《声探测技术》PPT课件.ppt

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1、声探测技术声探测技术:利用目标发出或反射的声波利用目标发出或反射的声波,对其进行测量对其进行测量,从从而进行识别、定位和跟踪等。而进行识别、定位和跟踪等。主动式：探测器发出特定形式的声波，并接收目主动式：探测器发出特定形式的声波，并接收目标反射的回波，以发现目标和对其定位。标反射的回波，以发现目标和对其定位。主要用于探测水面和水下目标，通常采用超声主要用于探测水面和水下目标，通常采用超声波。波。被动式：直接接收目标发出的声音，发现目标并被动式：直接接收目标发出的声音，发现目标并对其定位。对其定位。可在水中和空气中使用，但易受其它声源的干可在水中和空气中使用，但易受其它声源的干扰。扰。第三章声探

2、测技术第三章声探测技术声波：声源体发生振动会引起四周空气振荡，那声波：声源体发生振动会引起四周空气振荡，那种振荡方式就是声波。声以波的形式传播着种振荡方式就是声波。声以波的形式传播着,我们把它叫做声波。我们把它叫做声波。声波借助空气向四面八方传播。在开阔空间的空声波借助空气向四面八方传播。在开阔空间的空气中那种传播方式像逐渐吹大的肥皂泡，是气中那种传播方式像逐渐吹大的肥皂泡，是一种球形的阵面波。一种球形的阵面波。要能听到声音也必须有传播声音的介质。除了空要能听到声音也必须有传播声音的介质。除了空气，水、金属、木头等也都能够传递声波，气，水、金属、木头等也都能够传递声波，它们都是声波的良好媒质。

3、它们都是声波的良好媒质。*在真空状态中声波能否传播？在真空状态中声波能否传播？3.1 3.1 声传播特性及其在军事上的应用声传播特性及其在军事上的应用所有物体的振动所发出的声音我们都能听所有物体的振动所发出的声音我们都能听到吗？到吗？声音是指可听声波的特殊情形，例如对于声音是指可听声波的特殊情形，例如对于人耳的可听声波，当那种阵面波达到人人耳的可听声波，当那种阵面波达到人耳位置的时候，人的听觉器官会有相应耳位置的时候，人的听觉器官会有相应的声音感觉。的声音感觉。声波：人对声音的感觉频率范围，即：声波：人对声音的感觉频率范围，即：每秒钟振动每秒钟振动2020次到次到2000020000次范围内，

4、次范围内，次声波次声波 20Hz-20000Hz 20Hz-20000Hz 超声波超声波3.1 3.1 声传播特性及其在军事上的应用声传播特性及其在军事上的应用声波是机械波，不是冲击波（与声波是机械波，不是冲击波（与“气流气流”不同），声波前进的过程是相邻空气粒不同），声波前进的过程是相邻空气粒子之间的接力赛，它们把波动形式向前子之间的接力赛，它们把波动形式向前传递，它们自己仍旧在原地振荡，也就传递，它们自己仍旧在原地振荡，也就是说空气粒子并不跟着声波前进！是说空气粒子并不跟着声波前进！“声源声源”在空气中振动时，一会儿压缩空在空气中振动时，一会儿压缩空气，使其变得气，使其变得“稠密稠密”；一

5、会儿空气膨；一会儿空气膨胀，变得胀，变得“稀疏稀疏”，形成一系列疏、密，形成一系列疏、密变化的波，将振动能量传送出去。这种变化的波，将振动能量传送出去。这种媒介质点的振动方向与波的传播方向一媒介质点的振动方向与波的传播方向一致的波，称为致的波，称为“纵波纵波”。3.1 3.1 声传播特性及其在军事上的应用声传播特性及其在军事上的应用3.1 3.1 声传播特性及其在军事上的应用声传播特性及其在军事上的应用声波在三维空间传播的波动方程：声波在三维空间传播的波动方程：式中式中 u-u-振幅，振幅，c c音速。音速。其球面坐标形式为：其球面坐标形式为：声波具有反射、折射、绕射和散射的特性；声波具有反射

6、、折射、绕射和散射的特性；频率越低（波长越大）：波动性（绕射和频率越低（波长越大）：波动性（绕射和散射）显著，而方向性却差（传输距离散射）显著，而方向性却差（传输距离近）；近）；频率越高（波长越短）：波动性（绕射和频率越高（波长越短）：波动性（绕射和散射）差，而方向性却好（传输距离远）散射）差，而方向性却好（传输距离远）。3.1 3.1 声传播特性及其在军事上的应用声传播特性及其在军事上的应用一、声压、声强与声强级一、声压、声强与声强级声压声压：声音传播引起空气的疏密变化，从而：声音传播引起空气的疏密变化，从而引起气压的变化，该压力与大气压的差值。引起气压的变化，该压力与大气压的差值。当声波的

7、位移为：当声波的位移为：时，时，声压为：声压为：式中式中 B B空气的体积弹性模量，空气的体积弹性模量，B=142kPaB=142kPa；U U声波位移的振幅；声波位移的振幅；-声波的角频率；声波的角频率；k k灵敏度系数。灵敏度系数。3.1 3.1 声传播特性及其在军事上的应用声传播特性及其在军事上的应用声强：是垂直于传播方向的单位面积上声强：是垂直于传播方向的单位面积上声波所传递的能量随时间的变化率，也声波所传递的能量随时间的变化率，也就是单位面积上输送的平均功率。对于就是单位面积上输送的平均功率。对于振动速度为振动速度为 的声波：的声波：所以所以式中式中 空气密度，空气密度，声强单位声强

8、单位3.1 3.1 声传播特性及其在军事上的应用声传播特性及其在军事上的应用3.1 3.1 声传播特性及其在军事上的应用声传播特性及其在军事上的应用声强级声强级：由于人耳能感觉到的声强范围很大，：由于人耳能感觉到的声强范围很大，采用对数强度表示更方便。定义如下：采用对数强度表示更方便。定义如下：式中式中 -任选的参考强度，通常为任选的参考强度，通常为10-2010-20 -对应的声压对应的声压,大约相当于最若的可听大约相当于最若的可听的声音的声音,单位用单位用dBdB表示表示.3.1 3.1 声传播特性及其在军事上的应用声传播特性及其在军事上的应用二、声传播速度及湿度、温度的影响二、声传播速度

9、及湿度、温度的影响声速与媒介温度有关，理想的干燥、清洁空气中声音传声速与媒介温度有关，理想的干燥、清洁空气中声音传播速度与温度关系：播速度与温度关系：式中式中 热特性系数，热特性系数，1.4;1.4;R R气体常数气体常数,R=8314.32J/(kmol.K);,R=8314.32J/(kmol.K);T T空气绝对温度；空气摄氏温度；空气绝对温度；空气摄氏温度；干燥、清洁空气摩尔质量，干燥、清洁空气摩尔质量，28.9644 kg/kmol.28.9644 kg/kmol.湿度对声速的影响：湿度对声速的影响：2020时，时，相对湿度从变化到所引起相对湿度从变化到所引起的声速变化约为；的声速变

10、化约为；相对湿度从变化到所引相对湿度从变化到所引起的声速变化仅为；起的声速变化仅为；一般湿度变化不是特别大，可以忽略一般湿度变化不是特别大，可以忽略3.1 3.1 声传播特性及其在军事上的应用声传播特性及其在军事上的应用3.1 3.1 声传播特性及其在军事上的应用声传播特性及其在军事上的应用三、空气中声波的衰减三、空气中声波的衰减空气中空气中,水和灰尘对声波的影响表现为使声波衰减水和灰尘对声波的影响表现为使声波衰减,传声器接收到的声能传声器接收到的声能E E成指数衰减成指数衰减:式中式中 -声源处的声能声源处的声能;R;R距声源的距离距声源的距离.;.;a a吸收系数吸收系数.3.1 3.1

11、声传播特性及其在军事上的应用声传播特性及其在军事上的应用其中吸收系数为其中吸收系数为:式中式中 -参考压力参考压力,;,;-大气压大气压,N/m2;,N/m2;T0-T0-参考温度参考温度,T0=273.15K;,T0=273.15K;T-T-气温气温,K;f,K;f 声波频率声波频率.在湿度在湿度20%20%、温度、温度20%20%，标准大气压下，标准大气压下，不同频率声波的大气吸收系数参见不同频率声波的大气吸收系数参见P28P28图图3-13-1。四、多普勒效应四、多普勒效应当声源或听者当声源或听者,或两者都相对于空气运动时或两者都相对于空气运动时,听者听到的音调听者听到的音调(频率频率)

12、,),同声源与听者都同声源与听者都处于静止时所到的音调一般是不同的处于静止时所到的音调一般是不同的,这种现象叫多普勒效应。这种现象叫多普勒效应。特例：速度的方向在声源和听者连线上，特例：速度的方向在声源和听者连线上，分别表示听者和声源相对空气的速分别表示听者和声源相对空气的速度，听者听到的度，听者听到的 声音频率与声源声音频率与声源 频率的关系：频率的关系：3.1 3.1 声传播特性及其在军事上的应用声传播特性及其在军事上的应用当速度的方向不在声源和听者连线上，当速度的方向不在声源和听者连线上，分别表示听者和声源相对空气的速分别表示听者和声源相对空气的速度的投影，听者听到的度的投影，听者听到的

13、 声音频率与声源声音频率与声源 频率的关系仍为：频率的关系仍为：3.1 3.1 声传播特性及其在军事上的应用声传播特性及其在军事上的应用五、风对声音传播的影响五、风对声音传播的影响 在静止等温的空气中在静止等温的空气中,点声源点声源 发出的声发出的声波以球面波形式向外传播波以球面波形式向外传播,其各时刻的波振面其各时刻的波振面是一系列以声速增大的同心球是一系列以声速增大的同心球,即即t t时刻球振面时刻球振面满足满足:因此因此,声源到目标的传播时间为该段距离与声速之声源到目标的传播时间为该段距离与声速之比比,即即:式中式中 -波阵面与声源波阵面与声源S S之间的距离之间的距离.3.1 3.1

14、声传播特性及其在军事上的应用声传播特性及其在军事上的应用但在恒定的气流场但在恒定的气流场(风风)中中,声波除了以球面波声波除了以球面波形式向外传播的同时形式向外传播的同时,还顺者风向以风速还顺者风向以风速 漂移漂移.设风向为设风向为,同时忽较小的风的垂直分量同时忽较小的风的垂直分量,则则t t时时刻球振面满足刻球振面满足:3.1 3.1 声传播特性及其在军事上的应用声传播特性及其在军事上的应用此时此时,声波的波振面为一系列非同心圆声波的波振面为一系列非同心圆,半径与半径与静止空气中传播相同静止空气中传播相同,但圆心顺着风向以但圆心顺着风向以风速风速 移动移动.此时此时,声源到原点的传播时间为声

15、源到原点的传播时间为:式中式中 -波阵面与声源波阵面与声源S S之间的距离之间的距离.3.1 3.1 声传播特性及其在军事上的应用声传播特性及其在军事上的应用六、声探测在军事中的主要应用六、声探测在军事中的主要应用水下声探测：水下声探测：主要是声纳系统：主要是声纳系统：利用声波在水中衰减小、速度较快的特利用声波在水中衰减小、速度较快的特点，设计出大量的主动、被动的声纳系点，设计出大量的主动、被动的声纳系统和海底预警系统，用于潜艇探测目标、统和海底预警系统，用于潜艇探测目标、导航和反潜作战等。导航和反潜作战等。3.1 3.1 声传播特性及其在军事上的应用声传播特性及其在军事上的应用地面空气声探测

16、：地面空气声探测：一、警戒与侦察一、警戒与侦察 对轻型飞机和直升机的远距离警戒；对轻型飞机和直升机的远距离警戒；炮位侦察；战场侦察等；炮位侦察；战场侦察等；二、攻击型武器系统二、攻击型武器系统 反坦克智能雷弹；反坦克智能雷弹；反直升机智能雷弹等。反直升机智能雷弹等。3.1 3.1 声传播特性及其在军事上的应用声传播特性及其在军事上的应用一、传声器及其阵列一、传声器及其阵列（一）传声器的种类及其特性（一）传声器的种类及其特性传声器传声器:将声信号将声信号(机械能机械能)转换成相应电信号转换成相应电信号(电能电能)的换能的换能器器,即麦克风即麦克风.类型类型:动圈式、压电式动圈式、压电式:频率响应

17、和稳定性较差，在测量中很少使用；频率响应和稳定性较差，在测量中很少使用；电容式电容式:灵敏度高、频率响应宽、动态范围大、稳定性好等，灵敏度高、频率响应宽、动态范围大、稳定性好等，但需要极化电压（约但需要极化电压（约220V220V）才能工作；）才能工作；驻极体式驻极体式:不需要极化电压，其它性能与电容式接近；不需要极化电压，其它性能与电容式接近；抗潮性好，成本低廉，具有很好发展前景。抗潮性好，成本低廉，具有很好发展前景。3.2 3.2 声探测系统声探测系统（二）传声器的方向性（二）传声器的方向性单个传感器对于低频信号是无方向的；单个传感器对于低频信号是无方向的；只有对只有对10KHz10KHz

18、以上的信号才呈现一定的方以上的信号才呈现一定的方向性，且频率越高，方向性越强；向性，且频率越高，方向性越强；对目标的定向采用的方式：对目标的定向采用的方式：导向筒导向筒 合成方向图合成方向图 利用几何关系利用几何关系3.2 3.2 声探测系统声探测系统1 1、采用导向筒、采用导向筒原理：在传声器前加一个导向筒，利用导向筒的原理：在传声器前加一个导向筒，利用导向筒的内壁吸收其它方向的声波，实现方向性。内壁吸收其它方向的声波，实现方向性。缺点：缺点：加导向筒使其转动惯量增大；加导向筒使其转动惯量增大；声波衰减较大；声波衰减较大；方向性不好；方向性不好；实用性：难以满足技战术要求。实用性：难以满足技

19、战术要求。3.2 3.2 声探测系统声探测系统2 2、采用合成波束、采用合成波束原理：利用声波到达传声器阵列的各传声器时间原理：利用声波到达传声器阵列的各传声器时间差（时延）与方向有关，其中一个方向的信差（时延）与方向有关，其中一个方向的信号得到最大的增强，而其它方向的信号增强号得到最大的增强，而其它方向的信号增强较小，形成波束的方向性，与信号的频率、较小，形成波束的方向性，与信号的频率、阵元个数及基阵大小有关；阵元个数及基阵大小有关；优缺点：优缺点：对于频率较低的信号，当阵元较少及基阵较小对于频率较低的信号，当阵元较少及基阵较小时，难以满足测向精度的要求；时，难以满足测向精度的要求；实用性：

20、一般。实用性：一般。3.2 3.2 声探测系统声探测系统3 3、利用几何关系、利用几何关系原理：利用声波到达传声器阵列的各传声原理：利用声波到达传声器阵列的各传声器时间差（时延）与方向有关，通过几器时间差（时延）与方向有关，通过几何关系求解目标的位置；何关系求解目标的位置；优缺点：优缺点：系统简单，成本低，准确可靠；系统简单，成本低，准确可靠；实用性：较好。实用性：较好。3.2 3.2 声探测系统声探测系统（三）传声器阵列（三）传声器阵列线阵：只能对阵列所在直线的半个平面进线阵：只能对阵列所在直线的半个平面进行定位（地面目标）；行定位（地面目标）；面阵：对阵列所在整个平面进行定位（地面阵：对阵

21、列所在整个平面进行定位（地面目标），也可对阵列所在平面为界的面目标），也可对阵列所在平面为界的半个空间进行定位（空中目标）半个空间进行定位（空中目标）；立体阵：可对整个空间进行定位。立体阵：可对整个空间进行定位。3.2 3.2 声探测系统声探测系统由由n n个传声器阵列可以得到个传声器阵列可以得到n-1n-1个独立的时延；个独立的时延；确定平面目标的位置（距离和方位角）至少需要确定平面目标的位置（距离和方位角）至少需要3 3个传声器；个传声器；确定空间目标的位置（距离、方位角和高低角）确定空间目标的位置（距离、方位角和高低角）至少需要不在一条直线上至少需要不在一条直线上4 4个传声器；个传声器

22、；确定空间目标的方向（方位角和高低角）至少需确定空间目标的方向（方位角和高低角）至少需要不在一条直线上要不在一条直线上3 3个传声器；个传声器；为了使定位具有全方位性，一般采用正多边形阵为了使定位具有全方位性，一般采用正多边形阵列。列。3.2 3.2 声探测系统声探测系统二、声探测系统设计二、声探测系统设计基本方法：基本方法：1 1、功能设计、功能设计 系统所需功能设计系统所需功能设计2 2、原理设计、原理设计 了解各功能所用元器件及其参数电气特性，利了解各功能所用元器件及其参数电气特性，利用电路设计工具（用电路设计工具（ProtelProtel等）设计原理图；等）设计原理图；3 3、电路板设

23、计、电路板设计 在原理图的基础上利用电路设计工具，设计电在原理图的基础上利用电路设计工具，设计电路板；路板；4 4、安装调试。、安装调试。3.2 3.2 声探测系统声探测系统声探测系统功能设计声探测系统功能设计传声器及其阵列传声器及其阵列-3.2 3.2 声探测系统声探测系统声探测系统基本功能结构图声探测系统基本功能结构图作业：作业：1 1、搜集几种（至少三种）声传感器器件，、搜集几种（至少三种）声传感器器件，分析并了解掌握其结构和工作原理。分析并了解掌握其结构和工作原理。2 2、搜集一种声传感器探测系统，分析并了、搜集一种声传感器探测系统，分析并了解掌握其系统结构和工作原理。解掌握其系统结构和工作原理。EmailEmail至至:3.2 3.2 声探测系统声探测系统