水声学

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摘要

介绍水声学的研究内容,产生背景、发展史,及现代在海洋方面的应用。

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。

20世纪60年代以来,为了实现声呐的远程探测,发展了不少新的换能材料、结构振动方式和换能机理;发展了工作在低频、宽带、大功率和深水中的发射器,具有高灵敏度、宽带、低噪声等性能的水听器;出现了新型的水声换能器,如复合压电陶瓷水听器、凹型弯张换能器、利用亥姆霍兹共鸣器原理制成的低频水听器、应用射流开关技术的调制流体式换能器、声光换能器等。

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。

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。

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。

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