水声学原理PPT--绪论1

2020/4/7水声学基础——序论1水声学基础FundamentalofUnderwaterAcoustics2020/4/7水声学基础——序论2水声学基础FundamentalofUnderwaterAcoustics课程编号：0320040任课教师：申晓红联系电话：88495836E-mail:[e-mail]：11216046752020/4/7水声学基础——序论3课程内容序论第一章声学基础第二章海洋的声学特性第三章海洋中的声传播第四章典型传播条件下的声场第五章声波在目标上的反射和散射第六章海洋中的混响第七章水下噪声2020/4/7水声学基础——序论4课程成绩平时到课：10平时作业：20考试成绩：70总成绩：1002020/4/7水声学基础——序论5教材及参考资料参考书目：1马大猷编现代声学理论基础科学出版社，20042顾金海,叶学千编.水声学基础.国防工业出版社,19803Ｒ.J.尤立克著，洪申译.水声学原理.哈尔滨船舶工程学院出版社，1990教材名称：刘伯胜，雷家煜编.水声学原理.哈尔滨工程大学出版社,19932020/4/7水声学基础——序论6课程特点该课程与以往所学课程在课程内容与教学方法上均有不同，主要表现在：1.注重数学建模；2.在数理方程与特殊函数的基础上进行讨论，理论上有难度；3.注重试验，在试验的基础上进行总结，得出普遍性的理论结果；4.在教学过程中渗透科学研究的方法。2020/4/7水声学基础——序论7序论第一讲主要研究内容1.水声学研究的意义2.水声学研究的对象3.水声学发展简史4.水声的主要应用2020/4/7水声学基础——序论81.水声学研究的意义世界地图2020/4/7水声学基础——序论91.水声学研究的意义中国版图2020/4/7水声学基础——序论101.水声学研究的意义①海洋是人类生命的摇篮生命的源泉，生命的起源，科学探索，深海生命现象②海洋是人类赖以生存的宝库海洋资源之多少？几乎人类生存所需要的一切资源，食品、能源、矿物、金属、石油、天然气…..探测？勘探方法？开采？③海洋是人类生存和发展的主要空间海洋环境的恶化加剧，海洋灾害频繁如何认识海洋？海洋的勘探、调查、监测手段是什么？2020/4/7水声学基础——序论111.水声学研究的意义④海洋是世界军事争斗的主要战场•战争的演变，由陆到海，由海到陆，现在是以海为主。航母，巡航弹，精确制导武器等应用改变了战争的模式。海上军事力量成为军力的主要标志。•海上力量的战斗力的基础是生存能力，海上作战的最有效的武器，经过两次世界大战证明，一是潜艇，二是鱼雷。尤其是现在的配备了核打击力量的安静型核动力潜艇、安静型潜艇配备智能鱼雷，成为水面舰艇和地面目标的最主要的威胁。2020/4/7水声学基础——序论121.水声学研究的意义潜艇依然是海战的重要作战平台•世界上的潜艇按动力可区分为：常规潜艇和核潜艇；按作战任务可区分为：战略导弹潜艇和攻击型潜艇•世界上拥有核潜艇的国家有5个，拥有各型核潜艇150余艘，其中，战略导弹核潜艇近50艘，攻击型核潜艇100余艘•还有近40个国家拥有不同类型的常规潜艇300余艘。•拥有常规潜艇数量最多的国家在我们亚洲（朝鲜拥有60艘）2020/4/7水声学基础——序论131.水声学研究的意义二战期间，潜艇共击沉作战舰艇381艘，其中战列舰3艘，航空母舰17艘，巡洋舰32艘，驱逐舰122艘，还有其它作战舰艇207艘，击沉各种运输船5000余艘二战中各种舰艇共击沉航空母舰38艘，仅潜艇就击沉17艘被潜艇击沉的潜艇80艘在第二次世界大战中，德国“U-47”号潜艇于1939年10月潜入英国位于苏格兰北部的海军基地，在港内击沉了英国的排水量达33000多吨的大型战列舰“皇家橡树”号，创造了军事史上的奇迹2020/4/7水声学基础——序论14美国美国是世界上潜艇技术领先、数量最多的国家，共拥有潜艇70余艘，全部为核动力潜艇，其中，战略导弹核潜艇近20艘、攻击型核潜艇50余艘1.水声学研究的意义美国最新核动力攻击潜艇-海狼号2020/4/7水声学基础——序论15美国“俄亥俄”级战略导弹核潜艇是美国“三维一体”战略核力量的中坚，该级艇是美国至今建造的吨位最大、性能最先进、携带导弹最多的战略导弹核潜艇，水下排水量18750吨，下潜深度400米，水下航速25节，每艘有24个导弹发射筒1.水声学研究的意义美国俄亥俄级核动力导弹潜艇2020/4/7水声学基础——序论16俄罗斯俄罗斯的弹道导弹核潜艇共发展了四代，分别为“台风”级、DI、DII、DIV级，目前在役的有17艘，“台风”级弹道导弹核潜艇是世界上排水量最大的核潜艇，其水下排水量26500吨，水下航速26节，可携带16－20枚SS-N-23或SS-N-20型弹道核导弹，每枚可携载10个分弹头，射程可达9000－10000公里1.水声学研究的意义俄罗斯D级弹道导弹核潜艇2020/4/7水声学基础——序论17英国英国是世界上第三个拥有核武器的国家，英国的核力量全部为海基，目前拥有战略导弹核潜艇4艘，每艘可携带16枚“三叉戟”弹道核导弹，每枚可携载14枚分弹头，射程达12000公里1.水声学研究的意义英国最新战略核潜艇-警戒2020/4/7水声学基础——序论18法国法国海军的战略导弹核潜艇有三代，第一代“无畏”级、第二代“不屈”级、第三代“胜利”级。目前在役的有5艘，其中“胜利”级水下排水量14335吨、水下航速25节、下潜深度300米，可携带16枚M45型战略核导弹，射程5300公里1.水声学研究的意义法国海基核力量中坚-凯旋号核潜艇2020/4/7水声学基础——序论19中国中国潜艇:091型“汉”级攻击核潜艇、092型“夏”级弹道导弹核潜艇、039型“宋”级潜艇1.水声学研究的意义中国092型“夏”级弹道导弹核潜艇2020/4/7水声学基础——序论201.水声学研究的意义鱼雷和水雷是目前水下作战的主要兵器•鱼雷多种多样制导方式：主动/被动声自导、尾流自导、线导投放方式：潜艇布放、舰艇布放、飞机布放、渔船布放爆炸方式：超高速：超空泡•水雷多种多样引爆引信：触发引信、非触发引信布放方式：主动攻击水雷水鱼雷鱼水雷2020/4/7水声学基础——序论212020/4/7水声学基础——序论222020/4/7水声学基础——序论232020/4/7水声学基础——序论242020/4/7水声学基础——序论252020/4/7水声学基础——序论261.水声学研究的意义水雷网络2020/4/7水声学基础——序论271.水声学研究的意义海军的新型装备——无人水下航行器（UUV）地平线天军空军30km海军舰艇部队潜艇部队UUV部队－20m－400m•美国海军于2000年制定UUV发展规划，并于2004年9月和2005年1月两次修订了UUV发展规划。•2007年底发布了“无人系统路线图2007-2032”,UUV在其中占重要地位。•美计划于2020年前，水下作战武器无人化达到1/3。•有研究报告称美海军大力发展专门针对我常规柴油潜艇的UUV，以确保海洋霸权地位。2020/4/7水声学基础——序论281.水声学研究的意义美国最新公布的UUV发展规划中，确定了未来发展的四种UUV形式：•便携式：直径大约在7.6厘米～23厘米之间，重量小于45kg，便携式UUV可执行的任务包括：特殊目的的情报／监视／侦察(ISR)、可消耗的通信/导航网络节点(CN3)、极浅水域反水雷、勘察与识别、灭雷以及爆炸物处置。•轻型：直径324mm，执行的任务包括：港口ISR、特殊目的海洋调查、移动式CN3、网络攻击和反水雷区域侦察。•重型：直径533mm，执行的任务包括：战术ISR、海洋调查、反水雷、秘密侦察以及作为诱饵。•大型：直径超过910mm，排水量月10t，巨型UUV能够执行持续的ISR任务，适用于反潜战、大范围的海洋调查、水雷战、特种作战、爆炸物处置以及“时敏”打击。海军的新型装备——无人水下航行器（UUV）2020/4/7水声学基础——序论291.水声学研究的意义UUV网络2020/4/7水声学基础——序论301.水声学研究的意义海军的新型装备——蛙人2020/4/7水声学基础——序论311.水声学研究的意义水下作战的主要手段•潜艇、鱼雷、水雷、UUV、蛙人等水下战的主要内容•潜艇战与反潜战•鱼雷攻击与防护•水雷战与反水雷水下作战保障•先敌发现•精确定位•隐蔽导航与通信2020/4/7水声学基础——序论321.水声学研究的意义先敌发现•隐身能力，有效地隐蔽自己而不被敌人发现•探测能力精确定位•定自己的位置•定敌人的位置隐蔽导航与通信•隐蔽性是主要的•已经有很多进展2020/4/7水声学基础——序论331.水声学研究的意义⑤水下的探测、定位、导航和通信如何实现？如何在水下获取信息？2020/4/7水声学基础——序论341.水声学研究的意义陆地上的信息获取：•光•声•无线电•电磁波是最有效的信息载体•探测——雷达•导航与定位——GPS•通信——有线、无线、卫星通信2020/4/7水声学基础——序论351.水声学研究的意义声波是唯一能在海洋中远距离传输信息的信息载体•声波的衰减1分贝/公里，10kHz频率，（声波的衰减与频率的平方成正比），利用海洋中的波导效应，声波可以传播的更远。•电磁波的衰减4500分贝/公里（每米能量衰减百分之九十），所以海洋中是漆黑的，即使蓝绿激光，能穿透的距离也只有百米量级，并且是水质清澈条件下。2020/4/7水声学基础——序论362.水声学的研究对象它是水声工程应用的理论依据，为工程设计提供合适参数。它对水声物理提出新的内容和要求，为其研究提供新的手段，并促进其发展。水声工程：水声物理：水声学2020/4/7水声学基础——序论372.水声学研究的对象①水声物理：从水声场的物理特性分析出发，主要研究海水介质及其边界（海底、海面）的声学特性和声波在海水介质中的传播时所遵循的规律，及其对水声设备工作的影响。•海洋环境声特性–海水水体–海底与海面•水声传播•混响•噪声•散射•起伏2020/4/7水声学基础——序论382.水声学研究的对象②水声工程：包括水下声系统和水声技术两方面水下声系统：是水声换能器及基阵，实现水下声能与电能之间的转换，研究内容主要为换能器材料、结构、制作及其辐射、接收特性等。————《水声换能器及基阵》，周福洪编著水声技术：广义——声波在水中完成某种职能的有关技术。狭义——水声信号处理、显示技术，主要研究声信号在水中传播时的特性和背景干扰（噪声和混响）的统计特性，在此基础上设计最佳时、频、空处理方案，实现信号检测，完成目标参数估计和识别。————《水声信号处理基础》，钱秋珊、陆根源编2020/4/7水声学基础——序论392.水声学研究的对象水声换能器及基阵•水声换能材料•水声换能器设计原理与方法•水声换能器工艺•声基阵成阵技术•水声换能器校准计量2020/4/7水声学基础——序论402.水声学研究的对象•时频分析•自适应技术•检测与估计•特征提取与识别•基阵信号处理——波束形成技术•信号处理的软硬件实现——AD&DA技术，DSP技术水声信号处理2020/4/7水声学基础——序论412.水声学研究的对象例：当发现某海区内潜艇目标时，用飞机向该海区投放某鱼雷。飞机可按设定的时间间隔每组投放若干枚，弹间水平距离400m，各枚鱼雷可分别进行自导，对航速20节内的潜艇目标形成集群攻击。鱼雷的工作过程如图所示，大约以20m/s的速度垂直下行。空化严重，自导封闭A区B区探测区C区攻击区深弹以20m/s速度垂直下降设计鱼雷探测装置的声基阵结构、发射信号的类型、频率，并估计目标的方位、距离，以及探测的范围。2020/4/7水声学基础——序论423.水声学发展简史①水声学的早期研究可以追溯很遥远，因为水声学毕竟是声学的一个重要分支②水声学的诞生需要许多条件，一是需求，二是基础。水声学发展史上的著名事件海洋探测和海军的需求是水声学发展的两大基本推动力2020