chǎng)，它們?cè)诮邮拯c(diǎn)上形成混響場(chǎng)。下圖為實(shí)測(cè)到混響的例子（爆炸聲）。混響信號(hào)緊跟在發(fā)射信號(hào)之后，是隨時(shí)間衰減的顫動(dòng)聲響。根據(jù)混響場(chǎng)特性不同劃分：l 體積混響：海水中流砂粒子、海洋生物

2、，海水本身的不均勻性等對(duì)聲波散射所形成的混響。l 海面混響：海面的不平整性和波浪形成的氣泡層對(duì)聲波散射所形成的混響。l 海底混響：海底及其附近散射體形成的混響。海面混響和海底混響統(tǒng)稱(chēng)為界面混響（散射體分布為二維的）。2、散射強(qiáng)度定義：參考距離1米處被單位面積或體積所散射的聲強(qiáng)度與入射平面波強(qiáng)度比值的分貝數(shù)。式中，散射聲強(qiáng)度是在遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量后再歸算到單位距離處的。散射強(qiáng)度是表征混響的一個(gè)基本比值，利用它計(jì)算各類(lèi)混響的等效平面波混響級(jí)或進(jìn)行混響預(yù)報(bào)。體積混響的反向散射強(qiáng)度值為70dB100dB，遠(yuǎn)小于海面和海底值。3、等效平面波混響級(jí)混響聲場(chǎng)是非各向同性的，在混響為主的干擾背景情況下，聲納方程中用等效

3、平面波混響級(jí)RL替代NL-DI項(xiàng)。等效平面波混響級(jí)：若接收器接收來(lái)自聲軸方向入射的強(qiáng)度為I的平面波輸出端電壓為V，如將接收器放置在混響聲場(chǎng)中，聲軸對(duì)著目標(biāo)，接收器輸出端電壓也為V，則混響場(chǎng)的等效平面波混響級(jí)RL：式中，為參考聲強(qiáng)。注意：混響是隨時(shí)間指數(shù)衰減的，因此，要分析接收信號(hào)干擾的大小和到達(dá)時(shí)間。4、基本假定（1）直線(xiàn)傳播，計(jì)及球面衰減和海水吸收；（2）散射體分布是隨機(jī)均勻的，且每個(gè)散射體貢獻(xiàn)相同；（3）散射體數(shù)量極多，單位體積元和面元有大量散射體；（4）不考慮多次反射；（5）脈沖時(shí)間足夠短，忽略面元和體積元尺度范圍內(nèi)的傳播效應(yīng)。7.2 體積混響1、對(duì)混響有貢獻(xiàn)的區(qū)域海洋中散射體的散射波不

4、會(huì)都在同一時(shí)刻到達(dá)接收器：海洋中存在大量散射體，它們距離聲源和接收器的距離遠(yuǎn)近不一樣，入射聲波照射到散射的時(shí)刻有先有后。某時(shí)刻的混響是該時(shí)刻所有到達(dá)接收器的散射波的總和。結(jié)論：只有海洋中部分散射體對(duì)某時(shí)刻混響有貢獻(xiàn)。以體積混響為例：考慮收發(fā)合置情況，位于O點(diǎn)，發(fā)射脈沖寬度為，根據(jù)球面擴(kuò)展假設(shè)，該脈沖在海水中形成一個(gè)厚度為的擾動(dòng)球殼層，發(fā)射脈沖結(jié)束后的時(shí)刻，該擾動(dòng)球的內(nèi)外半徑為，解釋?zhuān)呵驓?nèi)的散射體在時(shí)刻的散射波，不能在同一時(shí)刻傳到接收器。球殼內(nèi)層半徑為的A點(diǎn)脈沖后沿激發(fā)的散射波在時(shí)刻開(kāi)始傳向接收點(diǎn)；而半徑為的B點(diǎn)，脈沖前沿在時(shí)刻開(kāi)始 的混響散射層向接收點(diǎn)發(fā)出散射波，到達(dá)A點(diǎn)的時(shí)刻恰好也是，它們

5、可在t時(shí)刻同時(shí)到達(dá)接收點(diǎn)。注意：注意脈沖的前沿和后沿。位于和之間的散射體都和B點(diǎn)類(lèi)似，都會(huì)對(duì)t時(shí)刻的混響有貢獻(xiàn)。上述推導(dǎo)也適用于海面和海底混響，圓環(huán)替代球殼。2、體積混響理論體積散射的幾何圖（一）體積混響的等效平面波混響級(jí)假設(shè)散射體為均勻分布，指向性發(fā)射器的指向性為。（1）單位距離處的軸向聲強(qiáng)為，則在空間方向上的聲強(qiáng)為；（2）考慮方向上處有一體積為dV的體積散射體，根據(jù)上節(jié)假設(shè)（1），處的入射聲強(qiáng)度為；（3）根據(jù)散射強(qiáng)度的定義：，令，則可得在返回聲源方向距離單位距離處的散射聲強(qiáng)度為；（4）在入射聲波作用下，由產(chǎn)生的返回聲源處的散射聲強(qiáng)度為；（5）設(shè)接收器指向性為（收發(fā)合置則有），則對(duì)接收器輸出

6、端有貢獻(xiàn)的聲強(qiáng)絕對(duì)值為。（6）總的散射聲強(qiáng)為（7）根據(jù)假設(shè)，每個(gè)散射體元的有相同的貢獻(xiàn)，總散射聲強(qiáng)絕對(duì)值為（8）根據(jù)混響級(jí)的定義式和上式，體積混響的等效平面波混響級(jí)為（二）積分計(jì)算對(duì)體積混響有貢獻(xiàn)的體積是厚度為的球殼層，則有式中，是體積元對(duì)接收點(diǎn)所張的立體角。代入等效平面波混響級(jí)積分公式得：注意：式中積分一般不易求得，若將其視為發(fā)射-接收的組合束寬，則可以用一理想的等效指向性來(lái)替代它。設(shè)有立體角，具有如下指向性：在立體角內(nèi)，相對(duì)響應(yīng)為1；在立體角外，響應(yīng)為零，即用理想指向性替代實(shí)際合成指向性，則等效平面波混響級(jí)為或?qū)懗墒街校瑸榘l(fā)射聲信號(hào)的聲源級(jí)；為產(chǎn)生混響的體積（注意：理想合成指向性條件下）；

7、是散射體到接收器之間的距離，它與傳播時(shí)間t之間的關(guān)系為：注意：傳播時(shí)間t真正含義。體積混響等效平面波混響級(jí)的理論公式：變化規(guī)律：混響聲強(qiáng)與入射聲強(qiáng)度、發(fā)射信號(hào)的脈沖寬度、發(fā)射-接收換能器的組合指向性束寬等量成正比，與混響時(shí)間的平方成反比，與散射體元的散射強(qiáng)度也有關(guān)。常識(shí)：如何減小混響，即如何抗混響？在不影響作用距離的前提下，適當(dāng)減小發(fā)射信號(hào)聲功率；采用尖指向性的收發(fā)換能器，以得到窄的組合波束；發(fā)射信號(hào)采用窄脈沖寬度。問(wèn)題：如何提高主動(dòng)聲納的作用距離？3、深水體積混響源及其特征概念：回聲強(qiáng)度強(qiáng)的層稱(chēng)為深水散射層（DSL），它是體積混響的主要來(lái)源。混響源：生物性的：磷蝦科動(dòng)物、烏賊和撓足類(lèi)動(dòng)物；非

8、生物性的：塵粒和砂粒、溫度不均勻水團(tuán)、海洋湍流、艦船尾流特點(diǎn)：有一定厚度；深度不固定不變的，具有晝夜遷移規(guī)律，深度變化可達(dá)幾百米；具有低頻選頻特性。混響產(chǎn)生的原因：散射體是生物性的，為存在于海洋中的海洋生物；低頻選頻特性是由含氣魚(yú)鰾所造成；非生物性的散射體對(duì)散射貢獻(xiàn)微不足道的。注意：用垂直向下的測(cè)深儀測(cè)量。散射層聲學(xué)特性：（1）深度大約在180900m，典型深度為400m，而其厚度則為90m；（2）在24kHz左右，層中的值為-70-80dB，整個(gè)層中的值也是變化的；（3）在1.612kHz范圍內(nèi)，層中值具有頻率選擇性，在不同深度上，層有不同共振頻率，反映了層的多層結(jié)構(gòu)；（4）存在于全地球的海

9、洋中，是全地球海洋聲學(xué)和生物學(xué)上的有規(guī)律的特征；（5）散射層在日落時(shí)上升，日出時(shí)下降，白天和夜晚深度保持不變。4、艦船尾流概念：航行中的艦船的螺旋槳所產(chǎn)生的一條含氣泡湍流特點(diǎn)：寬度變化：開(kāi)始時(shí)，其寬度與船寬一樣，以后逐漸增寬；深度變化：開(kāi)始時(shí)，厚度約為2倍船吃水深度，而后逐漸發(fā)生變化；持續(xù)時(shí)間：保持時(shí)間長(zhǎng)，延伸很遠(yuǎn)。結(jié)論：視為大目標(biāo)，其回聲具有混響的一些特征。尾流強(qiáng)度：用來(lái)描述尾流聲散射作用的參量，定義為單位長(zhǎng)度尾流的散射強(qiáng)度，與相類(lèi)似的一個(gè)量；它與艦船類(lèi)型、航行速度和深度以及頻率等量有關(guān)。強(qiáng)度為尾流上的回聲級(jí)：其中，SL為聲源級(jí)，是等效平面角束寬，r為距離。注意：上式適用于長(zhǎng)脈寬情況。7.3

10、 海水中氣泡的聲學(xué)特性海面混響是由海面的不平整性及波浪產(chǎn)生的小氣泡對(duì)聲波的散射形成的，所以，海面混響的特性與水中氣泡的聲學(xué)特性密切相關(guān)，在討論海面混響之前，我們來(lái)討論水中氣泡的聲學(xué)特性。1、小氣泡對(duì)聲波的吸收作用需注意問(wèn)題：小氣泡不屬于吸聲材料，但由于小氣泡群的吸收和散射作用，聲波通過(guò)這種氣泡群后會(huì)產(chǎn)生很大衰減。衰減的原因：氣泡散射氣泡的存在使介質(zhì)出現(xiàn)不連續(xù)性；氣泡再輻射在入射聲波作用下，氣泡作受迫振動(dòng)，向周?chē)橘|(zhì)輻射聲能；氣泡熱傳導(dǎo)氣泡的壓縮、膨脹產(chǎn)生熱傳導(dǎo)；流體粘滯作用水介質(zhì)與氣泡的磨擦產(chǎn)生熱能。概括：氣泡對(duì)聲波的衰減來(lái)自氣泡的吸收作用和散射作用。2、小氣泡的共振頻率小氣泡類(lèi)似于諧振腔，在

11、聲波的作用下，其振動(dòng)機(jī)理類(lèi)比電路如右圖：等效彈性系數(shù)輻射聲阻共振質(zhì)量 小氣泡振動(dòng)類(lèi)比電路作用于小氣泡的總壓力其中，a為氣泡半徑；So為氣泡的表面積；Vo為小氣泡的體積；Po為作用氣泡的壓力；是氣體等壓比熱和等容比熱的比值，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，。由圖可知小氣泡作受迫振動(dòng)時(shí)的等效機(jī)械阻抗氣泡諧振頻率水中的氣泡，取，空氣的，設(shè)氣泡在水面附近，則為1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，則可得諧振頻率： kHz式中，a的單位為cm。半徑在（）cm數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)的氣泡的共振頻率為（333.3）kHz，而聲納的工作頻率恰好在此范圍，所以半徑為（）cm的氣泡對(duì)聲納工作影響最大。海水中壓力Po與海水深度有關(guān)，則深度處的空氣泡的共振頻率為 kHz

12、式中，a的單位為cm；d的單位為m。3、單個(gè)氣泡的散射截面、吸收截面和消聲截面根據(jù)機(jī)電類(lèi)比，小氣泡的散射功率就是消耗在電阻上的功率：式中，是入射聲的強(qiáng)度。若定義散射截面，則單個(gè)氣泡的散射截面：以上兩式表明：聲波頻率與散射功率、散射截面有關(guān)；當(dāng)時(shí)，氣泡處于共振狀態(tài)，散射功率、散射截面達(dá)到最大，分別為： 吸收截面和消聲截面自己閱讀教材：?jiǎn)蝹€(gè)氣泡的的消聲截面散射截面吸收截面（因?yàn)闅馀莸南曌饔檬怯缮⑸渥饔煤臀兆饔脴?gòu)成）。4、衰減系數(shù)定義：平面聲波在含氣泡水中傳播時(shí)的聲強(qiáng)度衰減式中，和分別為聲波傳播方向上相距單位距離的兩點(diǎn)聲強(qiáng)。設(shè)每個(gè)氣泡的消聲截面為，每水介質(zhì)中含有n個(gè)共振氣泡，則衰減系數(shù)為： dB

13、/m注意：上式忽略氣泡間的多次散射，僅適用于氣泡濃度不大情況。5、含氣泡水介質(zhì)中聲速介質(zhì)中聲速是該介質(zhì)的一個(gè)基本聲學(xué)參數(shù)，反映介質(zhì)的聲學(xué)特性，對(duì)聲波的傳播有重大影響。含氣泡水中的聲速氣泡含量、聲波頻率有關(guān)；當(dāng)聲波頻率低于氣泡共振頻率，氣泡的存在使聲速明顯減小；相反，當(dāng)聲波頻率遠(yuǎn)高于共振頻率，氣泡對(duì)聲速不產(chǎn)生明顯影響；若聲波頻率就在共振頻率附近，則隨著頻率的變化，聲速發(fā)生劇烈改變。7.4 海面混響1、海面混響的理論處理海面對(duì)混響有貢獻(xiàn)的區(qū)域是厚度為，寬為球臺(tái)狀圓環(huán)，如下圖所示。海面混響像體積混響一樣來(lái)推導(dǎo)等效平面波混響級(jí)表達(dá)式，不同是積分變?yōu)轶w積，散射強(qiáng)度采用截面散射強(qiáng)度。海面散射層混響體積設(shè)收

14、發(fā)合置換能器位于O點(diǎn)，離海面散射層的距離為；收發(fā)換能器指向性分別為、，聲源在散射層上的投影點(diǎn)到圓環(huán)內(nèi)側(cè)距離為，聲源到圓環(huán)內(nèi)側(cè)的斜距為。類(lèi)似體積混響的理論處理，對(duì)混響有貢獻(xiàn)的散射聲強(qiáng)：上式積分的解析解一般不易求得，考慮到只有工作在近海面的聲納才可能受到海面混響的嚴(yán)重干擾，因此可假設(shè)，。在上述假設(shè)條件下，收發(fā)換能器垂直指向性不起作用，只有水平指向性才起作用，這樣散射面近似在平面內(nèi)，所以有：則散射聲強(qiáng)為：同體積混響一樣，用一個(gè)理想指向性替代發(fā)-收組合 海面混響的散射體元的指向性束寬：最終的散射聲強(qiáng)的表達(dá)式為：變化規(guī)律：散射聲強(qiáng)度正比于發(fā)射聲強(qiáng)、發(fā)射聲信號(hào)脈沖寬度、發(fā)-收換能器組合指向性束角，并和距離

15、的三次方成反比，即隨時(shí)間的三次方衰減。海面混響的等效平面波混響級(jí)表達(dá)式：若散射層內(nèi)是均勻的，則恰好就是界面散射強(qiáng)度；則海面混響的等效平面波混響級(jí)表達(dá)式：注意：若散射層內(nèi)是不均勻的，則。2、海面散射強(qiáng)度計(jì)算海面混響的RL，必須知道，因此，對(duì)于海面混響研究實(shí)際是對(duì)的研究。海上測(cè)量結(jié)果表明：海面散射強(qiáng)度與掠射角、工作頻率和海面上風(fēng)速有關(guān)，見(jiàn)右圖（60kHz）。海面散射強(qiáng)度與掠射角、風(fēng)速的關(guān)系分成三個(gè)區(qū)域：（1）與掠射角關(guān)系l 掠射角小于300，散射強(qiáng)度幾乎不隨掠射角而變，但隨風(fēng)速增加而增加。原因：氣泡散射，氣泡密度變大。l 掠射角在300700范圍，散射強(qiáng)度值隨風(fēng)速的增長(zhǎng)逐漸變慢。原因：海表面的反向

16、散射是主要原因。l 掠射角在700900范圍，尤其是在接近正投射情況下，散射強(qiáng)度值反而隨風(fēng)速增加而減小。原因：鏡反射減小，海面破碎程度嚴(yán)重。結(jié)論：在不同掠射角范圍內(nèi)，海面混響產(chǎn)生機(jī)理有所不同。（2）與頻率關(guān)系小掠射角角度時(shí)，散射強(qiáng)度為3dB/倍頻程關(guān)系；垂直入射時(shí)，此關(guān)系不明顯。（3）經(jīng)驗(yàn)公式Chapman和Harris等人得到了計(jì)算海面反向散射強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)公式（風(fēng)速：030節(jié)，頻率：0.4kHz6.4kHz）： 式中，為風(fēng)速，單位節(jié)；為掠射角，單位度；是頻率，單位赫茲。3、海面散射理論（一）Echart理論將海面看作隨機(jī)不平整表面，混響為海面上次級(jí)輻射聲源的貢獻(xiàn)和：式中，為掠射角，單位度；海面

17、波浪斜率的均方值：。適用條件：。（二）光柵理論Marsh等人提出的理論：式中，為掠射角，單位度；g是重力加速度；海面波高功率譜。如果將海面作用看作衍射光柵，則海面波高功率譜為：則適用條件：明顯不符合海面散射的實(shí)際物理過(guò)程。（二）粗糙度、波長(zhǎng)和角度描述理論入射波波長(zhǎng)，海面不平整的平均高度為，聲波掠射角為：式中，可用風(fēng)速表示注意：由于海面散射的復(fù)雜性及易變性，以上介紹的理論都只在一定的范圍內(nèi)才能解釋海上實(shí)際測(cè)量結(jié)果。7.5 海底混響1、海底混響的理論處理海底混響是一種界面混響。海底散射的幾何關(guān)系如右圖所示。收發(fā)合置換能器距離海底底高度為H，它們的指向性分別為、。根據(jù)實(shí)際情況，所以，這使得反向散射過(guò)

18、程與換能器垂直指向性基本無(wú)關(guān)，故，可近似為，。類(lèi)似于體積混響理論處理的推導(dǎo)過(guò)程，海底混響的有效散射聲強(qiáng)為：式中，為海底反向散射強(qiáng)度；面元，代入上式有：用一個(gè)理想指向性圖替代發(fā)收組合的指向性束寬：最終得到海底散射聲強(qiáng)：變化規(guī)律：海底散射聲強(qiáng)度正比于發(fā)射聲強(qiáng)、發(fā)射聲信號(hào)脈沖寬度、收-發(fā)組合指向性束寬，并和距離的三次方成反比，即隨時(shí)間的三次方衰減。海底混響的等效平面波混響級(jí)表達(dá)式：2、海底散射強(qiáng)度海底散射強(qiáng)度主要受海底底質(zhì)、掠射角和聲波頻率等因素影響。（一）與聲波頻率的關(guān)系l 比較平滑的海底（泥漿底或砂底）：在很寬頻率范圍內(nèi)，隨頻率以3dB/倍頻程增大；l 巖石、砂和巖石及淤泥、貝殼海底：與頻率基本

19、無(wú)關(guān)。解釋?zhuān)汉５状植诔潭扔绊懮⑸溥^(guò)程：粗糙度大于波長(zhǎng)，海底反向散射與頻率無(wú)關(guān)；粗糙度小于波長(zhǎng)時(shí)，散射強(qiáng)度隨頻率增大。根據(jù)海底散射強(qiáng)度隨頻率變化，將海底粗糙度分為三類(lèi)。（二）與海底底質(zhì)和角度的關(guān)系在沿海各個(gè)站位上測(cè)量得到的海底反向散射強(qiáng)度 低頻海底反向散射強(qiáng)度與掠射角的關(guān)系注意：知道如何查圖讀數(shù)即可。常識(shí)：海底散射強(qiáng)度大于海水的體積混響和海面散射強(qiáng)度，對(duì)于工作在近海底的主動(dòng)聲納來(lái)講，海底混響可能成為主要干擾背景。3、關(guān)于海底反向散射的理論解釋l 產(chǎn)生海底反向散射的主要原因是海底的起伏不平整性及表層的粗糙度；l 海底對(duì)聲波的散射作用的本質(zhì)是將投射到海底的聲能量在空間中進(jìn)行了重新分配；l 強(qiáng)粗糙面上的散射問(wèn)題可用蘭伯特（Lambert）定律描述。7.6混響的統(tǒng)計(jì)特性混響是一個(gè)非平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程，隨時(shí)間而衰減平穩(wěn)化處理補(bǔ)償放大器補(bǔ)平平均強(qiáng)度只改變平均值、沒(méi)有改變混