聲學(xué)和水聲學(xué)測量技術(shù)應(yīng)用

1、聲學(xué)和水聲學(xué)測量技術(shù)應(yīng)用任意波形發(fā)生器實驗?zāi)康膶嶒災(zāi)康?熟悉任意波形發(fā)生器，用任意波形發(fā)生器產(chǎn)生常用波熟悉任意波形發(fā)生器，用任意波形發(fā)生器產(chǎn)生常用波形信號，并學(xué)會使用軟件產(chǎn)生需要的任意波形信號形信號，并學(xué)會使用軟件產(chǎn)生需要的任意波形信號實驗原理采用任意波形發(fā)生器內(nèi)置的常用信號，只需采用任意波形發(fā)生器內(nèi)置的常用信號，只需要設(shè)置發(fā)射波形類型、頻率、幅值，即可產(chǎn)生要設(shè)置發(fā)射波形類型、頻率、幅值，即可產(chǎn)生我們需要的常用信號，如正弦波、矩形波、三我們需要的常用信號，如正弦波、矩形波、三角波以及角波以及sinc等特殊函數(shù)波形。等特殊函數(shù)波形。將任意波形發(fā)生器連接電腦，可利用配套軟將任意波形發(fā)生器連接電腦，

2、可利用配套軟件繪制出任意我們需要產(chǎn)生的波形（甚至不規(guī)件繪制出任意我們需要產(chǎn)生的波形（甚至不規(guī)則的）并下載到任意波形發(fā)生器上產(chǎn)生波形。則的）并下載到任意波形發(fā)生器上產(chǎn)生波形。FFT分析儀的應(yīng)用實驗?zāi)康膶嶒災(zāi)康?通過本實驗學(xué)會利用數(shù)字示波器將輸入的時域信號進(jìn)通過本實驗學(xué)會利用數(shù)字示波器將輸入的時域信號進(jìn)行頻譜分析行頻譜分析實驗原理與方法實驗原理與方法由信號發(fā)生器產(chǎn)生信號，作為數(shù)字示波器的由信號發(fā)生器產(chǎn)生信號，作為數(shù)字示波器的輸入源，利用數(shù)字示波器內(nèi)置的傅立葉變換模輸入源，利用數(shù)字示波器內(nèi)置的傅立葉變換模塊功能，將其轉(zhuǎn)化為頻域上的分布圖像，確定塊功能，將其轉(zhuǎn)化為頻域上的分布圖像，確定其頻率成份。其頻

3、率成份。用聲級計測量噪聲實驗?zāi)康膶嶒災(zāi)康?了解噪聲的量度和評價，熟悉用聲級計測量噪聲聲級了解噪聲的量度和評價，熟悉用聲級計測量噪聲聲級的方法。的方法。實驗原理與方法實驗原理與方法定義噪聲聲壓級定義噪聲聲壓級Lp=20lg(P/P0) dB 噪聲對人影響大小，要由人們主觀感受來衡噪聲對人影響大小，要由人們主觀感受來衡量，人耳聽聲，雖說聲壓越大，聲音越響，但量，人耳聽聲，雖說聲壓越大，聲音越響，但聲壓與人耳感覺的響度并不是成正比關(guān)系，而聲壓與人耳感覺的響度并不是成正比關(guān)系，而是成對數(shù)關(guān)系。是成對數(shù)關(guān)系。測量方法：噪聲源發(fā)出的噪聲，由聲級計直測量方法：噪聲源發(fā)出的噪聲，由聲級計直接測量。接測量。脈沖

4、循環(huán)法測量液體的聲速實驗?zāi)康膶嶒災(zāi)康?了解脈沖循環(huán)法測量聲速的原理和具體實施方法了解脈沖循環(huán)法測量聲速的原理和具體實施方法 了解聲速與水媒質(zhì)的溫度、鹽度和壓力的依賴關(guān)系了解聲速與水媒質(zhì)的溫度、鹽度和壓力的依賴關(guān)系 學(xué)會聲速測量數(shù)據(jù)的分析和處理方法，并找出它的經(jīng)學(xué)會聲速測量數(shù)據(jù)的分析和處理方法，并找出它的經(jīng)驗公式驗公式實驗原理與方法實驗原理與方法脈沖循環(huán)法測量聲速是以測量某一固定距離脈沖循環(huán)法測量聲速是以測量某一固定距離L之間聲傳播所需的時間之間聲傳播所需的時間T為基礎(chǔ)為基礎(chǔ) C=2L/T=2Lf純水中的聲速純水中的聲速23艦船及海洋環(huán)境噪聲的頻譜分析艦船及海洋環(huán)境噪聲的頻譜分析實驗?zāi)康膶嶒災(zāi)康?/p>

5、 了解艦船及海洋環(huán)境噪聲頻譜的基本特性了解艦船及海洋環(huán)境噪聲頻譜的基本特性 掌握噪聲信號的采集及頻譜分析的基本方法掌握噪聲信號的采集及頻譜分析的基本方法實驗原理與方法實驗原理與方法海洋噪聲來源：動力噪聲、冰下噪聲、生物噪聲、地震噪聲、工業(yè)海洋噪聲來源：動力噪聲、冰下噪聲、生物噪聲、地震噪聲、工業(yè)噪聲噪聲艦船噪聲的頻譜特性艦船噪聲的頻譜特性 機(jī)械噪聲：主機(jī)、輔機(jī)和各種空調(diào)設(shè)備產(chǎn)生的機(jī)械振動，它通過機(jī)械噪聲：主機(jī)、輔機(jī)和各種空調(diào)設(shè)備產(chǎn)生的機(jī)械振動，它通過船殼輻射到海中船殼輻射到海中 螺旋槳噪聲：螺旋槳轉(zhuǎn)動產(chǎn)生水介質(zhì)空化引起的空化噪聲，及它的螺旋槳噪聲：螺旋槳轉(zhuǎn)動產(chǎn)生水介質(zhì)空化引起的空化噪聲，及它的

6、劃水聲和渦流聲劃水聲和渦流聲 水動力噪聲：水流過船殼產(chǎn)生的摩擦及附件產(chǎn)生共振所輻射的聲音水動力噪聲：水流過船殼產(chǎn)生的摩擦及附件產(chǎn)生共振所輻射的聲音海洋噪聲是由各種原因產(chǎn)生的，并且受到許多因海洋噪聲是由各種原因產(chǎn)生的，并且受到許多因素綿影響。整個噪聲級的變化趨勢是隨素綿影響。整個噪聲級的變化趨勢是隨f增加而下增加而下降，在降，在1Hz到到100KHz范圍內(nèi)變化范圍內(nèi)變化120103dB，但就某一頻率而言，其動態(tài)范圍在但就某一頻率而言，其動態(tài)范圍在4060dB，在，在低頻段，一般下降較陡，每倍頻程下降低頻段，一般下降較陡，每倍頻程下降810dB，在在100Hz20KHz范圍是目前水聲工作中較常用范

7、圍是目前水聲工作中較常用的頻段，它的噪聲級高達(dá)的頻段，它的噪聲級高達(dá)6070dB，與風(fēng)力大小，與風(fēng)力大小關(guān)系最密切，低頻段還與艦船噪聲的大小有關(guān)，關(guān)系最密切，低頻段還與艦船噪聲的大小有關(guān)，一般隨頻率的增加而下降。在高頻段的風(fēng)噪聲，一般隨頻率的增加而下降。在高頻段的風(fēng)噪聲，反而隨頻率增高而增強(qiáng)，每倍頻程增大反而隨頻率增高而增強(qiáng)，每倍頻程增大6dB淺海聲脈沖傳播包絡(luò)起伏特性淺海聲脈沖傳播包絡(luò)起伏特性實驗?zāi)康膶嶒災(zāi)康?掌握聲波在淺海傳播時包絡(luò)幅度起伏的測量方法掌握聲波在淺海傳播時包絡(luò)幅度起伏的測量方法學(xué)會使用數(shù)理統(tǒng)計方法分析聲脈沖包絡(luò)幅度起伏的統(tǒng)計特性學(xué)會使用數(shù)理統(tǒng)計方法分析聲脈沖包絡(luò)幅度起伏的統(tǒng)計

8、特性了解淺海信道聲脈沖傳播中包絡(luò)幅度的統(tǒng)計特性隨距離的變化規(guī)律了解淺海信道聲脈沖傳播中包絡(luò)幅度的統(tǒng)計特性隨距離的變化規(guī)律實驗原理實驗原理 聲信號在海中傳播時，海水介質(zhì)的參數(shù)隨時間和空間聲信號在海中傳播時，海水介質(zhì)的參數(shù)隨時間和空間變化、海面起伏不定、海底不平整以及海中湍流等因變化、海面起伏不定、海底不平整以及海中湍流等因素，使聲場變得復(fù)雜化，不但引起聲脈沖參數(shù)產(chǎn)生隨素，使聲場變得復(fù)雜化，不但引起聲脈沖參數(shù)產(chǎn)生隨機(jī)變化，而且還削弱了聲場中的相干分量，特別是淺機(jī)變化，而且還削弱了聲場中的相干分量，特別是淺海信道存在顯著的多路徑效應(yīng)，它來自海面和海底單海信道存在顯著的多路徑效應(yīng)，它來自海面和海底單次

9、或多次散射或反射。當(dāng)接收距離加大時，問題更為次或多次散射或反射。當(dāng)接收距離加大時，問題更為復(fù)雜，這時由直達(dá)和海面海底反射來的聲波程差減少，復(fù)雜，這時由直達(dá)和海面海底反射來的聲波程差減少，多路徑信號的間隔就變得小于聲脈沖的寬度，以致接多路徑信號的間隔就變得小于聲脈沖的寬度，以致接收信號成為到達(dá)該點的各途徑信號的疊加。收信號成為到達(dá)該點的各途徑信號的疊加。實驗方法實驗方法由于實驗室暫沒有在海上實驗的條件，本次實驗在室內(nèi)水池模擬海水環(huán)由于實驗室暫沒有在海上實驗的條件，本次實驗在室內(nèi)水池模擬海水環(huán)境進(jìn)行測量境進(jìn)行測量1.由信號發(fā)生器產(chǎn)生一脈沖，通過換能器在水池中傳播由信號發(fā)生器產(chǎn)生一脈沖，通過換能器在

10、水池中傳播2.利用水聽器接收信號，量出水聽器與換能器的距離，同時不斷使換能利用水聽器接收信號，量出水聽器與換能器的距離，同時不斷使換能器進(jìn)行小位移移動，以模擬海洋環(huán)境器進(jìn)行小位移移動，以模擬海洋環(huán)境3.水聽器接收到的信號經(jīng)過放大器（水聽器接收到的信號經(jīng)過放大器（30dB），傳送至數(shù)字示波器），傳送至數(shù)字示波器4.讀出接收到信號的最大峰值，隨機(jī)記錄讀出接收到信號的最大峰值，隨機(jī)記錄150組峰值數(shù)據(jù)組峰值數(shù)據(jù)V15.水聽器移動到不同的距離，重復(fù)以上步驟水聽器移動到不同的距離，重復(fù)以上步驟6.在在Excel中求方差：中求方差：VARP（number1:numberN），平均值：），平均值：Avera

11、ge(number1:numberN)。由于經(jīng)過放大器，示波器測得幅度。由于經(jīng)過放大器，示波器測得幅度為放大為放大30dB之后的信號，還原為真實幅度：之后的信號，還原為真實幅度：V=Vo/(1030/10)=0.001*Vo記錄記錄CH1信號電壓值為信號電壓值為Vi，CH2信號電壓值為信號電壓值為Vo，實際接收信號電壓值為，實際接收信號電壓值為Vt,則可得：則可得：50=10lg（Vo/Vt）即得）即得Vt=Vo/105 響應(yīng)級的計算：響應(yīng)級響應(yīng)級的計算：響應(yīng)級L= -20lg(Vt/Vi） 水聲換能器發(fā)射響應(yīng)的測量水聲換能器發(fā)射響應(yīng)的測量實驗?zāi)康膶嶒災(zāi)康?掌握水聲換能器發(fā)射電壓響應(yīng)的測量方法

12、掌握水聲換能器發(fā)射電壓響應(yīng)的測量方法實驗原理實驗原理發(fā)射響應(yīng)：在單位輸入電壓或電流下?lián)Q能器的聲源級發(fā)射響應(yīng)：在單位輸入電壓或電流下?lián)Q能器的聲源級發(fā)射電壓響應(yīng)：發(fā)射電壓響應(yīng)：Sv是發(fā)射換能器在指定方向上，離其有效中心是發(fā)射換能器在指定方向上，離其有效中心參考距離上產(chǎn)生的自由場表現(xiàn)聲壓參考距離上產(chǎn)生的自由場表現(xiàn)聲壓Pf與加在換能器輸入端的電壓與加在換能器輸入端的電壓V的比值的比值 SVL=20lg SV=20lg（Pf/v）+120聲壓聲壓Pf的測量的測量聲壓聲壓d的測量的測量 有效聲中心有效聲中心-發(fā)射換能器輻射聲波遠(yuǎn)場中指定方向上某處的發(fā)射換能器輻射聲波遠(yuǎn)場中指定方向上某處的聲壓與換能器上或附

13、近某一位置的點聲源在該處產(chǎn)生的聲壓（幅聲壓與換能器上或附近某一位置的點聲源在該處產(chǎn)生的聲壓（幅度度+相位）則該點聲源位置為此發(fā)射換能器的有效聲中心相位）則該點聲源位置為此發(fā)射換能器的有效聲中心 Pd=Po/d1=Po/d-d實驗方法實驗方法測量發(fā)射換能器的發(fā)送電壓級測量發(fā)射換能器的發(fā)送電壓級沒出發(fā)送響應(yīng)的頻率特性曲線，并根據(jù)曲線求出該發(fā)射換能器沒出發(fā)送響應(yīng)的頻率特性曲線，并根據(jù)曲線求出該發(fā)射換能器的發(fā)送響應(yīng)寬帶的發(fā)送響應(yīng)寬帶 淺海通信多途效應(yīng)淺海通信多途效應(yīng)實驗?zāi)康膶嶒災(zāi)康牧私舛嗤拘?yīng)的產(chǎn)生的原理了解多途效應(yīng)的產(chǎn)生的原理識別接收端的多途包絡(luò)確定第一到達(dá)信號識別接收端的多途包絡(luò)確定第一到達(dá)信號

14、多途定義多途定義：多徑效應(yīng)即接收器所接收到的信號是通過直射、反射、：多徑效應(yīng)即接收器所接收到的信號是通過直射、反射、折射等不同的路徑到達(dá)接收器的。在水聲信道中，多途主要是由于折射等不同的路徑到達(dá)接收器的。在水聲信道中，多途主要是由于所輻射的信號經(jīng)海面、海底單次或多次反射在接收點隨機(jī)疊加而形所輻射的信號經(jīng)海面、海底單次或多次反射在接收點隨機(jī)疊加而形成的，在此過程中，聲波的折射決定著聲線的走向。成的，在此過程中，聲波的折射決定著聲線的走向。多途結(jié)構(gòu)多途結(jié)構(gòu)：多途和直達(dá)脈沖有的是彼此分離的，有的和直達(dá)的迭：多途和直達(dá)脈沖有的是彼此分離的，有的和直達(dá)的迭合在一起，多途的幅度總體上有隨時間減少的趨勢，但

15、有的卻大于合在一起，多途的幅度總體上有隨時間減少的趨勢，但有的卻大于直達(dá)的。直達(dá)的。多途特征多途特征1.1.多途出現(xiàn)是隨機(jī)的，它在直達(dá)脈沖后，時延多途出現(xiàn)是隨機(jī)的，它在直達(dá)脈沖后，時延T Td d幾毫秒，甚至長達(dá)幾十幾毫秒，甚至長達(dá)幾十毫秒毫秒2.2.多途的和直達(dá)的脈沖，有的迭合在一起，有的彼此可分離多途的和直達(dá)的脈沖，有的迭合在一起，有的彼此可分離3.3.多途脈沖的幅度隨時延增加總體上有減少的趨勢，但有的比直達(dá)的多途脈沖的幅度隨時延增加總體上有減少的趨勢，但有的比直達(dá)的還大還大實驗原理實驗原理多多途效應(yīng)：由于水聲信道的復(fù)雜性，信號在水下的傳播不是像在途效應(yīng)：由于水聲信道的復(fù)雜性，信號在水下的

16、傳播不是像在空氣中那樣可以準(zhǔn)確的傳播，而是由于海底、海面、魚群、暗礁空氣中那樣可以準(zhǔn)確的傳播，而是由于海底、海面、魚群、暗礁等物體的反射或者折射使得接收端的接收器收到的信號不會是一等物體的反射或者折射使得接收端的接收器收到的信號不會是一個完整的發(fā)射初始信號，而可能是許多由于干擾而形成的波形互個完整的發(fā)射初始信號，而可能是許多由于干擾而形成的波形互相疊加而成，在接收端形成一個包絡(luò)。相疊加而成，在接收端形成一個包絡(luò)。 記錄記錄CH1信號電壓值為信號電壓值為Vi，CH2信號電壓值為信號電壓值為Vo，實際接收信，實際接收信號電壓值為號電壓值為Vt, 則可得：則可得：50=10lg（Vo/Vt）即得）即

17、得Vt=Vo/105 響應(yīng)級的計算：響應(yīng)級響應(yīng)級的計算：響應(yīng)級L= -20lg(Vt/Vi）實驗方法實驗方法1.利用信號發(fā)生器產(chǎn)生一特定頻率信號，以利用信號發(fā)生器產(chǎn)生一特定頻率信號，以f=13kHz為始為始2.將信號傳送到換能器，并且以示波器將信號傳送到換能器，并且以示波器CH1讀取信號讀取信號Vi到示波器到示波器3.在一米距離處以水聽器接受信號（靈敏度為在一米距離處以水聽器接受信號（靈敏度為30V/uPa）4.將水聽器接收到的信號經(jīng)過放大器放大將水聽器接收到的信號經(jīng)過放大器放大50dB的信號的信號Vo用用CH2讀取讀取到示波器到示波器5.以步長為改變頻率到以步長為改變頻率到18KHz并且保持

18、距離不變測量并且保持距離不變測量Vi和和Vo的幅度的幅度值值6.改變距離為和重復(fù)以上步驟改變距離為和重復(fù)以上步驟多途影響多途影響 1.1.幅度衰落，即接收信號忽大忽小，在淺海域大嘗試衰落是頻發(fā)幅度衰落，即接收信號忽大忽小，在淺海域大嘗試衰落是頻發(fā)性的，時常性的，時常 衰到小至無法檢測，衰落的機(jī)理是：沿各途徑的信衰到小至無法檢測，衰落的機(jī)理是：沿各途徑的信號（假設(shè)為簡正波）到達(dá)接收器時相位不同相干形成的，對此，號（假設(shè)為簡正波）到達(dá)接收器時相位不同相干形成的，對此，用提高發(fā)射功率來改善，顯然收效甚微用提高發(fā)射功率來改善，顯然收效甚微 2. 2.碼間干擾無線電短波各徑間最大相對延時差絕大多數(shù)在碼間

19、干擾無線電短波各徑間最大相對延時差絕大多數(shù)在5ms5ms以以內(nèi)，水聲則不然，由于海水的聲速只有內(nèi)，水聲則不然，由于海水的聲速只有1500ms,1500ms,中、遠(yuǎn)距離的傳中、遠(yuǎn)距離的傳播，各徑間相對時差就較大，同一符號的接收信號以梳狀結(jié)構(gòu)分播，各徑間相對時差就較大，同一符號的接收信號以梳狀結(jié)構(gòu)分布在較寬的時間軸上，如果傳播的是沒有間隙的脈沖序列，多徑布在較寬的時間軸上，如果傳播的是沒有間隙的脈沖序列，多徑將造成接收信號發(fā)生不同碼元重疊，這給判決帶來困難將造成接收信號發(fā)生不同碼元重疊，這給判決帶來困難水聲遙控系統(tǒng)綜合實驗綜合實驗擬設(shè)計一個水聲遙控系統(tǒng)。綜合實驗擬設(shè)計一個水聲遙控系統(tǒng)。水聲遙測遙控

20、技術(shù)廣泛應(yīng)用于水下工程、水下觀測等領(lǐng)域。由水聲遙測遙控技術(shù)廣泛應(yīng)用于水下工程、水下觀測等領(lǐng)域。由于水下多途、噪聲等環(huán)境，就需要比較可靠的遙測遙控系統(tǒng)。本于水下多途、噪聲等環(huán)境，就需要比較可靠的遙測遙控系統(tǒng)。本實驗的任務(wù)就是設(shè)計一個水聲遙控的發(fā)射接收系統(tǒng)，將系統(tǒng)搭建實驗的任務(wù)就是設(shè)計一個水聲遙控的發(fā)射接收系統(tǒng)，將系統(tǒng)搭建在實驗面包上，并測試系統(tǒng)性能。在實驗面包上，并測試系統(tǒng)性能。遙控系統(tǒng)概述本系統(tǒng)是一個用于水聲遙控的發(fā)射接收系統(tǒng)。系統(tǒng)主體部分構(gòu)本系統(tǒng)是一個用于水聲遙控的發(fā)射接收系統(tǒng)。系統(tǒng)主體部分構(gòu)建均基于模擬及數(shù)字電路原理。系統(tǒng)收發(fā)換能器的中心頻率為，建均基于模擬及數(shù)字電路原理。系統(tǒng)收發(fā)換能器的

21、中心頻率為，要求該水聲遙控系統(tǒng)能夠輻射半徑為要求該水聲遙控系統(tǒng)能夠輻射半徑為3km的水域，采用單頻的水域，采用單頻FSK的調(diào)制方式（載波頻率在帶寬范圍內(nèi)）。該系統(tǒng)可分為發(fā)送和接的調(diào)制方式（載波頻率在帶寬范圍內(nèi)）。該系統(tǒng)可分為發(fā)送和接收和信號處理三大部分。收和信號處理三大部分。擬設(shè)計系統(tǒng)的主要參數(shù)：擬設(shè)計系統(tǒng)的主要參數(shù)： 周期：周期：40ms 中心頻率：中心頻率： 脈沖寬度：脈沖寬度：4ms 放大倍數(shù)：放大倍數(shù)：105 106系統(tǒng)電路原理圖發(fā)送部分首先，系統(tǒng)發(fā)射信號采用單頻首先，系統(tǒng)發(fā)射信號采用單頻FSKFSK的調(diào)制方式，載波頻率必須在的調(diào)制方式，載波頻率必須在收發(fā)換能器的帶寬之內(nèi)，信號初步設(shè)定為：脈寬約收發(fā)換能器的帶寬之內(nèi)，信號初步設(shè)定為：脈寬約4ms4ms，單個信，單個信號時長約號時長約40ms40ms，占空比約為，占空比約為1/101/10，采用單頻，采用單頻FSKFSK的調(diào)制方式，載的調(diào)制方式，載波頻率為。波頻率為。發(fā)送部分電路圖接收部分前置放大電路前置放大電路 考慮到水聲信道對聲信號的衰減較大，必須在接收前端加以前置考