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          聲學基礎知識:海洋中的混響

          聲學基礎知識:海洋中的混響
          一、混響的形成
          聲學基礎知識:海洋中的混響

          海洋中存在大量的散射體,比如海洋生物、泥沙粒子、氣泡、水團等。當聲波投射到散射體上會產生散射,散射聲波在接收點處疊加形成混響?;祉懙奶攸c有:

          • 緊跟在發射信號之后

          • 隨時間衰減

          1. 混響的分類

          • 體積混響:海水中流砂粒子、海洋生物,海水本身的不均勻性等,對聲波散射所形成的混響。

          • 海面混響:海面的不平整性和波浪形成的氣泡層對聲波散射所形成的混響。

          • 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稱為界面混響(散射體分布是二維的)。

          2. 散射強度

          定義:參考距離1米處被單位面積或體積所散射的聲強度與入射平面波強度比值的分貝數。

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          散射強度也是在遠場測量后再歸算到單位距離處的。應用如下:

          • 散射強度是表征混響的一個基本比值,可利用它計算各類混響的等效平面波混響級或進行混響預報;

          • 體積混響的反向散射強度值為-70dB~-100dB,遠小于海面和海底值。

          3. 等效平面波混響級

          若接收器接收來自聲軸方向入射的強度為I?的平面波輸出端電壓為V,如將接收器放置在混響聲場,聲軸對著目標,接收器輸出端電壓也為V,則混響場的等效平面波混響級RL?為:

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          混響是隨時間指數衰減的,因此,它對接收信號干擾的大小與信號到達時間有關。

          4. 計算等效平面波混響級的基本假定

          • 直線傳播,計及球面衰減和海水吸收:

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          • 散射體分布是隨機均勻的,且每個散射體貢獻相同;

          • 散射體數量極多,單位體積元和面元有大量散射體:Ssv?=常數;

          • 不考慮多次反射,只考慮一次散射;

          • 脈沖時間足夠短,忽略體積元和面元尺度范圍內的傳播效應。

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          二、體積混響
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          1. 對混響有貢獻的區域

          海洋中存在大量散射體,它們距離聲源和接收器的遠近不一樣,入射聲波照射到散射體的時刻有先后。某時刻的混響是該時刻所有到達接收器的散射波的總和。

          考慮收發合置情況,聲源、接收器位于O點,發射脈沖寬度為τ,根據球面擴展假設,該脈沖在海水中形成一個厚度為cτ?的擾動球殼層,發射脈沖結束后的t/2時刻,該擾動球的內外半徑為:

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          球殼內的散射體在t/2時刻的散射波,不能在同一時刻傳到接收器。球殼內層半徑為r1?A點脈沖后沿激發的散射波在t/2時刻開始傳向接收點;而半徑為r0?B?點。

          脈沖前沿在t/2-τ/2時刻開始向接收點發出散射波,到達A?點的時刻恰好也是t/2 ,它們可在t?時刻同時到達接收點。

          位于r0?r1?之間的散射體都和B?點類似,都會對t?時刻的混響有貢獻。上述推導也適用于海面和海底混響,只是圓環替代球殼。

          2. 體積混響理論

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          假設散射體為均勻分布,發射器的指向性為b(θ,φ)。單位距離處的軸向聲強為I0,則在空間 (θ,φ) 方向上的聲強為

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          考慮 (θ,φ) 方向上r?處有一體積為dv?的體積散射體,根據基本假設,dv?處的入射聲強度為

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          根據散射強度的定義:

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          令:

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          則可得在返回聲源方向距離dv?單位距離處的散射聲強度為

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          在入射聲波作用下,由dv?產生的返回聲源處的散射聲強度為

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          設接收器指向性為b’(θ,φ)(收發合置則有b’=b),則對接收器輸出端有貢獻的聲強絕對值為

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          總的散射聲強為:

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          根據假設,每個散射體元有相同的貢獻,總散射聲強絕對值為:

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          根據混響級的定義式和上式,體積混響等效平面波混響級為:

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          積分計算:對體積混響有貢獻的體積是厚度為/2的球殼層,則有

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          dΩ?是體積元對接收點所張的立體角,將上式代入體積混響等效平面波混響級積分公式得:

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          注意:上式中積分聲學基礎知識:海洋中的混響一般不易求得,若將其視為發射-接收的組合束寬,則用一理想的等效指向性來替代。

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          設有立體角Ψ,具有如下指向性:在立體角Ψ?內,相對響應為1;在立體角Ψ?外,響應為零,即

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          用理想指向性替代實際合成指向性,則等效平面波混響級為

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          或寫成

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          r?是散射體到接收器之間的距離,它與傳播時間t?之間的關系為:

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          體積混響等效平面波混響級的理論公式:

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          • 混響聲強與入射聲強度、發射信號的脈沖寬度、發射-接收換能器的組合指向性束寬等量成正比;

          • 混響強度與混響時間的平方成反比,與散射體元的散射強度也有關。

          3.?深水體積混響源及其特征

          回聲強度強的層稱為深水散射層 (DSL),它是體積混響的主要來源。

          混響源分為:

          • 生物性的:磷蝦科動物、烏賊和撓足類動物。

          • 非生物性的:塵粒和砂粒、溫度不均勻水團、海洋湍流、艦船尾流。

          特點是:

          • 有一定厚度;

          • 深度不固定,具有晝夜遷移規律,深度變化可達幾百米;

          • 具有低頻選頻特性。

          混響產生的原因:

          • 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鰾所造成;

          • 非生物性的散射體對散射貢獻是微不足道的。

          深水散射層聲學特性如下:

          • 深度大約在180~900m,典型深度為400m,而其厚度則為90m;

          • 在1.6~12kHz范圍內,層中值具有頻率選擇性,在不同深度上,層有不同共振頻率,反映了層的多層結構;

          • 存在于全地球的海洋中,是全地球海洋聲學和生物學上的有規律的特征;

          • 散射層在日落時上升,日出時下降,白天和夜晚深度保持不變。

          4.?艦船尾流

          艦船尾流是航行中的艦船的螺旋槳所產生的一條含氣泡湍流,其寬度變化在開始時與船寬一樣,以后逐漸增寬;其深度變化在開始時,厚度約為2倍船吃水深度,而后逐漸發生變化。保持時間長且能給延伸很遠,視為大目標,其回聲具有混響的一些特征。

          尾流強度,是用來描述尾流聲散射作用的參量,定義為單位長度尾流的散射強度,與Sv?相類似的一個量;它與艦船類型、航行速度和深度,以及頻率等量有關。

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          尾流片段

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          三、海面混響
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          1. 海面表層內的空氣泡

          海面的不平整性及波浪產生的小氣泡對聲波的散射形成海面混響,其特性與水中氣泡的聲學特性密切相關。

          2.?小氣泡對聲波的吸收作用

          小氣泡不屬于吸聲材料,小氣泡群的吸收和散射作用使得聲波通過這種氣泡群后會產生很大衰減。

          衰減的原因如下:

          • 氣泡散射,氣泡的存在使介質出現不連續性;

          • 氣泡再輻射,在入射聲波作用下,氣泡作受迫振動,向周圍介質輻射聲能;

          • 氣泡熱傳導,氣泡的壓縮、膨脹產生熱傳導;

          • 流體粘滯作用,水介質與氣泡的磨擦產生熱能。

          3. 小氣泡的共振頻率

          小氣泡類似于諧振腔,在聲波的作用下,其振動機理類比電路如下:

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          等效彈性系

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          共振質量

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          輻射聲阻

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          總壓力

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          其中,a?為氣泡半徑;S0?為氣泡的表面積;V0?為小氣泡的體積;P0?為作用氣泡的壓力;γ?是氣體等壓比熱和等容比熱的比值,標準狀態下γ=1.41。由上圖可知,小氣泡作受迫振動時的等效機械阻抗:

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          氣泡的共振頻率:

          聲學基礎知識:海洋中的混響

          結論:

          • 半徑在 (0.1~0.01)cm數量級范圍內的氣泡的共振頻率為 (3.3~33)kHz,而聲納的工作頻率恰好在此范圍,所以該半徑范圍的氣泡對聲納工作影響最大。

          • 海水中壓力P0?與海水深度d?有關,則深度d?處的空氣泡的共振頻率為

          聲學基礎知識:海洋中的混響

          單位:kHz,a?的單位為cm;d?的單位為m。

          4.?單個氣泡的散射截面、吸收截面和消聲截面

          根據機電類比,小氣泡的散射功率Ws?就是消耗在電阻上的功率:

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          式中

          聲學基礎知識:海洋中的混響

          這是入射聲的強度。

          定義散射截面

          聲學基礎知識:海洋中的混響

          則單個氣泡的散射截面:

          聲學基礎知識:海洋中的混響

          以上表明:聲波頻率與散射功率、散射截面有關。

          f=f0?時,氣泡處于共振狀態,散射功率、散射截面達到最大,分別為:

          聲學基礎知識:海洋中的混響

          單個氣泡的的消聲截面=散射截面+吸收截面(因為氣泡的消聲作用是由散射作用和吸收作用構成)。

          5. 衰減系數

          衰減系數是平面聲波在含氣泡水中傳播時的聲強度衰減。

          聲學基礎知識:海洋中的混響

          式中,I2?I1?分別為聲波傳播方向上相距單位距離的兩點聲強。

          設每個氣泡的消聲截面為σem2,每m3水介質中含有n?個共振氣泡,則衰減系數為:

          聲學基礎知識:海洋中的混響

          注意:上式忽略氣泡間的多次散射,僅適用于氣泡濃度不大的情況。

          6.?含氣泡水介質中的聲速

          含氣泡水中的聲速與氣泡含量、聲波頻率有關。當聲波頻率低于氣泡共振頻率,氣泡的存在使聲速明顯減??;相反,當聲波頻率遠高于共振頻率,氣泡對聲速不產生明顯影響。若聲波頻率就在共振頻率附近,則隨著頻率的變化,聲速發生劇烈改變。

          聲學基礎知識:海洋中的混響

          7. 海面混響的理論處理

          設收發合置換能器位于O?點,離海面散射層的距離為h;收發換能器指向性分別為b(θ,φ)、b’(θ,φ)、聲源在散射層上的投影點O’?到圓環內側距離為R?,聲源到圓環內側的斜距為r。

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          海面對混響有貢獻的區域是厚度為H,寬為/2 的球臺狀圓環,如圖所示。對于海面混響,也可以像體積混響一樣來推導等效平面波混響級表達式,不同的是積分體積改變了,散射強度采用界面散射強度Ss。

          類似體積混響的理論處理,對混響有貢獻的散射聲強:

          聲學基礎知識:海洋中的混響

          只有工作在近海面的聲納才可能受到海面混響的嚴重干擾,因此可假設

          Rh, rh,?cosα≈0,rH

          在上述假設條件下,收發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,所以有θ=0。

          聲學基礎知識:海洋中的混響

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          則散射聲強為:

          聲學基礎知識:海洋中的混響

          同體積混響一樣,用一個理想指向性替代發-收組合指向性束寬:

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          最終,散射聲強為:

          聲學基礎知識:海洋中的混響

          特點:

          • 散射聲強度正比于發射聲強、發射聲信號脈沖寬度、發-收換能器組合指向性束角;

          • 與距離的三次方成反比,即隨時間的三次方衰減。

          海面混響的等效平面波混響級表達式:

          聲學基礎知識:海洋中的混響

          海面混響等效平面波混響級:

          若散射層內Sv?是均勻的,則Sv+10lgH?恰好就是界面散射強度Ss;則海面混響的等效平面波混響級表達式:

          聲學基礎知識:海洋中的混響

          若散射層內Sv?是不均勻的,則

          聲學基礎知識:海洋中的混響

          8.?海面散射強度

          計算海面混響的RL,必須知道Ss,因此對海面混響的研究實際是對Ss?的研究。

          海上測量結果表明:海面散射強度與掠射角、工作頻率和海面上風速有關,見下圖 (60kHz)。

          聲學基礎知識:海洋中的混響

          海面散射強度與掠射角、風速的關系分成三個區域:

          (1) 與掠射角關系

          • 掠射角小于30°,散射強度幾乎不隨掠射角而變,但隨風速增加而增加。

          • 原因:氣泡散射,氣泡密度變大。

          • 掠射角在30°~70°范圍,散射強度值隨風速的增長逐漸變慢。

          • 原因:海表面的反向散射是主要原因。

          • 掠射角在70°~90°范圍,尤其是在接近正投射情況下,散射強度值反而隨風速增加而減小。

          • 原因:鏡反射減小,海面破碎程度嚴重。

          (2)?與頻率關系

          小掠射角角度時,散射強度為3dB/倍頻程關系。垂直入射時,此關系不明顯。

          經驗公式:Chapman 和Harris 等人得到了計算海面反向散射強度的經驗公式(風速:0~30節,頻率:0.4kHz~6.4kHz)

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          9.?關于海面散射的理論

          Echart 理論:將海面看作隨機不平整表面,混響為海面上次級輻射聲源的貢獻和:

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          光柵理論——Marsh 等人提出的理論:

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          不涉及風速、聲波頻率,不符合海面散射的實際物理過程。

          用粗糙度、波長和角度描述

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          注意:由于海面散射的復雜性及易變性,以上介紹的理論都只在一定的范圍內才能解釋海上實際測量結果。

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          四、海底混響
          聲學基礎知識:海洋中的混響

          1. 海底混響的理論處理

          海底散射的幾何關系如下圖所示。收發合置換能器距離海底高度為H,它們的指向性分別為b(θ,φ)、b’(θ,φ)。根據實際情況,Hr,所以απ/2,這使得反向散射過程與換能器垂直指向性基本無關,故指向性可近似為b(0,φ)、b’(0,φ)。

          聲學基礎知識:海洋中的混響

          類似于體積混響理論處理的推導過程,海底混響的有效散射聲強為:

          聲學基礎知識:海洋中的混響

          聲學基礎知識:海洋中的混響為海底反向散射強度;面元聲學基礎知識:海洋中的混響。

          用一個理想指向性圖Φ?替代發收組合的指向性束寬:

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          得海底散射聲強:

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          特點:

          • 海底散射聲強度正比于發射聲強、發射聲信號脈沖寬度、收-發組合指向性束寬;

          • 與距離的三次方成反比,即隨時間三次方衰減。

          海底混響的等效平面波混響級表達式:

          聲學基礎知識:海洋中的混響

          2.?海底散射強度

          海底散射強度主要受底質、掠射角和頻率影響。其與聲波頻率的關系如下:

          • 比較平滑的海底(泥漿底或砂底):在很寬頻率范圍內,隨頻率以3dB/倍頻程增大;

          • 巖石、砂和巖石及淤泥、貝殼海底:與頻率基本無關。

          海底粗糙程度影響散射過程,粗糙度大于波長,海底反向散射與頻率無關;粗糙度小于波長時,散射強度隨頻率增大。根據海底散射強度隨頻率變化,將海底粗糙度分為三類。

          • 有不大起伏的深海海底平原。粗糙度大體與波長相比擬,散射強度隨頻率而增長;

          • 多有水下山脈,海底不平。散射強度無明顯頻率關系,可用Lambert定律描述;

          • 介于以上兩類海區。散射強度亦介于兩類海區散射強度隨角度和頻率的變化關系之間。

          與海底底質和角度的關系如下:

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          在沿海各個站位上測量得到的海底反向散射強度

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          低頻海底反向散射強度與掠射角的關系

          海底散射強度大于海水的體積散射和海面散射強度,對于工作在近海底的主動聲納來講,海底混響可能成為主要干擾背景。

          3.?關于海底反向散射的理論解釋

          • 產生散射的主要原因是,海底的起伏不平整性及表層的粗糙度;

          • 海底對聲波的散射作用的本質是,將投射到海底的聲能量在空間中進行了重新分配;

          • 強粗糙面上的散射問題可用蘭伯特 (Lambert) 定律描述。

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          五、混響的統計特性
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          1. 分布函數及平均起伏率

          混響是一個非平穩隨機過程,隨時間而衰減—平穩化處理—補償放大器補平平均強度—只改變平均值、沒有改變混響過程的相對起伏大小。

          混響瞬時值:

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          式中,a(ti?)是散射波的隨機幅度;v(t-ti?)是單個散射信號的形狀。

          當發射信號的頻譜不太寬時,假設每個散射波的相位在0~2π?內隨機取值,此時混響瞬時值滿足正態分布規律,概率密度為

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          混響振幅的分布規律:

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          可以證明,凡是幅度幾乎相同,而相位是0~2π?均勻分布的振動迭加后得到的信號,其振幅服從瑞利分布。

          混響振幅的概率密度函數為

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          起伏率:

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          結論:對于瑞利分布而言,起伏率為52%。

          2. 混響的相關特性

          兩個水聽器接收到的散射波聲壓為

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          當散射體到水聽器的距離r?遠大于水聽器間距l?時,

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          V1、V2?相乘,取時間平均得:

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          相關系數:

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          積分得到單個散射源的散射聲場相關系數:

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          混響的相關系數:

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          如果水聽器的水平指向性開角為Θ,且θΘ、sinθθ

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          相關系數隨l?的衰減變化

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          特點:

          • 相關系數隨水聽器間距l?作振蕩衰減;

          • 相關系數與頻率有關。

          頻率分布:

          • 正弦填充脈沖聲納的混響在頻率上與發射頻率不完全相合,在頻率兩側都有頻移;

          • 發射脈沖有一定的頻寬,發射脈沖寬度為τ?時,其頻寬近似為1/τ。

          聲明:本公眾號轉載此文章出于非商業性的教育和科普目的,并不意味著支持其觀點或證實其內容的真實性。版權歸原作者所有,如轉載文章涉及版權等問題,請立即聯系我們,我們會予以更改或刪除,保證您的權利!

          文章來源:聲振之家

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