海军武器工程简介

声纳介绍

声纳(声音导航和测距)系统与雷达和光电系统有许多相似之处。同样，检测是基于波在目标和探测器之间的传播。还有主动声纳系统，声波从发射机传播到目标，再传回到接收器，类似于脉冲回波雷达。也有被动声纳系统，目标是能量的来源，传播到接收器，类似于被动红外探测。因此，关于这些系统的大量讨论也将适用于声纳。然而，声纳与雷达和光电有根本的不同，因为能量是通过声波在水中传播来传递的。所以我们首先从讨论声波的特性开始。

声波

术语声学是指在水或空气中的声音。更精确的术语是将它们标记为纵波。如果我们考虑一串对象，就像Springs连接的权重，则会有两种可能的方式传播串的干扰。第一种方法是将重物置于垂直于串的方向上。这将产生横波。随着重量从轴移开，距离相邻重量的弹簧将施加恢复力，其将其拉回轴上。另一个方法是沿串的轴置换权重。这产生了纵向波浪。再次恢复力将倾向于将重量推回到适当位置。

图1所示。横向和
纵向波。

水可以被模拟成由弹簧连接的重量线，当然，它是三维的。重量指的是水分子，而弹簧指的是使水保持在一起但又彼此分离的分子间的力。换句话说，如果你试图把水分子分开会有一个阻力。另一方面，如果你试图把它们推得更近，也会有阻力。所以我们的模型似乎是合理的。因此，我们把水中的纵波称为声波。传播介质的扰动是分子之间的距离。然而，这不能直接衡量。

当水分子被推或拉出时，它们施加抵抗运动的恢复力。考虑到延伸的水体，力将在当地感受到压力，或每单位面积的力。因此声波的基本参数是压力。波的幅度将是一个循环中达到的峰值压力。

图2.压力波。

传播速度

对于非分散介质，在一定程度上，我们还将期望波长和频率与电磁波之间相同类型的关系。唯一的区别是传播速度较慢，在水中的1500米/秒，它不再是恒定的。传播速度取决于水的环境温度，压力和盐度。因此我们可以写

FL.= C（t，p，s）

其中C（t，p，s）是作为温度（t），压力（p）和盐度的函数的传播速度。

传播的速度是一个相当复杂的功能，这三个独立参数的效果最好被称为竖力：

1^O.C温度的增加
3米/秒速度增加。

100米深度的增加
1.7米/秒速度增加。

1 ppt（千分之一）盐度增加
1.3米/秒速度增加。

到目前为止，在环境温度下发生最大的变化。变化多达30^O.C在潜艇运行的水中是可能的。将传播速度的等效变化相同相同的量大于5000英尺。盐度的变化仅限于新鲜和盐水混合的区域，这些区域通常超出了ASW操作发生的区域。

声压级(SPL)

声波的基本参数是幅度，其是压力，波长（或频率）。压力有力/面积或SI（系统国际）单位，N / M²．气压的国际单位制单位是帕斯卡(Pa)，其中1pa = 1n /m²．

不幸的是，大多数读者对这个单位不舒服，所以这里是最常见的单位的压力和他们的等效

表1.常见的压力单位。

类似于雷达和光电，我们需要描述声波中的能量流。声波的单位面积功率随压力的平方而变化。显然，为了使混淆最大化，强度一词I指的是单位面积的功率，因此我们写成比例关系:

我是²．

为了便于工作，我们可以使用一个叫做声压级(SPL)的术语，它的定义是:

SPL 20日志(p / (1mPa)]

哪里1mPa是参考值，类似于dBm定义中使用的1mw。因此比例系数是不相关的，因为SPL是一个比率。你应该注意前面的因数20，而不是通常使用的10分贝。回想一下，分贝表示幂的比率，在这种情况下，幂与压力的平方成正比。利用对数的性质，指数被放在前面并乘以10的正规因子。例如，10 Log(x)²）= 20 log（x）。

声学分析是用对数进行的，以便处理范围很广的值。之后当我们写一个最大距离方程的时候，它看起来会完全不同，因为所有的东西都用分贝表示。作为第一个例子，考虑两种声波。如果它们的强度相等，就可以把它们叠加起来，产生强度为原来两倍的信号。用对数表示，这意味着SPL将增加+ 3db，因为:

SPL.₁= 20 log（p₁／1mpa）= 10 log {p₁²/（1mPA）²｝
SPL.₂= 20 log {p₂/（1mpa）} = 10 log {p₂²/（1mPA）²｝

SPL.₂= 10 Log{2p₁²/（1mPA）²｝
SPL.₂日志{p = 10₁²/（1mPA）²} + 10 Log(2)

SPL.₂= SPL.₁+ 10 log（2），但10 log（2）= + 3，

SPL.₂= SPL.₁+ 3

如果需要将两个源级别(SPL)相加，则不能使用普通的相加，如示例所示。例如，如果SPL₁= SPL.₂= 60分贝，你不能组合级别得到SPL 120分贝!正确答案是60分贝加上60分贝等于63分贝。提醒我们使用特殊方法来组合层次的简写符号是符号“”。例如，正确的方程应该是

60 dB 60 dB = 63 dB。

虽然繁琐，但我们现在将开发一种组合水平的系统方法，因为我们很快需要它。

结合声压水平

有两种用于组合声压水平的常用方法。

计算器方法（蛮力）。当两个级别组合时，您不能简单地添加波浪中的峰值压力。您只能添加随着压力平方变化的强度。要组合两个级别，必须首先“撤消”对数，添加压力平方术语，然后重新应用对数。详细：

SPL.₁= 10 Log{p₁²/（1mPA）²｝

P.₁²/（1mPA）²= 10^SPL.1／10

spl = 10 log {p₁²/（1mPA）²+ P.₂²/（1mPA）²｝

SPL = 10日志{10^SPL.1／10+ 10^SPL.2／10｝

让我们看看它是否适用于原型问题：

60 dB 60 dB = 10 Log{10^6.+ 10^6.} = 63 dB

表格方法（简单的方式）。结合两个声压水平时，首先找到级别之间的差异，然后使用该表找到添加到两个较大的量。

表2。结合分贝。

同样，要找到60 dB 60 dB，两者之间的差异为零，添加3到较大：

60 dB 60 dB = 60 dB + 3 dB = 63 dB

来源

活跃声纳

在主动声纳系统中，声波的来源是声纳系统的一部分。来自发射机的电能必须转换成声能。完成这项任务的设备的通用术语是传感器，这意味着转换能量形式的东西。如果换能器只能接收它被称为a水听器，如果只能传播它就叫做投影仪．在很多情况下，换能器既可以作为发射设备，也可以作为接收设备，这是声纳的常见情况，所以它就称为换能器。传感器的输出被测量为SPL，并被称为源水平（SL）。

对于给定的总功率输出，强度将作为范围的函数降低，因为必须在更大的区域上分布相同的总功率。因此，SPL，即强度的对数将掉落到来自源的范围。我们必须在源的标准范围内测量SPL，以便能够进行有意义的比较。标准范围是一米。因此，SL由距离源1米处测量的SPL指定。有时，符号将包括对压力单元和测量距离的引用。例如，SL = 145 dB // REF：1mPA @ 1M，指使用1的参考源电平mPA在一米处测量。在这里，我们将省略此繁琐的表示法，因为所有源层都将使用此参考指定。

被动的声纳

在被动声纳系统中，源是目标本身。同样的术语也适用于被动源，即源级别，SL。当然，源级别通常是事先不知道的。然而，敌对目标的来源水平可以通过情报收集工作来衡量，这在这里不能讨论。无源源主要分为两类:宽带和窄带来源。

宽带源，顾名思义，可以在很宽的频率范围内产生声能。这类似于电光学中的热源。典型的宽带噪声源是来自螺旋桨/轴、流噪声和一些推进系统(例如:蒸汽)。螺旋桨和轴发出的噪声一般为低频，小于1000hz。此外，转速可以对噪声进行幅值调制，可以对噪声进行检测和解调，以测量轴或螺旋桨叶片转速。

图3.宽带源。

窄带源在一个小频段内辐射关于特定频率的小频段或频率类别。典型的来源是每艘船中发现的各种机器。例如，泵，电机，发电设备和推进系统。在指定窄带源时，还可以指定它发生的频率非常重要。

图4.窄带源。

环境噪声

来自其他来源的噪声引入是声纳性能的重要因素。水下环境中存在各种各样的噪音来源，但主要贡献来自几种类型。与其他来源不同，环境噪声不会来自特定方向或源。噪声水平在本地区域的各处是相同的。因此，SPL到处都是相同的，并且没有必要指定在（CF.源电平）上测量的范围。因此，环境噪声被指定为特定的SPL。

对环境噪声的最明显的贡献是在海洋表面上发生的动作。波浪的大小越大，环境噪声贡献越大。波浪由风驱动，因此在稳态风速和海状态之间存在直接对应关系。海面的状况由海态量​​化，这是0-9的数字。从0-12的范围为0-12的Beaufort风量是一致风速的标准测量。

表3. Beaufort风量表和海州。

风速或海况越大，环境噪声的贡献明显越大。来自海况的噪声频率往往大于300hz。

环境噪声的第二个主要来源通常来自航运。在中转船舶较多的地区，环境噪声将大幅度增加。这种噪声，与来自海洋状态的噪声相比，将是低频(< 300 Hz)。海运运输量可以通过广泛的地理考虑来估计。为了估计环境噪声，我们将任意描述以下六种位置:

表4。运输的水平。

可以使用我们刚刚定义的类别来预测对环境噪声，海州和运输的两种贡献。从一个名为WENZ曲线的一系列测量的图表中发现了频率的函数。

图5.修改后的WENZ曲线。

要找到组合的环境噪声级（AN），必须使用以下两条曲线组合声压级别：

AN =运输（SPL）SEA状态（SPL）。

例如:预测300赫兹的环境噪声从航运航线和海况2。

运输噪音为65 dB
海州噪音为62 dB

65 DB 62 DB = 65 + 2 = 67 dB（表格方法）

AN = 67 dB

第三种可能的环境噪声源是生物，即海洋生物。这些变化既广泛又不可预测。一个常见的来源是捕虾。其他的包括鲸鱼和海豚。我们不可能预先估计生物制剂对环境噪声的影响，因此只有已知的影响原位．

自噪声

在声学系统中还有另一种噪音，来自电子设备本身，来自它所在平台的噪音，或者来自接收阵列本身的水流。这叫做自噪声，SN。自噪声会有一个最小值，这个值与阵列在水中的速度无关，然后自噪声会由于水流噪声和携带它的平台的噪声增加而增加。自噪声被指定为声压级，并且与频率和速度有关。

图6.自噪声作为速度的函数。

总噪声

必须使用梳理声压水平的特殊方法来组合环境和自噪声。我们定义了总噪声水平，NL为

问一个SN

检测声能量

梁形成

换能器（或水机）用于接受声能。如果它们被设计成在所有方向上同样良好地接收，则它们被称为全方位。换能器可以用一些方向性构造，在这种情况下，它将具有一定范围的角度，它可以从中接收能量，这将是其波束宽度的能量，问：．波束宽度只能像衍射极限一样小，意思是

问：2L./ D

在哪里L.波长和D是换能器的孔径或面的直径。换能器通常是小器件，大约10厘米。然而，它们可以组合成阵列，类似于简单的天线元件在相控阵雷达中使用的方式。现在阵列或孔径，L的大小将确定波束宽度。

问：2L./ l。

当接收时，狭窄的波束宽度将允许阵列拒绝更多的干扰噪声，因为环境噪声来自四面八方。这与雷达天线增益完全类似，我们在声纳中也有类似的表达式。它是一个对数项，称为指向性指数DI。它大致相当于天线增益的分贝(即10 Log (G))。然而，在声纳中，这个术语只适用于接收能量，因为SL的定义解释了在传输中获得的增益。

作为方向性指标的一个例子，考虑一个总长度为l的水听器线性阵列L./ l。二维增益g = 2P./问：P.L /湖因此，方向性指数di 10 log（P.L /L.)．下面给出了更精确的数值和直径D的圆孔径。注意，圆板的DI表示三维波束形成，而线性阵列只在一个平面上形成波束。由于这个原因，前面的因数是20而不是10。

表5.数组指令。

有两个限制案例适用于传感器阵列：

低频限制。在这种情况下，大波长导致非常大的波束宽度，并且所有方向性都丢失。DI接近0.例如，当2L =时发生这种情况L._最大限度， 或者

F_闵= C / 2L

F_最大限度= C / D

高频率的限制。在这种情况下，波长变得太短，无法有效地控制光束。当数组中元素之间的间距与波长d =相同时，就会出现这种情况L.．这设置了频率的上限，

基于该分析，最好的整体频率响应将来自声纳阵列，这是非常大的，具有大量紧密间隔的传感器。当然，这也是最昂贵的，并且需要最大的光束形成能力。

检测标准

和前面的情况一样，检测的标准是接收机采集到的功率大于噪声电平的某个阈值。信噪比的对数形式就是信噪比。检测的最小信噪比称为检测阈值DT。因此，检测通常会发生，这意味着50%以上的时间，无论何时

SNR> DT。

我们已经讨论了声能的来源和噪声级，但还没有描述它们之间的关系。现在，将信号从源到接收机的损失描述为传输损失TL。传输损失项包括能量扩散和衰减的所有影响，以及其他各种影响，这将是接下来两章的主要讨论主题。事实上，正是这个术语，使得声纳比雷达等更难以预测和操作。

所以现在接收器处的SNR可以明确写入被动系统（具有单向传输）：

SNR = SL + DI - TL - NL

地点:

SL =源电平
TL =传输损耗
NL =噪音等级(AN SN)
DI =方向性指数


对于一个活跃的系统，我们在额外的术语上，描述了从目标的能量的反映，称为目标强度Ts。目标强度在反射后用作源电平，因此包括反射的任何定向效果。目标强度是目标尺寸，表面材料和形状的函数，以与雷达横截面变化的方式相同。还注意到有源系统，有双向传输损耗，因此


SNR = SL - TL + TS - TL - NL + DI，

信噪比= sl - 2tl + ts - nl + di

虽然这些术语在主动和被动系统中看起来很相似，但每个术语的值通常是相当不同的。

你应该注意到这些方程使用普通的加法和减法，即使是在声压级下。这是绝对正确的。我们没有把声压级合并在这些方程中，我们实际上是乘法和除法。回想一下，信噪比是信噪比的对数等效。取对数时，除法变成减法。同样地，乘法的项，就像等价的增益，现在被加进去了。这通常是一个巨大的困惑的来源:什么时候加/减，什么时候使用上面的特殊方法组合声压级。这里，当使用特殊方法时，我们已经明确地使用了符号“”。