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水声学的定义

水声学是声学的分支学科，主要研究水下声波的产生、辐射、传播、接收和量度，应用于水下目标探测及信息传输。由于声波在海水中的衰减远小于电磁波，其成为海洋探测的有效工具，在军事反潜、民用导航、海底地质勘探等领域均有应用 。

该学科涵盖水声换能器、参量阵、声波传播媒质特性及海洋背景干扰等方向，涉及非线性声学、水声信号处理等技术，并与海洋学、地质学交叉形成海洋声学等新兴领域。关键技术包括长基线定位系统、短基线定位系统、超短基线定位系统及合成孔径声呐成像技术 。

水声学起源于1827年瑞士和法国科学家对水中声速的测量。1914年美国科学家费森登研制电动换能器探测冰山，1918年法国物理学家朗之万发明压电式换能器并接收潜艇回波。二战后研究转向低频大功率探测，声呐技术广泛应用于水下通信及测绘 。中国自20世纪70年代由杨士莪院士牵头发展水声定位技术，2000年后自主研制深海高精度超短基线定位系统，2017年实现3500米深处定位精度0.3米。

学科内容

研究领域

水声作为遥测海洋的积分探头，在长时间内大面积连续监测海洋的运动过程以及海洋资源概念也已初步形成。随着海洋的开发，水声学在海洋资源的调查开发、对海洋动力学过程和环境监测、增进人类对海洋环境的认识等方面的应用还将不断地扩展。

现代水声学的研究课题涉及面很广，主要有：新型水声换能器；水中非线性声学；水声场的时空结构；水声信号处理技术；海洋中的噪声和混响、散射和起伏，目标反射和舰船辐射噪声；海洋媒质的声学特性等。特别是水声学正在与海洋、地质、水生物等学科互相渗透，而形成海洋声学等研究领域。

水声换能器

水声换能器是发射和接收水中声信号的装置，应用最广泛的是电声转换的水声换能器，即转换电能为水中声能的水声发射器，以及转换水中声能为电能的水声接收器(即水听器)。水是声阻抗率较高的媒质，因此要发射较大声功率就必须有较大的力。

常用的水声换能器按其基本换能机理分为可逆式和不可逆式两大类。可逆式(可作接收器)的有：电动、静电、可变磁阻(电磁)、磁致伸缩和压电水声换能器。不可逆式(不可作接收器)的有：调制流体(流体动力)、气动(如气枪)、化学能(如信号弹)、机声(如扫水雷声源)等。

水声参量阵

水声参量阵分为参量发射阵和参量接收阵两类。它利用声波在水内传播时产生的非线性相互作用。如发射器同时发出两个频率相近的高频波 (又称原波)，由于非线性相互作用，则还产生差频波及和频波，这也可看作为一种新的转换概念，参量发射阵利用的就是差频波。

参量发射阵可分为原波饱和与无饱和两种情况(饱和是当声波的振幅足够大时产生的，这时，近场原波的振幅不再随声源振幅的增大而增大)，有四种典型模式：无饱和近场吸收限制、无饱和远场球面扩展限制、饱和近场限制、饱和远场限制。对这四种典型模式的理论研究结果与实验符合得很好。对无饱和的两种模式，差频波的声压都正比于两原波声压的乘积。

参量阵的主要缺点是效率很低，它的独特优点是可以利用小尺寸换能器获得低频、宽频带、低旁瓣或无旁瓣、探照灯式的尖锐波束，应用于需要低频高分辨率探测中。参量阵已进入实用阶段，特别适用于海底浅层地质的勘探、水下埋藏物的探测、浅海特定简正波的激励等。

参量接收阵近来也受到注意，其工作原理与参量发射阵相同，非线性相互作用在高声强的泵波和待接收的声波之间发生，在泵波的声轴上接收差频或和频信号。不过，参量接收阵的技术实现难度更大，实际应用为时尚早。

水声传播媒质

传播规律

海洋及其边界(海面和海底)组成复杂多变的水声传播媒质，它的复杂多变性主要表现在随海区和季节而变化，从而有不同的传播规律。

传播损失

从声源发出的声信号在传播过程中逐渐损失能量，这种传播损失分为扩展和衰减。扩展损失表示声波的波阵面从声源向外不断扩展的简单几何效应。但实际上声波经常是在类似于波导中的传播，可以在这种波导(称为声道)中定向性地传播很长距离。衰减损失包括吸收、散射和声能漏出声道的效应。造成吸收的原因是海水的粘滞性、热传导性、海水中硫酸镁和硼酸-硼酸盐离子的弛豫机构。吸收使声强以指数形式随距离下降，吸收系数一般正比于频率二次方，因此远程声呐都选用较低频率。造成散射的原因包括海中气泡、悬浮粒子、不均匀水团、浮游生物以及边界的不平整性，散射一般远小于吸收所引起的衰减。声能漏出声道的效应则因具体声道而异。

水下声道

产生海洋传播声道的条件是海洋边界及特定声速剖面。声速剖面就是海洋的声速分层结构。海水中的声速是温度、盐度和静压力(深度)的函数。它大致分为三层：表面层、主跃变层和深海等温层。

表面层中的声速对温度和风的作用很敏感，有明显的季节变化和日变化。在表面层以下约千米深度内，温度随深度而下降，使声速也随深度下降，具有较强的负声速梯度，称为主跃变层。最下面的称为深海等温层，层中海水处于冷而均匀的稳定状态，声速随着深度的增加而增加。在主跃变层的负声速梯度和深海等温层的正声速梯度之间存在一个定速极小值(声道轴)，形成较稳定的深海声道——声发声道。

在沿岸浅海及大陆架上，声速剖面受较多的因素影响，有较强的地区变异性和短时间不稳定性。但平均而言，仍有比较明显的季节特征。在冬季的典型声速剖面是等温层，在夏季往往是负跃层或负梯度。

在浅海，由海面和海底构成浅海声道，声波在声道中由海面和海底不断反射而传播。海底的声反射特性，特别是小掠射角的海底反射损失，是浅海声场分析和声呐作用距离预报的重要参量，它决定于海底的底质和结构。

当声传播水平距离不特别远(几百千米以内)时，往往把海洋看作分层媒质，分层媒质中的波动理论在60年代已达到较为成熟的阶段。

海洋中存在着大量散射体以及起伏不平的界面。当声源发射声波以后，碰到这些散射体，就会引起声能在各个方向上重新分配，即产生散射波。其中返回到接收点的散射波的总和称为混响。混响是主动式声呐的主要干扰。由产生混响的散射体不同性质，可分为体积混响、海面混响和海底混响。

对混响的研究大体上分为能量规律和统计规律两个方面。混响的能量规律的理论分析以声波在海洋中的传播理论和散射理论的结合为出发点，主要涉及混响强度同信号参量和环境因素的联系以及衰减规律。

随着声纳信号处理技术的发展，接收机输出数据率不断提高，靠声纳员来辨认出目标并测定其参量是很困难的，这就发展了机器辅助检测和自动检测的技术。

虽然水声信号处理的理论与雷达很相似，但由于水声信道的复杂性，仍有许多不同之处。

理论研究

媒质中的波动理论

当声传播水平距离不特别远（几百千米以内）时，往往把海洋看作分层媒质，分层媒质中的波动理论在60年代已达到较为成熟的阶段（见分层媒质中的波）。 研究声波在海洋媒质中传播的主要方法是简正波理论和射线理论，它们是波动方程满足定解条件的解的两种表达形式。前者把声场表示为许多简正波的和，在浅海远程情况，一般只有头几号甚至只有第1号简正波起重要作用，因此用起来很方便。后者把声场表示为许多射线解的和，在高频极限情况，这些解退化为声线，类似于经典的几何光学射线，它具有清晰的直观图像，更适合深海。可以证明，波动方程解的这两种表达形式满足某种傅里叶变换关系。对于一般情况，W.K.B.近似方法是一种很有用的近似方法。基于W.K.B.近似的简正波解析表达式的物理图像不够直观，射线－简正波理论赋予简正波本征函数以射线解释，对于浅海情况，简正波本征函数的指数衰减系数可被理解为对应角度射线的海底反射损失除以跨度。

深海中的声传播

通过混合层声道、声发声道和会聚区等方式传播。

① 深海混合层声道。它使掠射角小于在混合层底部（即下边界）发生反转的临界角，使声线保持在声道中，从而形成较为良好的声波传播通道。在层的下面产生声影区，由于海面的声散射以及声道下边界引起的衍射，一些能量进入了影区，故影区不是完全无声的。混合层声道的传播损失除了几何扩展和吸收衰减外，还包括泄漏衰减。当频率低于第1号简正波的截止频率时，这种声道作用不复存在。 ② 深海声发声道。声发 (sofar)声道词意来源于SOFAR 系统营救坠海失事的飞行员。当声源置于声道轴附近时，由于声线向声速较小处弯曲，使一定掠射角内的声线不触及海面和海底而被保留在声道内。它的传播损失只包括吸收衰减和几何扩展，因此，对于较低频率的声波，由于吸收很小，能够传播得非常远。这种超远传播现象在40年代就已被发现。已经证明，几千克三硝基甲苯的爆炸声能够在海洋中 6000km远处被收听到。图2绘出了南海典型深海声道的声速分布及声源位于声道上的声线图。如果接收器同样位于声道轴，则在这些声线中，偏离声道轴最大的声线最先到达，沿声道轴的声线最后到达，使在声道轴上爆炸声变为一个拉长的信号。

③ 会聚区。越靠近声道轴的声线携带的能量越大，所以接收信号的幅值随时间缓慢上升，到沿声道轴声线到达时取最大值，尔后突然截止。在声道中，由于邻近射线的交会形成声强度较强的焦散区。由交会而构成的包络线称焦散线，焦散线相交海面的区域称会聚区。会聚区中的峰值声强级有超过球面扩展加吸收达25dB的会聚增益，通常取10～15dB。会聚区宽度的数量级约为距离的5%～10%，而第一会聚区宽度约为5.5km。理论预言，在南海表面声速小于底部声速的海洋中也存在较强的反转点会聚区，结果已被实验证实。利用会聚区实现远程探测已成为现役声呐的一种重要工作方式。此外，还有相对次要的海底反射束传播方式。

浅海中的声传播

由于海底参与作用，使浅海声道比深海声道还要复杂。

① 均匀层声场。它是浅海声场中最简单、也是最基本的情况。C.L.皮克里斯首先以均匀液态海底模型及两液层海底模型讨论了均匀浅海中爆炸声的传播问题，为水声场的简正波理论作了开创性的工作。图4是高声速均匀层液态海底在一水平距离处所接收到的波形示意图，首先到达的是以海底声速作为群速度的底波，然后是群速度等于海水声速的水波，最后到达的是爱里(Airy)波。在频率较高时，海底的影响主要表现于界面反射损失。对于高声速海底，使用以小掠射角斜率、大掠射角常反射损失及分界角表示的三参量模型来描述海底反射损失，给理论分析带来很大方便。 ② 负梯度声场。在夏季无风天气，由于太阳照射造成声速随深度下降，形成负梯度声速剖面。浅海负梯度的平滑平均场强也存在类似的四个场区，但由于声速负梯度所引起的声线向下弯曲，使声线以较大的角度触及海底，导致声线碰撞海底的次数增加，并且每次碰撞又有较大的反射损失，使声能漏出声道的效应显著地大于均匀层，场强以更快的速度随距离而衰减。当水平距离足够远，在水中反转的声线起主要作用时，会出现明显的声场深度结构，越靠近海底场强越强。 ③ 温跃层声场。在夏季有风天气，浅海表面在风搅混下形成等温层，而海洋下部的海水仍残留有冷水特性，温度会在当中一薄层内由上面较暖的等温层过渡到下面较冷的等温层，使得声速也发生相应的剧烈变化，从而形成夏季的另一种典型浅海声道──温跃层声道。在有温跃层（通常是负跃层）的海洋中，当声源置于温跃层以下时，只有大掠射声线才可以穿透温跃层，小掠射角声线被温跃层反射而保留在下层，这些声线的海底反射损失小，传播衰减一般小于大掠射角的情况。因此，当水平距离足够远时，温跃层下的场强显著地大于温跃层上的场强。反映这种场强深度结构的物理量称为穿透比，它被定义为下发下收的场强与上发下收(或下发上收)的场强之比。另外，由于声线管的扩张，上发上收的场强也大于上发下收的场强。

在浅海声道中，多途效应（参加叠加声场的各号简正波具有不同的群速度，或到达接收点的声线有不同的路径）使得宽带脉冲声信号在传播过程中不断畸变。在均匀层和负梯度情况主要表现为波形的拖散，而在负跃层情况将会有规则的梳状结构出现。

声场数值预报

由于海洋媒质的时空多变性，在许多实际应用中，利用快速计算机，根据海洋环境参量的测定值或预报值，在建立了能够反映海洋环境因素对声场的制约关系的理论模型基础上，进行海洋声场数值预报成为当前亟待研究的重要课题。所发展的预报方法有五种：①射线算法；②简正波算法；③抛物方程算法;④快速声场程序(FFP)算法；⑤水平射线－垂直简正波法。每一种算法都各有其优缺点，要针对具体问题的性质作适当选择。

背景干扰

水声探测中的背景干扰有噪声和混响两大类。

噪声

又可分为自噪声和环境(海洋)噪声（图5）。自噪声的来源因不同的对象而异。

海洋环境噪声是被动式声呐的主要干扰。其主要研究内容是噪声谱级和噪声场的二阶时空统计特性，以及它们同环境因素的关系。

① 谱级。它密切依赖于海况，并有每倍频程衰减5～6dB的下降规律。 深海环境噪声可划分为四个频段，在每个频段内，谱级随频率的变化规律各不相同，并各有起主要作用的声源，如表1所示。 在风速大于5kn（节，1节=1海里/小时）时，波浪噪声谱级每倍风速增加6～7.2dB。温兹(Wenz)曲线全面地概括了深海谱级的规律(图6)。依据温兹曲线，可以对深海噪声级作出可靠的预报。海洋环境噪声还包括其他各种因素的影响，例如雨和雹。大雨可使6级海况下的谱级，在5～10kHz范围内增大30dB。 浅海环境噪声谱级随时间和地点有很大的变异性，因为浅海环境还有其他的多变性重要噪声源，如击岸噪声、生物群体噪声以及技术噪声等。

② 噪声场理论。风成噪声和船舶噪声是海洋环境噪声的主体，这两种噪声源都是面分布源，给定了面源的特性，结合传播效应，在理论上可给出海洋环境噪声场的各种特性：谱级、指向性、时空相关函数或互功率谱。近年来，在理论上已能解释深海及浅海噪声场的指向性。并预见到低噪声信道的存在。但对风成噪声的机理还不十分清楚。

混响

海洋中存在着大量散射体以及起伏不平的界面。当声源发射声波以后，碰到这些散射体，就会引起声能在各个方向上重新分配，即产生散射波。其中返回到接收点的散射波的总和称为混响。混响是主动式声呐的主要干扰。 由产生混响的散射体不同性质，可分为体积混响、海面混响和海底混响。 对混响的研究大体上分为能量规律和统计规律两个方面。

混响的能量规律的理论分析以声波在海洋中的传播理论和散射理论的结合为出发点，主要涉及混响强度同信号参量和环境因素的联系以及衰减规律。一般以简化的理论模型来分析混响强度，它引入两个基本假设：①混响强度是同时到达接收点的各散射元波强度之和；②在不存在多途效应时，单位散射空间的散射波强度可表为与传播和散射有关的两个因子之积。这个理论模型不仅适用于近程混响，现有的浅海远程混响理论实际上也是以它为出发点的。

混响的统计规律主要研究各类型混响的包络的概率分布和起伏率。混响是大量散射波的叠加，根据中心极限定理，混响的瞬时值应服从均值为零的高斯分布，其包络服从瑞利分布，起伏率等于0.523。而含有海底散射波的混响应服从均值不为零的高斯分布，其包络应服从赖斯(Rice)分布，实验结果表明，这一推断是正确的。浅海混响包络的起伏率一般在0.3～0.5之间。

以射线理论为基础的近程混响的理论早在40年代就已完成，并对近程混响的统计规律已作了大量的实验研究，包括混响振幅的起伏率、时间和空间的相关性、频率的分布等特性。随着现代声呐作用距离的提高，远程混响问题是正在大力探讨并取得进展的研究课题。

信号场

水声信号场

水声信号的起伏和散射是由于海洋中存在着随机不均匀体，它们主要可分为三类：①海面和海底的随机不平整；②湍流引起的热微结构；③内波引起的声速变化。这三类不均匀体的前向散射或对声波相位的扰动，则形成信号场的起伏，它们引起的声场起伏的规律也各不相同。 水声信号场的起伏和散射是一个十分复杂的问题。到为止，还只有抽取某项主要机理而简化其他因素加以研究。

海面波浪引起的声起伏

是研究的重要课题，它简化为随机起伏表面所限制的均匀半空间中的声场起伏问题，理论分析方法基本上有两种：①从格林公式和相应的软边界条件出发，再假定表面的不平整性足够平缓，而得到解析解。②直接寻求起伏表面的平均反射系数，它适用于绝对软或绝对硬的界面，同时也只适用界面粗糙度较小，因而散射场的随机分量远小于平均分量的特殊情况。对于一般的情况还待于发展新的理论分析方法。

湍流引起的声起伏

湍流引起的各向同性分量的温度起伏场对于声速有扰动。声信号相对振幅的起伏同相位起伏的均方值相等，而且正比于波数的二次方、媒质折射率起伏的均方值和相关半径以及传播的距离。

内波引起的声起伏

内波属于重力波。近年来，关于低频远距离声传播起伏的实验结果表明：声信号在数分钟以至数小时时间尺度上，相位相当稳定，而振幅却有相当快的随机起伏，即振幅起伏与相位起伏具有完全不同的时间尺度，这与由湍流的弱散理论得到的结论完全不同。所以，这个研究课题引起了水声和海洋动力学的很大注意。 研究认为，内波对声场起伏起主要作用的频率范围是惯性频率和韦伊塞莱 (V?is?l?)频率之间（见海洋中的内波），在惯性频率以下，对声场起伏起主要作用的是内潮的活动。对于深海内波已取得不少实验资料，突出地反映在由C.加勒特和W.H.蒙克提出的 G-M谱。但是对于浅海内波的研究，在国际上还处于初级阶段。由中国浅海的内波研究表明，由于存在尖锐的负跃层等因素，它具有与深海内波明显不同的某些特性。①在夏季典型负跃层条件下，声振幅起伏可达20dB，而在同一海区，冬季典型均匀层（无内波）条件下，声振幅起伏一般不大于数分贝；②声振幅起伏与内波的活动程度有很强的关联性；③声相位起伏主要出接收信号振幅出现最小值的附近一段时间；④声相位和振幅起伏谱并非随频率平滑下降，在内波谱出现峰值处，起伏谱也出现相应的峰值，特别是在周期为8～10min处，这种周期成分出现大起大落的现象。

由上所述可见：高频近距离的声场起伏可用于研究海浪和小标度湍流；低频中远距离的声场起伏在惯性频率和韦伊塞莱频率之间的相位和振幅谱可用于研究内波；在惯性频率以下的超低频相位和振幅谱可用于研究内潮。海洋中的大尺度漩涡的运动规律也可用声学方法进行遥测。从而发展成为一种新型的水声学遥感方法，这种以声波传播作为积分探头来探测海洋的问题已日益受到重视。

目标反射和舰船辐射噪声

水下目标反射 在主​​​​​​动声呐探测中，目标反射特性与发射信号波形一起构成信号源的特性。在声呐方程中，用目标强度这一参量来描写目标反射能力，目标强度的定义是将距离目标的“声学中心”1m处由目标反射回来的声强与在同一方向上由远处入射的声强之比，取分贝(dB)表示。潜艇、鱼雷、水雷或鱼等海洋生物等复杂结构的水下目标的反射声的形成过程是多种的，主要有：①镜反射；②表面上有规则性的散射，不规则性就是曲率半径小于波长的棱角、边缘等；③声透入目标内部，引起内反射声波；④共振效应，某些入射波频率和方位可以激起目标不同的振动模式，往往会提高目标强度。水下目标的反射声与入射声相比，经常具有如下特征：①多普勒频移；②脉冲声信号的持续时间拉长；③回声包络的不规则性；④调制效应，舰船的螺旋桨可调制尾部方向的反射声，同时，船壳和尾流的所合成的回声包络，由于两者频率不同会出现拍频或振幅变化。对于像潜艇这样形状和结构都非常复杂的反射体，在理论上计算目标强度是非常困难的，虽然作了大量实测研究，但到为止，仍有许多问题有待深入。表2列出了一些目标强度的一般估计值，但对具体情况的实际测量值可能会有相当大的变化。

舰船辐射噪声

是被动声呐的信号源，并利用其特性从自噪声或海洋环境噪声背景上把它区分出来。在声呐方程中引入辐射噪声的声源级来描写辐射噪声的强弱，它定义为在声轴上距声学中心1m处的声强与参考强度之比的分贝数。舰船、潜艇和鱼雷的噪声源可分为三大类：①机械噪声，②螺旋桨噪声，③水动力噪声。在多数情况下，机械噪声和螺旋桨噪声是主要的辐射噪声。这两种噪声中哪一种更重要取决于频率、航速和深度。但在特殊情况下，如在结构部件或空腔被激励成线谱噪声源时，水动力噪声有可能成为主要噪声源。 ① 机械噪声。主机、辅机、空调设备等机械引起的噪声，它们可以看成是强线谱和弱连续谱的叠加。

②螺旋桨噪声。主要由螺旋桨的空化噪声和水流通过螺旋桨产生单频噪声分量所组成。空化噪声谱是连的，并存在一个峰，对舰船、潜艇，这个峰值通常在100～1000Hz范围内。空化噪声的正横方向明显大于船首尾方向。单频噪声分量包括频率较高的叶片共振(千赫范围)和频率较低的“叶片速率”线谱。 舰船辐射噪声是一种随机信号，包括有连续谱、线谱以及有规调制的动态谱，因而在频率域－时间域上表现出的特征有：谱、音色、节奏等。

信号处理

主要任务

信号处理的主要任务是：在背景干扰情况下，对水声场时空抽样，进行空间和时间变换，以提高检测所需信号的能力。 在20世纪50年代初，随着信息论、信号检测理论、计算技术和水声学其他分支的发展，水声信号处理的技术和理论也迅速发展，到60年代初，水声信号处理方面已掌握了谱分析、相关、匹配滤波器、多波束形成等多种技术。

随着电子计算机的迅速发展，水声信号处理有下列方面的进展：

①数字技术、自适应控制等成功地用于波束形成，使空间处理进入了一个新的阶段──多波束接收日益完善并能与环境干扰场自适应匹配。由单纯的空间处理走向时空最佳处理。

②考虑到水声传输信道的随时间、空间变化的随机特性，造成了在时间和频率上的弥散，已致力于解决与信道匹配接收的问题。

③目标识别取得突破性进展，开始走上实用阶段。④出现了机助目标检测跟踪和参量估值，并向自动检测方向发展。

时空最佳处理就是要最大限度地利用空间和时间两方面的信息，亦即信号和背景噪声在空间分布上的差异和时间或谱特征上的差异：

在空间方面，常规处理只利用了信号从某一方向来的信息（通过时延匹配，进行同相叠加），而最佳时空处理则还利用了噪声场的空间相关性质，它比常规处理多一个空间预白滤波器，其作用是利用噪声相关性来实现“噪声抵消”，尽可能地消除各路噪声之间的空间相关和削弱噪声功率。

在时间方面，常规处理只利用了信号和噪声的功率谱的谱级的差异；除此之外，最佳处理还利用了信号和噪声功率谱的形状上的差异。最佳时空处理器根据信号和噪声功率谱的形状构成了最佳预选滤波器。

由此可见，当干涉场是相关干扰时，最佳时空处理器将比常规的表现出显著的优越性。

最佳时空处理器的结构

最佳时空处理器的结构，在对抗平面波干涉的情况，可分为三个部分：

第一部分用消除平面波干扰，先用矩阵滤波器估计平面波干扰，提供平面波干扰时空采样的估计值，再与输入时空采样相减，抵消平面波干扰。

第二部分为波束形成器，用来在目标方向形成波束。

第三部分为时间处理，由白色滤波器和匹配滤波器构成。在海洋中经常遇到的是相关干扰场，用最佳处理可以获得良好的效果。已经实现了被动声呐的实时最佳处理。

在声呐中，实际的最佳系统必须能够不断地学习周围的环境，随时调整内部结构参量，使系统性能按某种准则而言尽可能随时接近于最佳。这样的系统称为自适应系统。用自适应方法实现的最佳基阵处理器称为自适应波束形成器。随着声呐信号处理技术发展，接收机输出数据率不断提高，靠声呐员来辨认出目标并测定其参量是很困难的，这就发展了机器辅助检测和自动检测的技术。虽然水声信号处理的理论不少与雷达的相似，但由于水声信道的复杂性，仍有许多不同之处。

水声学_哈尔滨工程大学_中国大学MOOC(慕课)

（1）我校的《水声学》是国内最早面向本科生开设的，拥有水声工程国家重点学科、第一批博士点、第一批博士后流动站、水声技术国家级重点实验室支撑；拥有一流的师资队伍、自编教材、国家级精品课程和国家精品资源共享课程支撑，始终引领着我国水声学尖端人才的培养。

（2）水声学是声学的一个分支学科，主要解决声波在水下的辐射、传播与接收过程中涉及的相关声学问题，包括声纳系统、海洋环境、声传播理论、海洋中的声传播规律、水下物体的声散射、海洋环境的声散射及海洋环境噪声等。

（3）水声学为水声工程专业核心课程，内容为水声领域的基础理论，具有很强的理论性，学习之前需要掌握一定的数理基础和声学基本概念。幕课中通过公式推导、案例教学等手段将复杂内容形象化，抽象问题具体化，使得学者通过自学就能够掌握本课程的主要内容。

（4）学习本课程后，学者将掌握简正波理论和射线声学理论、规则物体的声散射分析理论、海面海底的声散射分析理论，将能够应用所学理论揭示声波在海洋中的传播规律、分析海洋环境对声传播的影响规律、掌握水下物体的声散射能力、掌握海洋环境声散射强度的衰减规律、计算水下噪声强度，最终进行简单声纳系统的设计及工作特性分析。本课程的学习将为非水声专业本科生报考水声工程专业硕士研究生创造必要条件，也为水声工程专业硕士、博士研究生继续学习水声方向课程提供必要基础。

课程大纲

声纳方程

课时目标：

学习目标：深入认识水声学课程和声纳系统，熟练掌握本章重点知识点，能够运用声纳方程分析解决具体实际问题。学习时长：两周

1.1 水声学的发展

1.2 水声学的研究对象

1.3 水声学的主要应用

1.4 水声学课程介绍

1.5 声纳系统的概念

1.6 声纳参数（I、II）

1.7 声纳方程

1.8 组合声纳参数

1.9 发射换能器阵的指向性（I、II）

1.10 接收换能器阵的指向性

1.11 阵增益

第1单元测验

海洋的声学特性

课时目标：

学习目标：深入认识海洋的声学特性，熟练掌握本章重点知识点，能够将海洋的声学特性与水声学研究有机结合。学习时长：一周

2.1 海水中的声速

2.2.1 海水中的声传播衰减 I

2.2.2 海水中的声传播衰减 II

2.3.1 海底的声散射

2.3.2 海底的声反射特性

2.3.3 海底沉积物声速频散与衰减

2.4 海面的声学特性

第2单元测验

海洋中的声传播理论

课时目标：

学习目标：深入认识简正波理论与射线声学理论，熟练掌握本章重点知识点，能够运用这两种理论分析解决简单环境中的声传播问题。学习时长：两周

3.1 波动方程

3.2 定解条件

3.3 分离变量法

3.4 硬底均匀浅海的简正波

3.5 硬底均匀浅海声场

3.6 液态海底均匀浅海声场

3.7 射线声学基础

3.8 射线声学的基本方程和应用条件

3.9.1 程函方程的不同表示形式

3.9.2 程函方程的应用

3.10 强度方程的物理意义

3.11 射线声学声强基本公式

3.12 Snell定律与声线轨迹

3.13 声线传播距离与传播时间

3.14 波动理论与射线理论的比较

第3单元测验

典型环境中的声传播特性

课时目标：

学习目标：深入认识典型环境中的声传播衰减规律，熟练掌握本章重点知识点，具备分析常见海洋环境中的声传播特性的能力。学习时长：两周

4.1 邻近海面的水下点源声场

4.2 表面声道的声线参数

4.3.1 表面声道的声传播特性 I

4.3.2 表面声道的声传播特性 II

4.4 深海声道的声传播特性

4.5 深海负梯度与负跃层的声传播特性

4.6 硬底均匀浅海声场的虚源表示

4.7 弹性海底均匀浅海声场的虚源表示

第4单元测验

声波在目标上的反射和散射

课时目标：

学习目标：深入认识声纳目标的声散射特性，熟练掌握本章重点知识点，具备运用所学知识解决简单海洋环境中简单目标的声散射问题的能力。学习时长：两周

5.1 刚性大球的目标强度

5.2 潜艇的目标强度

5.3 目标强度的实验测量方法

5.4 目标回波的形成及特征

5.5 刚性球体的散射声场

5.6 弹性球体的散射声场

5.7 Helmholtz 积分方法

第5单元测验

海洋中的混响

课时目标：

学习目标：深入认识海洋混响的特点及对声纳系统的影响，熟练掌握本章重点知识点，具备运用所学知识解决简单波导中的混响建模问题的能力。学习时长：一周

6.1 海洋混响基本概念

6.2 体积混响

6.3 海水中气泡的声学特性

6.4 海面混响

6.5 海底混响

6.6 混响的统计特性

6.7 主动声纳方程的应用

第6单元测验

水下噪声

课时目标：

学习目标：深入认识海洋环境噪声的特点及对声纳系统的影响，熟练掌握本章重点知识点，具备运用所学知识解决简单噪声场建模问题的能力。学习时长：一周

7.1 噪声的基本概念

7.2 海洋环境噪声

7.3 均匀各向同性噪声空间相关特性

7.4 被动声纳方程的应用

7.5.1 舰船、潜艇和鱼雷的辐射噪声 I

7.5.2 舰船、潜艇和鱼雷的辐射噪声 II

7.6 舰船、潜艇和鱼雷的自噪声

7.7 舰船噪声控制简介

第7单元测验

声传播起伏

课时目标：

学习目标：了解实际海洋环境中的声传播特性及对声纳工作性能的影响、课程内容与实际工程应用的差别、未来继续学习和努力的方向。学习时长：一周

8.1 海水温度的随机不均匀性和声传播起伏

8.2 介质随机不均匀性的声散射引起的声传播起伏

8.3 随机界面上的声散射和声传播起伏

预备知识

（1）大学物理

（2）高等数学，复变函数，概率论与数理统计，数学物理方法，计算方法

（3）声学基础

参考资料

课程教材：

[1] 刘伯胜，黄益旺，陈文剑，雷家煜.水声学原理（第三版）.科学出版社，2019.11

课程参考资料：

[2] A. D. Waite著，王德石译.实用声纳工程（第三版）.电子工业出版社，2004

[3] 周福洪.水声换能器及基阵.国防工业出版社，1984

[4] Darrell R. Jackson,Michael D. Richardson著，刘保华，阚光明等译.高频海底声学.海洋出版社，2014

[5] R. J. 尤立克著，洪申译.水声原理.哈尔滨船舶工程学院出版社，1989

[6] 汪德昭，尚尔昌.水声学（第二版）.科学出版社，2013

[7] 海洋气候声学测量（ATOC）: Munk W H,Spindel R C,Baggeroer A,Birdsall T G.The Heard Island feasibility test[J]. JASA, 1994,96(4):2330-2342.

[8] 声学学报.科学出版社，1964-，哈尔滨工程大学图书馆报刊阅览室

[9] 美国声学学报（The Journal of the Acoustical Society of America）.美国物理联合会，1929-，哈尔滨工程大学图书馆西文期刊阅览室

[10] Ocean Acoustic Library: https://oalib-acoustics.org/

[11] MOOC《振动与声基础》: https://www.icourse163.org/course/HRBEU-1205914803