《声探测技术》PPT课件.ppt

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1、声探测技术:利用目标发出或反射的声波,对其进行测量,从而进行识别、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，通常采用超声波。被动式：直接接收目标发出的声音，发现目标并对其定位。可在水中和空气中使用，但易受其它声源的干扰。,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。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。除了空气，水、金属、木头等也都能够传递声波，它们

2、都是声波的良好媒质。*在真空状态中声波能否传播？,3.1 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到吗？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耳位置的时候，人的听觉器官会有相应的声音感觉。声波：人对声音的感觉频率范围，即：每秒钟振动20次到20000次范围内，次声波 20Hz-20000Hz 超声波,3.1 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“气流”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！“声源”在空气中振动时，一会儿压缩

3、空气，使其变得“稠密”；一会儿空气膨胀，变得“稀疏”，形成一系列疏、密变化的波，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致的波，称为“纵波”。,3.1 声传播特性及其在军事上的应用,3.1 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：式中 u-振幅，c音速。其球面坐标形式为：,声波具有反射、折射、绕射和散射的特性；频率越低（波长越大）：波动性（绕射和散射）显著，而方向性却差（传输距离近）；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）。,3.1 声传播特性及其在军事上的应用,一、声压、声强与声强级声压：声音传播引起空气的疏密变化，从而

4、引起气压的变化，该压力与大气压的差值。当声波的位移为：时，声压为：式中 B空气的体积弹性模量，B=142kPa；U声波位移的振幅；-声波的角频率；k灵敏度系数。,3.1 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。对于振动速度为的声波：所以式中 空气密度，声强单位,3.1 声传播特性及其在军事上的应用,3.1 声传播特性及其在军事上的应用,声强级：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：式中-任选的参考强度，通常为10-20-对应的声压,大约相当于最若的可听的声音,单位用dB表示.,3

5、.1 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：式中热特性系数，1.4;R气体常数,R=8314.32J/(kmol.K);T空气绝对温度；空气摄氏温度；干燥、清洁空气摩尔质量，28.9644 kg/kmol.,湿度对声速的影响：20时，相对湿度从变化到所引起的声速变化约为；相对湿度从变化到所引起的声速变化仅为；一般湿度变化不是特别大，可以忽略,3.1 声传播特性及其在军事上的应用,3.1 声传播特性及其在军事上的应用,三、空气中声波的衰减空气中,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E成指

6、数衰减:式中-声源处的声能;R距声源的距离.;a吸收系数.,3.1 声传播特性及其在军事上的应用,其中吸收系数为:式中-参考压力,;-大气压,N/m2;T0-参考温度,T0=273.15K;T-气温,K;f 声波频率.在湿度20%、温度20%，标准大气压下，不同频率声波的大气吸收系数参见P28图3-1。,四、多普勒效应当声源或听者,或两者都相对于空气运动时,听者听到的音调(频率),同声源与听者都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。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度，听者听到的 声音频率与声源 频率的关系：,3.1 声传播特性及其在军事上的应

7、用,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度的投影，听者听到的 声音频率与声源 频率的关系仍为：,3.1 声传播特性及其在军事上的应用,五、风对声音传播的影响 在静止等温的空气中,点声源 发出的声波以球面波形式向外传播,其各时刻的波振面是一系列以声速增大的同心球,即t时刻球振面满足:因此,声源到目标的传播时间为该段距离与声速之比,即:式中-波阵面与声源S之间的距离.,3.1 声传播特性及其在军事上的应用,但在恒定的气流场(风)中,声波除了以球面波形式向外传播的同时,还顺者风向以风速漂移.设风向为,同时忽较小的风的垂直分量,则t时刻球振面满足:,3.1 声传播特性及其在

8、军事上的应用,此时,声波的波振面为一系列非同心圆,半径与静止空气中传播相同,但圆心顺着风向以风速移动.此时,声源到原点的传播时间为:式中-波阵面与声源S之间的距离.,3.1 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水下声探测：主要是声纳系统：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、被动的声纳系统和海底预警系统，用于潜艇探测目标、导航和反潜作战等。,3.1 声传播特性及其在军事上的应用,地面空气声探测：一、警戒与侦察 对轻型飞机和直升机的远距离警戒；炮位侦察；战场侦察等；二、攻击型武器系统 反坦克智能雷弹；反直升机智能雷弹等。,3.1 声传播特性及其在军事上的应

9、用,一、传声器及其阵列（一）传声器的种类及其特性传声器:将声信号(机械能)转换成相应电信号(电能)的换能器,即麦克风.类型:动圈式、压电式:频率响应和稳定性较差，在测量中很少使用；电容式: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220V）才能工作；驻极体式: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。,3.2 声探测系统,（二）传声器的方向性单个传感器对于低频信号是无方向的；只有对10KHz以上的信号才呈现一定的方向性，且频率越高，方向性越强；对目标的定向采用的方式：导向筒 合成方向图 利用几何关系,3.2 声探测系统,1、采用导向筒原理

10、：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。缺点：加导向筒使其转动惯量增大；声波衰减较大；方向性不好；实用性：难以满足技战术要求。,3.2 声探测系统,2、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；优缺点：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；实用性：一般。,3.2 声探测系统,3、利用几何关系原理：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，通过几何关系求解目标的位置；优

11、缺点：系统简单，成本低，准确可靠；实用性：较好。,3.2 声探测系统,（三）传声器阵列线阵：只能对阵列所在直线的半个平面进行定位（地面目标）；面阵：对阵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。,3.2 声探测系统,由n个传声器阵列可以得到n-1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3个传声器；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4个传声器；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3个传声器；为了使定位具有全方位性，一般采用正多边形阵列。,3.2 声探测系统,二、声探测系统设计基本方法：1、功能设计 系统所需功能设计2、原理设计 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（Protel等）设计原理图；3、电路板设计 在原理图的基础上利用电路设计工具，设计电路板；4、安装调试。,3.2 声探测系统,声探测系统功能设计传声器及其阵列-,3.2 声探测系统,声探测系统基本功能结构图,作业：1、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。2、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。Email至:,3.2 声探测系统,