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水声学的历史发展

归档日期:09-18       文本归类:导航声纳      文章编辑:爱尚语录

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  水声学是声学的一个分支学科。它主要研究声波在水下的产生、传播和接收,用以解决与水下目标探测和信息传输过程有关的声学问题。声波是已知的唯一能够在水中远距离传播的波动,在这方面远比电磁波(如无线电波、光波等)好,水声学随着海洋的开发和利用发展起来,并得到了广泛的应用。

  1827年左右,瑞士和法国的科学家首次相当精确地测量了水中声速。1912年“巨人”号客轮同冰山相撞而沉没,促使一些科学家研究对冰山回声定位,这标志了水声学的诞生。

  美国的费森登设计制造了电动式水声换能器,1914年就能探测到两海里远的冰山。1918年,朗之万制成压电式换能器,产生了超声波,并应用了当时刚出现的真空管放大技术,进行水中远程目标的探测,第一次收到了潜艇的回波,开创了近代水声学,也由此发明了声呐。 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。

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