水聲學(xué)第六章-聲波在目標(biāo)上的反射和散射

第六章聲波在目標(biāo)上的反射和散射10/10/20231鄰近海面的水下點(diǎn)源聲場(chǎng)聲壓振幅隨距離的變化特征（近場(chǎng)/遠(yuǎn)場(chǎng)）傳播損失表面聲道表面聲道特征反轉(zhuǎn)深度、臨界聲線、跨度的概念傳播損失（近距離/遠(yuǎn)距離）深海聲道深海聲道特征第五章知識(shí)要點(diǎn)10/10/20232聲影區(qū)的概念傳播損失（近距離/遠(yuǎn)距離）深海負(fù)梯度聲線的特點(diǎn)與極限聲線幾何作用距離的概念深海負(fù)躍層概念對(duì)聲傳播的影響均勻淺海聲場(chǎng)傳播損失與距離的關(guān)系（近/中等/遠(yuǎn)距離）虛源表示的基本思想10/10/20233目標(biāo)強(qiáng)度（重點(diǎn)）目標(biāo)強(qiáng)度概念剛性大球的目標(biāo)強(qiáng)度常見聲納目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度的一般特征（重點(diǎn)）潛艇的目標(biāo)強(qiáng)度魚雷和水雷的目標(biāo)強(qiáng)度魚的目標(biāo)強(qiáng)度本章主要內(nèi)容10/10/20234目標(biāo)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)測(cè)量（重點(diǎn)）比較法測(cè)量目標(biāo)強(qiáng)度直接法測(cè)量目標(biāo)強(qiáng)度應(yīng)答器法實(shí)驗(yàn)室測(cè)量常見聲納目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度（了解）簡(jiǎn)單幾何形狀物體的目標(biāo)強(qiáng)度（了解）本章主要內(nèi)容10/10/20235目標(biāo)回波（重點(diǎn)）回波信號(hào)的形成回波信號(hào)的一般特征剛性球體的散射聲場(chǎng)（了解）剛性不動(dòng)球體的聲散射剛性不動(dòng)微小球粒子對(duì)平面波的散射聲波在彈性物體上的散射（了解）平面聲波在彈性球體上的散射彈性物體散射聲場(chǎng)的一般特征本章主要內(nèi)容10/10/20236本章主要內(nèi)容殼體目標(biāo)上的回波信號(hào)（了解）穩(wěn)態(tài)回波信號(hào)短脈沖入射時(shí)的回聲信號(hào)用赫姆霍茨積分方法求解散射聲場(chǎng)（了解）赫姆霍茲積分解菲涅爾半波帶近似法10/10/20237目標(biāo)強(qiáng)度目標(biāo)強(qiáng)度概念水下目標(biāo)1）軍事目標(biāo)：潛艇、魚雷、水雷

2）民用目標(biāo)：魚群3）無(wú)限伸展非均勻體：深水散射層、海面、海底等

研究聲納目標(biāo)回波特性的意義A）主動(dòng)聲納目標(biāo)檢測(cè)和識(shí)別的依據(jù)B）對(duì)聲納設(shè)備的設(shè)計(jì)和應(yīng)用有重要意義

10/10/20238目標(biāo)強(qiáng)度目標(biāo)強(qiáng)度概念定義：目標(biāo)強(qiáng)度TS定量描述目標(biāo)聲反射本領(lǐng)的大小，其定義為式中，為入射聲波強(qiáng)度；為離目標(biāo)聲中心1米處的回聲強(qiáng)度。10/10/20239目標(biāo)強(qiáng)度目標(biāo)強(qiáng)度概念目標(biāo)的聲中心：假想的點(diǎn)，可位于目標(biāo)的內(nèi)部或外部，回聲由該點(diǎn)發(fā)出。收發(fā)分置（bistatic）：回聲強(qiáng)度是入射方向和回聲方向的函數(shù)。收發(fā)合置（monostatic）：回聲強(qiáng)度僅是入射方向的函數(shù)，即為反向反射或反向散射。提示：多數(shù)聲納為收發(fā)合置型的，本章主要討論反向反射情況下的目標(biāo)回聲問題。問題：水下目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度是大于零還是小于零？為什么？

10/10/202310目標(biāo)強(qiáng)度剛性大球的目標(biāo)強(qiáng)度大球：ka>>1，k為波數(shù)剛性：聲能不會(huì)透入球體內(nèi)部反射聲線：局部平面鏡反射定律理想反射體：聲能無(wú)損失地被球面所反射

到范圍內(nèi)的入射聲功率：

10/10/202311目標(biāo)強(qiáng)度剛性大球的目標(biāo)強(qiáng)度

從到入射的聲波被限制在到的范圍內(nèi)。散射聲功率：10/10/202312目標(biāo)強(qiáng)度剛性大球的目標(biāo)強(qiáng)度根據(jù)入射聲功率等于散射聲功率有：求得

剛性大球的目標(biāo)強(qiáng)度：結(jié)論：TS值與聲波頻率無(wú)關(guān)，只與球半徑有關(guān)。

提示：尤立克《水聲原理》應(yīng)用能量守恒進(jìn)行推導(dǎo)10/10/202313常見聲納目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度的一般特征潛艇的目標(biāo)強(qiáng)度

問題：潛艇不同方位的目標(biāo)強(qiáng)度是否一樣？正橫方向艇首10/10/202314常見聲納目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度的一般特征潛艇的目標(biāo)強(qiáng)度潛艇的目標(biāo)強(qiáng)度與方位、頻率、脈沖寬度、深度和測(cè)量距離等因素有關(guān)。測(cè)試艇：柴油動(dòng)力潛艇時(shí)間：二戰(zhàn)前后。正橫方向：12～40dB，平均值25dB

18艘潛艇正橫方向目標(biāo)強(qiáng)度直方圖10/10/202315常見聲納目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度的一般特征潛艇的目標(biāo)強(qiáng)度隨方位的變化潛艇目標(biāo)強(qiáng)度與方位角關(guān)系曲線呈“蝴蝶形”圖形。潛艇目標(biāo)強(qiáng)度隨方位的變化10/10/202316常見聲納目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度的一般特征潛艇的目標(biāo)強(qiáng)度隨方位的變化1）在艇的舷側(cè)正橫方向上，目標(biāo)強(qiáng)度值最大，達(dá)25dB，系由艇殼的鏡反射引起；2）在艇首和艇尾方向，目標(biāo)強(qiáng)度最小，約10～15dB，系由艇殼和尾流的遮蔽效應(yīng)引起；3）在艇首和艇尾20度附近，比相鄰區(qū)域高出1～3dB，可能是由潛艇的艙室結(jié)構(gòu)的內(nèi)反射產(chǎn)生；4）在其它方向上呈圓形，系由潛艇的復(fù)雜結(jié)構(gòu)以及附屬物產(chǎn)生散射的多種疊加。10/10/202317常見聲納目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度的一般特征潛艇的目標(biāo)強(qiáng)度隨測(cè)量距離的變化近距離處潛艇目標(biāo)強(qiáng)度測(cè)量值有可能小于遠(yuǎn)距離處的目標(biāo)強(qiáng)度測(cè)量值，其原因是：1）當(dāng)使用指向性聲納在近處進(jìn)行目標(biāo)強(qiáng)度測(cè)量時(shí)，由于指向性的關(guān)系，聲束不能照射到目標(biāo)的全部；2）某些幾何形狀比較復(fù)雜物體的回聲隨距離的衰減規(guī)律不同于點(diǎn)源聲場(chǎng)。問題：如何解釋？10/10/202318常見聲納目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度的一般特征潛艇的目標(biāo)強(qiáng)度隨測(cè)量距離的變化以長(zhǎng)為L(zhǎng)的柱體目標(biāo)強(qiáng)度測(cè)量為例：近距離處：遠(yuǎn)距離處：過(guò)渡距離：解得：10/10/202319常見聲納目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度的一般特征潛艇的目標(biāo)強(qiáng)度隨測(cè)量距離的變化1）在近場(chǎng)（距離小于），回聲強(qiáng)度隨距離的衰減服從柱面波規(guī)律，即。2）在遠(yuǎn)場(chǎng)（距離大于），回聲強(qiáng)度隨距離的衰減服從球面波規(guī)律，即。3）若分別在近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，然后按照球面波規(guī)律歸算到距目標(biāo)聲中心1m處，則結(jié)果必然是遠(yuǎn)距離測(cè)量值大于近距離測(cè)量值。提示：為了要得到穩(wěn)定的測(cè)量結(jié)果，測(cè)量應(yīng)在遠(yuǎn)場(chǎng)進(jìn)行，即測(cè)量距離。10/10/202320常見聲納目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度的一般特征潛艇的目標(biāo)強(qiáng)度隨脈沖寬度的變化

設(shè)入射波脈沖長(zhǎng)度為，若物體表面上A點(diǎn)和B點(diǎn)所產(chǎn)生的回聲在脈沖寬度內(nèi)被同時(shí)接收到，則有：10/10/202321常見聲納目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度的一般特征潛艇的目標(biāo)強(qiáng)度隨脈沖寬度的變化1）隨著脈沖長(zhǎng)度的增加，對(duì)回聲有貢獻(xiàn)的物體表面積相應(yīng)增大；2）脈沖長(zhǎng)度由短逐漸變長(zhǎng)時(shí)，目標(biāo)強(qiáng)度值也由小逐漸變大，直到脈沖長(zhǎng)度變?yōu)楹?，目?biāo)強(qiáng)度值就不再隨脈沖長(zhǎng)度的變化而變化。提示：TS隨脈沖寬度的變化關(guān)系決定了TS測(cè)量時(shí)的最小脈沖寬度；但在正橫方向上目標(biāo)強(qiáng)度隨脈沖長(zhǎng)度變化的現(xiàn)象不明顯。因?yàn)檫@時(shí)目標(biāo)在入射波方向上的長(zhǎng)度很小，并且?guī)缀午R反射是形成回聲的主要過(guò)程；當(dāng)測(cè)量目標(biāo)上的單個(gè)亮點(diǎn)處的目標(biāo)強(qiáng)度時(shí)，該效應(yīng)也不顯著（脈寬減小效應(yīng)）。10/10/202322常見聲納目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度的一般特征潛艇的目標(biāo)強(qiáng)度隨頻率的變化二戰(zhàn)期間，人們?cè)?2、24和60千赫的頻率進(jìn)行潛艇目標(biāo)強(qiáng)度的測(cè)量，試圖確定潛艇目標(biāo)強(qiáng)度的頻率響應(yīng)，但測(cè)量結(jié)果表明：潛艇目標(biāo)強(qiáng)度不存在明顯的頻率效應(yīng)，如果有的話，也被實(shí)測(cè)值的不確定性（離散性）所掩蓋。

提示：潛艇目標(biāo)的結(jié)構(gòu)和幾何形狀十分復(fù)雜，產(chǎn)生回聲的機(jī)理是多種多樣的。隨深度的變化深度對(duì)目標(biāo)強(qiáng)度值的影響不是影響了潛艇本身，而是深度變化引起聲傳播規(guī)律的變化。

提示：深度對(duì)潛艇尾流回聲有影響。

10/10/202323常見聲納目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度的一般特征魚雷和水雷目標(biāo)強(qiáng)度10/10/202324常見聲納目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度的一般特征魚雷和水雷目標(biāo)強(qiáng)度形狀：帶平頭或圓頭的圓柱體尺度：長(zhǎng)度1米至數(shù)米，直徑0.3米至1米兩者不同：魚雷尾部安裝有推進(jìn)器；水雷雷體上安裝有翼及凹凸不平處。目標(biāo)強(qiáng)度的特點(diǎn)1）正橫方位或頭部目標(biāo)強(qiáng)度值較大——強(qiáng)鏡反射2）尾部和雷體上小的不規(guī)則部分目標(biāo)強(qiáng)度值較小。10/10/202325常見聲納目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度的一般特征魚雷和水雷目標(biāo)強(qiáng)度正橫方位上圓柱形物體的目標(biāo)強(qiáng)度：式中，a為圓柱半徑，L為圓柱長(zhǎng)，是聲波波長(zhǎng)

舉例：若，，，可得目標(biāo)強(qiáng)度值。該值與水雷正橫方向上的測(cè)量值基本相符。

提示：魚雷和水雷的目標(biāo)強(qiáng)度也隨方位、頻率、脈沖寬度和測(cè)量距離變化，大體與潛艇的相類似。10/10/202326常見聲納目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度的一般特征魚目標(biāo)強(qiáng)度魚是探魚聲納的目標(biāo)單個(gè)魚體的研究英國(guó)Cushing（1963年）等人的研究結(jié)果:1）測(cè)量對(duì)象：鱘魚、比目魚、鱸魚、青魚等死魚，安裝薄膜塑料人工魚鰾。2）實(shí)驗(yàn)條件：聲波頻率30kHz，聲束由上向下垂直照射到魚脊背上，魚處于正常游動(dòng)狀態(tài)。10/10/202327常見聲納目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度的一般特征魚目標(biāo)強(qiáng)度單個(gè)魚體的研究

3）測(cè)量結(jié)果：魚體長(zhǎng)與目標(biāo)強(qiáng)度的關(guān)系如右圖。圖中直線為TS值與10lgV之間的關(guān)系，V是魚的體積。魚群的研究視魚群為一個(gè)整體，如果魚群由N條相距較大的魚所組成，則魚群總目標(biāo)強(qiáng)度為TS+10lgN，其中TS是單個(gè)魚體目標(biāo)強(qiáng)度值。10/10/202328目標(biāo)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)測(cè)量測(cè)量原理目標(biāo)強(qiáng)度測(cè)量示意圖如下圖所示：A是指向性聲源，向待測(cè)目標(biāo)輻射聲波，發(fā)射聲信號(hào)的脈沖寬度根據(jù)測(cè)量條件合理選擇。B是水聽器，接收來(lái)自目標(biāo)的回波。測(cè)量應(yīng)滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件：待測(cè)目標(biāo)應(yīng)位于聲源輻射聲場(chǎng)的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)；水聽器應(yīng)位于目標(biāo)散射聲場(chǎng)的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。目標(biāo)ABIiIr10/10/202329目標(biāo)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)測(cè)量測(cè)量原理根據(jù)目標(biāo)強(qiáng)度的定義：計(jì)算入射聲強(qiáng)度和回聲強(qiáng)度比較法測(cè)量原理利用已知目標(biāo)強(qiáng)度的參考目標(biāo)，在相同的測(cè)量條件下測(cè)量參考目標(biāo)和待測(cè)目標(biāo)的回聲強(qiáng)度，比較它們的回聲強(qiáng)度即可。10/10/202330目標(biāo)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)測(cè)量比較法目標(biāo)強(qiáng)度的計(jì)算設(shè)參考目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度值為TS0，待測(cè)目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度值為TS：式中，為參考目標(biāo)回聲強(qiáng)度；為待測(cè)目標(biāo)回聲強(qiáng)度。參考目標(biāo)ABIiI0待測(cè)目標(biāo)ABIiIr10/10/202331目標(biāo)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)測(cè)量比較法適用范圍適用于短距離下小物體的測(cè)量。優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：操作和計(jì)算簡(jiǎn)單，是比較實(shí)用的方法。

缺點(diǎn)：需要一個(gè)目標(biāo)強(qiáng)度已知的參考目標(biāo)，它的大小和結(jié)構(gòu)要保證其目標(biāo)強(qiáng)度近似理想幾何物體目標(biāo)強(qiáng)度；對(duì)于大目標(biāo)（例如潛艇）很難保證前后兩次測(cè)量條件相同。10/10/202332目標(biāo)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)測(cè)量直接法測(cè)量原理圖

A為收發(fā)合置換能器（為討論方便而假定），它是指向性聲源，聲軸指向待測(cè)目標(biāo)；

B為被測(cè)目標(biāo)；距離r應(yīng)滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件。AB10/10/202333目標(biāo)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)測(cè)量直接法目標(biāo)強(qiáng)度的計(jì)算水聽器處的回聲級(jí)：EL=SL-2TL+TS

回聲級(jí)的定義：

待測(cè)目標(biāo)強(qiáng)度值：說(shuō)明該方法需測(cè)量三個(gè)物理量。10/10/202334目標(biāo)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)測(cè)量直接法優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：操作比較簡(jiǎn)單，不需特殊的儀器設(shè)備，是一種基本測(cè)量方法。

缺點(diǎn)：需要精確地已知或測(cè)量傳播損失值。應(yīng)答器法

1952年，Urick和Pieper提出的不需確定傳播損失的測(cè)量方法。

10/10/202335目標(biāo)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)測(cè)量應(yīng)答器法測(cè)量原理圖

10/10/202336目標(biāo)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)測(cè)量應(yīng)答器法測(cè)量原理圖描述

1）待測(cè)目標(biāo)上安裝水聽器和應(yīng)答器各一個(gè)，應(yīng)答器接收聲源輻射聲脈沖后也輻射聲脈沖，水聽器先后接收聲源和應(yīng)答器發(fā)射的脈沖信號(hào)，設(shè)它們的聲級(jí)差為B分貝。

2）在水面船上安裝聲源和水聽器，水聽器接收目標(biāo)回聲和應(yīng)答器所輻射的脈沖聲信號(hào)，設(shè)它們的聲級(jí)差為A分貝。10/10/202337目標(biāo)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)測(cè)量應(yīng)答器法目標(biāo)強(qiáng)度的計(jì)算待測(cè)目標(biāo)強(qiáng)度值：TS=B-A優(yōu)點(diǎn)：不需要確定傳播損失；不需要對(duì)聲源、應(yīng)答器和兩個(gè)水聽器作絕對(duì)校正。實(shí)驗(yàn)室測(cè)量測(cè)量方法：比較法和直接法。注意事項(xiàng)

1）聲源與目標(biāo)之間的距離和目標(biāo)與水聽器之間的距離應(yīng)滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件-兩個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)10/10/202338目標(biāo)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)測(cè)量實(shí)驗(yàn)室測(cè)量注意事項(xiàng)

2）測(cè)試條件應(yīng)滿足自由場(chǎng)條件-一個(gè)自由場(chǎng)

消聲水池滿足自由場(chǎng)條件；非消聲水池的池壁、池底和水面水底反射聲會(huì)直接影響測(cè)量結(jié)果的可信度，應(yīng)消除反射聲的影響。根據(jù)水池的長(zhǎng)、寬、深，合理選擇脈沖寬度，適當(dāng)調(diào)整聲源、目標(biāo)和水聽器三者之間的位置，使界面反射信號(hào)和回波信號(hào)在接收時(shí)間上分開。

3）合理選擇發(fā)射信號(hào)脈沖寬度-一個(gè)脈寬選取依據(jù)：測(cè)試環(huán)境滿足自由場(chǎng)條件（不能過(guò)寬）；測(cè)量結(jié)果要達(dá)到穩(wěn)態(tài)（不能過(guò)窄）。10/10/202339常見聲納目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度提示：一般，聲納目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度值是根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的，結(jié)果具有較大的離散性，上表是從統(tǒng)計(jì)的意義上給出的規(guī)律性結(jié)果。10/10/202340簡(jiǎn)單幾何形狀物體的目標(biāo)強(qiáng)度10/10/202341簡(jiǎn)單幾何形狀物體的目標(biāo)強(qiáng)度提示：聲納目標(biāo)不滿足剛性、不動(dòng)的理想條件，表中所列公式得到的僅是一種近似值。作為一種估計(jì)，這些公式在實(shí)際工作中是十分有用的。10/10/202342目標(biāo)回波目標(biāo)回波概述聲波在傳播途中遇到障礙物時(shí)產(chǎn)生的散射聲波中，返回聲源方向的那部分聲波。它是散射波的一部分，是入射波與目標(biāo)相互作用產(chǎn)生的，它攜帶目標(biāo)的某些特征信息。大目標(biāo)：目標(biāo)前方次級(jí)聲波——反射波；目標(biāo)后方的次級(jí)聲波——繞射波。小目標(biāo)：向空間各方向輻射的次級(jí)聲波——散射波。與聲波波長(zhǎng)相當(dāng)目標(biāo)：反射、繞射、散射過(guò)程均起作用。10/10/202343目標(biāo)回波目標(biāo)回波概述在聲學(xué)中，近場(chǎng)的次級(jí)聲波——衍射波；遠(yuǎn)場(chǎng)的次級(jí)聲波——散射波。本書中統(tǒng)稱為散射波。測(cè)量目標(biāo)回波的應(yīng)用測(cè)量回波信號(hào)分析處理回波提取目標(biāo)特征目標(biāo)檢測(cè)識(shí)別10/10/202344目標(biāo)回波回波信號(hào)的形成目標(biāo)鏡反射鏡反射是幾何反射過(guò)程，服從反射定律。曲率半徑大于波長(zhǎng)的目標(biāo)，回波基本由鏡反射過(guò)程產(chǎn)生，與垂直入射點(diǎn)相鄰的目標(biāo)表面產(chǎn)生相干反射回聲。目標(biāo)散射目標(biāo)表面不規(guī)則性，如棱角、邊緣和小凸起物，其曲率半徑一般小于波長(zhǎng)，由散射過(guò)程產(chǎn)生回波。10/10/202345目標(biāo)回波回波信號(hào)的形成目標(biāo)再輻射一般聲納目標(biāo)為彈性物體，在入射聲波的激勵(lì)下，目標(biāo)的某些固有振動(dòng)模式被激發(fā)，向周圍介質(zhì)輻射聲波，它是目標(biāo)回聲的組成部分，稱之為非鏡反射回波，與目標(biāo)力學(xué)參數(shù)、狀態(tài)以及與入射聲波相對(duì)位置等因素有關(guān)。如下圖所示，窄平面波脈沖入射到鋁球上的回波脈沖串。10/10/202346目標(biāo)回波回波信號(hào)的形成回音廊式回聲（環(huán)繞波）聲波入射到A點(diǎn)除產(chǎn)生鏡反射波外，還有折射波透射到目標(biāo)內(nèi)部。折射波在目標(biāo)內(nèi)部傳播，在B、C、…上同樣產(chǎn)生反射和折射，到達(dá)G點(diǎn)時(shí)，折射波恰好在返回聲源的方向上，它是回波的一部分。10/10/202347目標(biāo)回波回波信號(hào)的一般特征多卜勒頻移運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波頻率和入射波產(chǎn)生差異，這種差異的大小與入射波頻率f及目標(biāo)與聲源之間距離變化率V有關(guān)，滿足如下關(guān)系：

提示：目標(biāo)接近聲源時(shí)，取正號(hào)；目標(biāo)遠(yuǎn)離聲源時(shí)，取負(fù)號(hào)。

舉例：聲納工作頻率10kHz，聲源以10節(jié)(5.15m/s)的相對(duì)速度趨近目標(biāo)，回波頻移69Hz。10/10/202348目標(biāo)回波回波信號(hào)的一般特征脈沖展寬目標(biāo)回聲是由整個(gè)目標(biāo)表面上的反射體和散射體產(chǎn)生，整個(gè)物體表面都對(duì)回波有貢獻(xiàn)。由于傳播路徑不同，目標(biāo)表面不同部分產(chǎn)生的回波到達(dá)接收點(diǎn)時(shí)，時(shí)間上有先有后，加寬了回聲信號(hào)的脈沖寬度。如圖，平面波以掠射角入射到長(zhǎng)為L(zhǎng)的目標(biāo)上，在收發(fā)合置條件下，回波脈沖將比入射脈沖展寬：10/10/202349目標(biāo)回波回波信號(hào)的一般特征脈沖展寬

提示：回聲脈沖的這種展寬現(xiàn)象，在窄脈沖入射下，目標(biāo)為許多散射體組成的復(fù)雜目標(biāo)，回聲脈沖展寬明顯；若回聲主要過(guò)程是鏡反射，回聲脈沖展寬可以忽略。

舉例：潛艇目標(biāo)，在正橫方向，回波展寬僅為10ms，在首尾方位，回波展寬為100ms。包絡(luò)不規(guī)則性回聲包絡(luò)是不規(guī)則的，特別當(dāng)鏡反射不起主要作用時(shí)更是如此。10/10/202350目標(biāo)回波回波信號(hào)的一般特征包絡(luò)不規(guī)則性

產(chǎn)生原因：目標(biāo)上各散射體的散射波互相迭加干涉引起的。另外，在目標(biāo)回聲中，還可能有個(gè)別亮點(diǎn)，這是由目標(biāo)上某些部位產(chǎn)生鏡反射引起。例如，潛艇的指揮臺(tái)。調(diào)制效應(yīng)

產(chǎn)生原因：（1）螺旋槳旋轉(zhuǎn)引起目標(biāo)的散射截面產(chǎn)生周期性變化，引起回聲幅度周期性變化。（2）運(yùn)動(dòng)船體與其尾流產(chǎn)生的兩種回波干涉引起的調(diào)制效應(yīng)。10/10/202351課堂小測(cè)驗(yàn)三在高頻遠(yuǎn)場(chǎng)條件下，簡(jiǎn)單地用能量守恒關(guān)系推出半徑為a的剛性大球目標(biāo)強(qiáng)度TS值的表達(dá)式。測(cè)量柱形目標(biāo)的TS值時(shí)，發(fā)現(xiàn)TS值隨測(cè)量距離而變，說(shuō)明這種變化關(guān)系，解釋其原因。實(shí)驗(yàn)室水池中測(cè)量水下目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度應(yīng)注意哪些事項(xiàng)？10/10/202352剛性球體的散射聲場(chǎng)剛性不動(dòng)球體的聲散射目標(biāo)強(qiáng)度值1）通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量獲得2）通過(guò)理論計(jì)算獲得提示：常見聲納目標(biāo)的幾何形狀基本接近于球形或柱形。剛性：在入射聲波作用下球體不發(fā)生變形，聲波透不到球體內(nèi)部，激不起球內(nèi)部運(yùn)動(dòng)。不動(dòng)：球體不參與周圍流體介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。10/10/202353剛性球體的散射聲場(chǎng)剛性不動(dòng)球體的聲散射散射場(chǎng)計(jì)算取坐標(biāo)系的原點(diǎn)和剛性球的球心重合，并取軸與入射平面波的傳播方向一致，設(shè)剛性球的半徑為，如圖所示。10/10/202354剛性球體的散射聲場(chǎng)剛性不動(dòng)球體的聲散射散射場(chǎng)計(jì)算取入射平面波聲壓為：設(shè)散射波聲壓為，它滿足波動(dòng)方程：10/10/202355剛性球體的散射聲場(chǎng)

剛性不動(dòng)球體的聲散射散射場(chǎng)計(jì)算由于入射聲波關(guān)于

軸對(duì)稱，散射波也關(guān)于

軸對(duì)稱，則它與變量無(wú)關(guān)，則有：利用分離變量法，設(shè)：10/10/202356剛性球體的散射聲場(chǎng)剛性不動(dòng)球體的聲散射散射場(chǎng)計(jì)算波動(dòng)方程可分離成兩個(gè)方程：提示：上式為球貝塞爾方程，下式為勒讓德方程，其解的形式都已知。10/10/202357剛性球體的散射聲場(chǎng)剛性不動(dòng)球體的聲散射散射場(chǎng)計(jì)算根據(jù)勒讓德方程的解有（

為分離變量時(shí)引入的常數(shù)，根據(jù)勒讓德方程的性質(zhì)，

必須是非負(fù)整數(shù)）：根據(jù)球貝塞爾方程的解有：10/10/202358剛性球體的散射聲場(chǎng)

剛性不動(dòng)球體的聲散射散射場(chǎng)計(jì)算考慮無(wú)窮遠(yuǎn)處輻射條件，系數(shù)

提示：波動(dòng)方程的解即散射波聲壓為：式中，為待定常數(shù)，由邊界條件確定。10/10/202359剛性球體的散射聲場(chǎng)

剛性不動(dòng)球體的聲散射散射場(chǎng)計(jì)算

問題：常數(shù)的確定（根據(jù)邊界條件）對(duì)于剛性球體有：

由于散射場(chǎng)聲壓為貝塞爾函數(shù)和勒讓德函數(shù)的級(jí)數(shù)和的形式，固將入射波聲壓展開為：10/10/202360剛性球體的散射聲場(chǎng)

剛性不動(dòng)球體的聲散射散射場(chǎng)計(jì)算根據(jù)邊界條件，待定系數(shù)為：散射波聲壓的表達(dá)式為：10/10/202361剛性球體的散射聲場(chǎng)

剛性不動(dòng)球體的聲散射散射場(chǎng)計(jì)算對(duì)于散射波的遠(yuǎn)場(chǎng)，利用球漢克爾函數(shù)在大宗量條件下近似展開，遠(yuǎn)場(chǎng)散射波聲壓為：，其中：10/10/202362剛性球體的散射聲場(chǎng)

剛性不動(dòng)球體的聲散射散射場(chǎng)特點(diǎn)1）散射波振幅正比于入射波振幅；2）散射波是各階球面波的迭加，具有球面波的某些特征，如振幅隨距離一次方衰減；3）散射波具有明顯的指向性；4）隨頻率的變化：

A）低頻，球前向散射較均勻，隨頻率增大，指向性變得復(fù)雜；B）低頻時(shí)，剛球背面散射波很弱，隨著頻率的增加，背部散射波逐漸增強(qiáng)。10/10/202363剛性球體的散射聲場(chǎng)

剛性不動(dòng)球體的聲散射散射場(chǎng)特點(diǎn)4）隨頻率的變化剛球遠(yuǎn)場(chǎng)散射波強(qiáng)度：剛球目標(biāo)強(qiáng)度：10/10/202364剛性球體的散射聲場(chǎng)

剛性不動(dòng)微小球粒子對(duì)平面波的散射微小粒子：是指，即或頻率甚低或者粒子半徑極小。提示：微小粒子的散射波聲壓依然可以應(yīng)用上述剛性不動(dòng)球體的散射場(chǎng)聲壓表示。在條件下，求和項(xiàng)中只有前兩項(xiàng)起主要作用，微小粒子的散射波聲壓：10/10/202365剛性球體的散射聲場(chǎng)

剛性不動(dòng)微小球粒子對(duì)平面波的散射整理得到散射波聲壓：散射波聲強(qiáng)：目標(biāo)強(qiáng)度：

結(jié)論：具有明顯的指向性和強(qiáng)烈的頻率特性。10/10/202366聲波在彈性物體上的散射

平面聲波在彈性球體上的散射對(duì)于常見的聲納目標(biāo)，都是由金屬材料制成的彈性體彈性體：入射聲波能透入物體內(nèi)部，并激發(fā)內(nèi)部聲場(chǎng)與剛性體比較：

1）彈性球體散射波強(qiáng)度隨頻率變化出現(xiàn)極大、極小變化；而剛性球體散射波強(qiáng)度不存在明顯的頻率效應(yīng)；

2）還存在其他方面的差異，研究這些差別，有助于聲納目標(biāo)的檢測(cè)和識(shí)別。10/10/202367聲波在彈性物體上的散射平面聲波在彈性球體上的散射散射場(chǎng)計(jì)算

分析：與剛性球體的散射場(chǎng)計(jì)算過(guò)程作對(duì)比，相同點(diǎn)：散射波聲壓滿足相同的波動(dòng)方程，解法相同，形式解相同；不同點(diǎn)：確定形式解中的待定系數(shù)的邊界條件不同。

邊界條件：

1）法向應(yīng)力連續(xù)

2）法向位移連續(xù)或法向質(zhì)點(diǎn)振速連續(xù)

3）切向應(yīng)力為零10/10/202368聲波在彈性物體上的散射平面聲波在彈性球體上的散射散射場(chǎng)計(jì)算

彈性球體散射波聲壓：10/10/202369聲波在彈性物體上的散射

球面聲波在彈性球體上的散射散射場(chǎng)計(jì)算考慮點(diǎn)聲源置于S處，它距球心的距離為，空間任意點(diǎn)P處入射聲場(chǎng)為：10/10/202370聲波在彈性物體上的散射球面聲波在彈性球體上的散射散射場(chǎng)計(jì)算若點(diǎn)源離彈性球較遠(yuǎn)，則根據(jù)漢克爾函數(shù)的漸近展開，有：

入射波聲壓：，散射波聲壓：10/10/202371聲波在彈性物體上的散射

球面聲波在彈性球體上的散射散射場(chǎng)計(jì)算考慮收發(fā)合置情況下的回波，則遠(yuǎn)場(chǎng)條件下的回波表達(dá)式：引入形態(tài)函數(shù)：10/10/202372聲波在彈性物體上的散射

球面聲波在彈性球體上的散射散射場(chǎng)計(jì)算形態(tài)函數(shù)中，為水中波數(shù)，、為縱波和橫波波數(shù)。結(jié)論：彈性球體散射聲場(chǎng)比剛性球體復(fù)雜，與球體組成材料的彈性參數(shù)有關(guān)。

形態(tài)函數(shù)是Hickling在上世紀(jì)60年代引入來(lái)討論散射聲場(chǎng)與頻率的關(guān)系的，散射聲場(chǎng)表示為：10/10/202373聲波在彈性物體上的散射

球面聲波在彈性球體上的散射形態(tài)函數(shù)比較剛性球、聲學(xué)軟球、鋼球和鋁球：10/10/202374聲波在彈性物體上的散射彈性物體散射聲場(chǎng)的一般特征剛性球、聲學(xué)軟球、鋼球和鋁球形態(tài)函數(shù)比較1）彈性球（剛球和鋁球）形態(tài)函數(shù)隨頻率有極大、極小變化；2）剛性球形態(tài)函數(shù)在低頻段起伏振蕩，隨著頻率的增高，逐漸趨于1；3）聲學(xué)軟球形態(tài)函數(shù)在很低頻段大于1，隨著頻率的增加很快降至1。10/10/202375聲波在彈性物體上的散射彈性物體散射聲場(chǎng)的一般特征頻率特性1）寬脈沖入射信號(hào)散射強(qiáng)度隨頻率作極大、極小急劇變化，回波波形產(chǎn)生嚴(yán)重畸變。2）窄脈沖入射信號(hào)回波為一脈沖串，每個(gè)脈沖之間的間隔基本相等，脈沖幅度逐漸衰減，波形基本不變。波形畸變的解釋：A）回波來(lái)自物體表面的散射波、透入物體內(nèi)部經(jīng)內(nèi)表面反射、透射到達(dá)的波，入射波激勵(lì)下的再輻射波；10/10/202376聲波在彈性物體上的散射彈性物體散射聲場(chǎng)的一般特征頻率特性

波形畸變的解釋：

B）長(zhǎng)脈沖時(shí)，水聽器可在同一時(shí)刻接收上述各種波迭加而成，它們經(jīng)由不同途徑到達(dá)接收點(diǎn)（相位不同），迭加結(jié)果使得回波波形產(chǎn)生嚴(yán)重畸變；

C）短脈沖時(shí)，上述各種波不會(huì)在同一時(shí)刻到達(dá)接收點(diǎn)，所以接收到的是一個(gè)脈沖串。由于各個(gè)脈沖到達(dá)接收點(diǎn)的時(shí)間不同，它們之間不會(huì)發(fā)生干涉迭加，不產(chǎn)生大的畸變。10/10/202377聲波在彈性物體上的散射

彈性物體散射聲場(chǎng)的一般特征頻率特性回波強(qiáng)度隨頻率急劇起伏的解釋：設(shè)入射波的頻譜為，則有：根據(jù)遠(yuǎn)場(chǎng)回波表達(dá)式有：10/10/202378聲波在彈性物體上的散射

彈性物體散射聲場(chǎng)的一般特征頻率特性回波強(qiáng)度隨頻率急劇起伏的解釋：

1）入射波為長(zhǎng)脈沖時(shí)，其頻譜較窄，頻率稍許變化時(shí)，和的相對(duì)位置可能發(fā)生很大的變化，它們的乘積也相應(yīng)有較大的變化，導(dǎo)致回波強(qiáng)度隨頻率急劇變化；

2）入射波為短脈沖，其頻譜較寬，所以頻率稍許變化時(shí)，和的相對(duì)位置產(chǎn)生不大的變化，它們的乘積也相應(yīng)有不大的變化，回波強(qiáng)度不會(huì)隨頻率稍許變化產(chǎn)生急劇變化。10/10/202379聲波在彈性物體上的散射

彈性物體散射聲場(chǎng)的一般特征非鏡反射效應(yīng)

1）Finney在實(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于浸在水中彈性薄板，在聲波入射角滿足如下關(guān)系：在入射方向上有強(qiáng)烈反射，它不滿足鏡反射規(guī)律，稱為“非鏡反射”。為板中彎曲波（反對(duì)稱蘭姆波）速度。2）進(jìn)一步研究表明，當(dāng)聲波入射角滿足如下關(guān)系：也發(fā)生非鏡反射，為板中縱波速度。10/10/202380聲波在彈性物體上的散射

彈性物體散射聲場(chǎng)的一般特征空間指向性

長(zhǎng)柱聲散射鋁柱散射指向性圖案剛性柱散射指向性圖案10/10/202381殼體目標(biāo)上的回波信號(hào)前言聲納目標(biāo)的結(jié)構(gòu)更類似于殼體以彈性球殼為例討論殼體目標(biāo)回聲信號(hào)穩(wěn)態(tài)回波信號(hào)形態(tài)函數(shù)隨ka的變化充水鋼球殼

回聲信號(hào)的形態(tài)函數(shù)10/10/202382殼體目標(biāo)上的回波信號(hào)穩(wěn)態(tài)回波信號(hào)形態(tài)函數(shù)隨殼厚的變化

厚度變化時(shí)充水鋼球殼回聲信號(hào)的形態(tài)函數(shù)10/10/202383殼體目標(biāo)上的回波信號(hào)穩(wěn)態(tài)回波信號(hào)形態(tài)函數(shù)隨殼厚的變化內(nèi)側(cè)為真空時(shí)鋼球殼回聲信號(hào)的形態(tài)函數(shù)10/10/202384殼體目標(biāo)上的回波信號(hào)穩(wěn)態(tài)回波信號(hào)形態(tài)函數(shù)隨殼內(nèi)填充物的變化內(nèi)側(cè)為真空時(shí)鋼球殼回聲信號(hào)的形態(tài)函數(shù)10/10/202385殼體目標(biāo)上的回波信號(hào)穩(wěn)態(tài)回波信號(hào)殼體目標(biāo)散射聲場(chǎng)的空間指向性特性內(nèi)側(cè)為真空時(shí)鋼球殼散射聲場(chǎng)的空間指向性10/10/202386殼體目標(biāo)上的回波信號(hào)短脈沖