文章基于《水声学原理第三版》写在前面上节课我们搞懂了声呐的两种工作模式主动 自己喊自己听被动 只听别人喊。但很多人看完会有一个疑问声呐凭什么能探测几十公里外的潜艇我在水里喊一声最多只能听到几十米外的回声啊答案就在今天这一节水声换能器和指向性指数。这是声呐硬件的核心也是声呐方程里最关键的参数之一。毫不夸张地说现代声呐能有今天的性能90% 的功劳都要归功于换能器基阵技术的进步。先记四句 刻进 DNA 的核心结论换能器 水下专属的扬声器 麦克风电转声是发射器声转电是水听器基阵 N 个换能器按规律拼起来拼得越大声音越响指得越准指向性指数 DI 声呐的 聚光能力单位 dBDI 每高 10dB能量集中 10 倍互易原理同一个换能器发射时哪个方向最响接收时哪个方向就最灵一、什么是水声换能器为什么不能用普通喇叭书上定义水声换能器是能在水中将电能和声能进行互相转化的设备。电能→声能发射换能器发射器 水下扬声器声能→电能接收换能器水听器 水下麦克风关键问题为什么不能把空气里的喇叭直接扔到水里用这是很多小白都会问的问题也是水声工程最基础的物理原理声阻抗匹配。大白话解释声音从一种介质传到另一种介质就像电流从一个电阻传到另一个电阻。如果两个电阻的阻值差不多电流就能顺利传过去如果差得太多大部分电流都会被反射回来。声音也是一样空气的声阻抗约 400 Pa・s/m水的声阻抗约 1.5×10⁶ Pa・s/m两者相差3750 倍这意味着普通空气喇叭发出的声音99.97% 都会在空气 - 水的分界面上被反射回来只有 0.03% 能进入水里。这就是为什么你在游泳池里听不到岸上的人说话的原因。水声换能器就是专门为了解决这个问题设计的。它用特殊的材料比如压电陶瓷和结构让它的声阻抗和水尽量接近这样就能把大部分电能高效地转换成水里的声波反之亦然。二、为什么要把很多换能器拼在一起换能器基阵的本质书上说单个换能器的性能往往不能满足声呐工作的需要因此人们将多个换能器按设计好的几何图形组合在一起构成换能器基阵。单个换能器的两个致命缺点功率太小单个换能器最多只能发射几百瓦的声功率远远不够探测远距离目标没有指向性单个小换能器就像一个灯泡四面八方都响能量完全浪费了基阵的两个核心作用这是声呐能看远的根本原因1. 功率叠加1121 个换能器发射 100 瓦100 个换能器一起发射总功率就是 100×10010000 瓦。注意分贝是对数单位功率每增加 10 倍声强级增加 10dB所以 100 个换能器一起发射声强级比单个高 20dB2. 干涉聚焦把能量 拧成一股绳这是基阵最神奇也最重要的作用原理是声波的干涉。大白话解释当两个声波相遇时如果波峰和波峰相遇声音会变大相长干涉如果波峰和波谷相遇声音会变小甚至消失相消干涉我们把很多个换能器排成一排然后让它们同时发出完全一样的声音。那么在正前方所有换能器发出的声波都会同时到达波峰和波峰叠加声音变得非常大在其他方向不同换能器发出的声波到达时间不一样有的波峰和波谷相遇互相抵消声音变得很小这样一来原本四面八方均匀分布的能量就被我们 拧成了一股绳全部集中在了正前方。这就是基阵指向性的来源。完美类比单个换能器 一个人喊四面八方都能听到但声音不大换能器基阵 100 个人排成一排同时朝正前方喊。正前方的人会觉得声音震耳欲聋而旁边的人听到的声音反而比一个人喊还小三、指向性声呐 指哪打哪 的科学书上说换能器性能在空间分布上的不均匀性称为换能器的指向性用指向性函数 b (θ,φ) 表示。1. 指向性函数 b (θ,φ)公式详解书上公式每个符号的物理意义结论2. 指向性图案把指向性画出来把指向性函数\(b(\theta,\phi)\)画成三维图就是指向性图案。书上那个像叶子一样的图就是最常见的圆平面阵的指向性图案。一个真实的指向性图案由两部分组成主瓣中间最宽、最高的那个 大叶子是我们想要的方向能量最集中旁瓣主瓣旁边那些小的 小叶子是我们不想要的会浪费能量还会收到干扰工程师的终极目标让主瓣越窄越好旁瓣越低越好。主瓣越窄指向性越好测距测向精度越高旁瓣越低抗干扰能力越强。四、声中心工程上最实用的 虚拟点书上说从远场观察时球面波好像是从发射器上或其附近的某点发出的这一点称为发射器的等效声中心。为什么需要声中心这个概念换能器是一个有大小、有形状的物体比如直径 1 米的圆盘。如果我们要精确计算它发出的声波在空间中的分布会非常复杂。但是当我们站在足够远的地方远场观察时这个有大小的换能器发出的声波和一个点声源发出的球面波几乎一模一样。于是我们就可以做一个非常实用的工程近似把这个有大小的换能器等效成一个位于声中心的点声源。这样一来所有的计算都会变得无比简单。完美类比太阳直径 139 万公里是一个巨大的球体但从地球上看太阳光就像是从天上一个小点发出来的这个小点就是太阳的 等效光中心也就是我们说的声中心声中心怎么确定对于形状规则、对称的换能器球形、柱形、圆盘形声中心和几何中心重合对于形状复杂的基阵需要通过专门的实验测量才能确定五、本节核心指向性指数 DI公式详解这是本节最重要的参数也是声呐方程里的核心参数之一。书上公式每个符号的物理意义指向性指数的物理意义发射时DI 就是换能器把能量集中在正前方的能力的量化值。我给你算几个数值你立刻就懂了理想无指向性换能器灯泡普通鱼探仪换能器潜艇艇艏声呐基阵大型岸基预警声呐基阵划重点同样的发射功率下DI 每提高 10dB正前方的声强就提高 10 倍声呐的探测距离就能提高一倍以上。这就是为什么所有声呐设计师都拼了命地想提高 DI—— 基阵越大DI 越高看得越远。互易原理发射和接收是一样的书上说依据声场的互易性和换能器的互易性原理可知同一换能器的接收指向性指数等于它的发射指向性指数。大白话解释一个换能器如果发射的时候正前方最响那么接收的时候也会对正前方来的声音最敏感。完美类比手电筒。你用手电筒照东西正前方最亮反过来如果你用它当镜子反光正前方来的光也会被反射得最亮。接收指向性指数的物理意义接收时DI 的物理意义和发射时完全不同它代表的是提高信噪比的能力。公式也就是大白话解释信号是从正前方来的所以会被指向性水听器放大 DI 倍噪声是四面八方均匀来的所以只有 1/10^(DI/10) 被放大这样一来信噪比就提高了 10^(DI/10) 倍生活例子用手拢在耳朵旁边听声音。不用手拢四面八方的声音都能听到信噪比低听不清远处的人说话用手拢住耳朵正前方的声音被放大了其他方向的杂音被挡住了信噪比提高了就能听清了这个 拢耳朵 的动作就相当于把接收指向性指数提高了大约 5~10dB六、DI 不是万能的接收指向性指数的限制书上说接收指向性指数仅适用于各向同性噪声场中的完全相关信号。这句话非常重要很多人学了半天都没注意到导致在实际应用中出错。我把它拆成两个条件来解释条件 1噪声必须是各向同性的也就是说噪声必须是四面八方均匀分布的强度都一样。✅ 符合深海里的海洋环境噪声主要来自远处的风浪和商船近似各向同性❌ 不符合附近有一艘大船在开噪声主要来自那个方向条件 2信号必须是完全相关的也就是说信号是一个单一的平面波从一个确定的方向传来。✅ 符合远处目标发出的声音到达接收阵时近似平面波❌ 不符合近距离的多个目标信号从多个方向传来为什么有这个限制如果噪声主要来自正前方那么指向性水听器在放大信号的同时也会把噪声放大同样的倍数信噪比根本不会提高。比如你正前方有一个大喇叭在放音乐你用手拢耳朵也没用因为它把音乐和你想听的说话声一起放大了。在实际海洋中大部分时候这两个条件都近似满足所以指向性指数非常有用。但在特殊情况下比如附近有强噪声源我们就不能再用 DI 来计算信噪比了需要用更复杂的 阵增益 来代替。七、和声呐方程的终极联系还记得我们之前说的 生意账本 吗这一节讲的 DI就是声呐方程里那个关键的 DI。主动声呐方程被动声呐方程你看DI 在方程里是加在信噪比上的。DI 越高信噪比就越高声呐就越容易发现目标。划重点对于主动声呐发射时 DI 提高了声源级 SL接收时 DI 又提高了信噪比所以 DI 对主动声呐的影响是双倍的对于被动声呐只有接收时 DI 提高了信噪比所以影响是单倍的这就是为什么主动声呐对 DI 的要求比被动声呐更高的原因。本节核心知识点总结概念专业定义大白话解释核心作用关键数值水声换能器电能和声能互相转换的设备水下专属的扬声器 麦克风能量形式转换声阻抗和水匹配换能器基阵多个换能器按规律组合很多个喇叭 / 麦克风拼起来功率叠加 干涉聚焦基阵越大DI 越高指向性函数 b (θ,φ)各方向声压与最大声压的比值每个方向的声音相对大小描述指向性的数学工具声轴方向 b1指向性指数 DI10lg (最大声强 / 平均声强)聚光能力的量化值提高声源级 提高信噪比每高 10dB能量集中 10 倍声中心远场等效点声源的位置声音好像是从这个点发出来的简化计算对称换能器与几何中心重合我的学习感悟学完这一节我最大的感受是工程的本质就是对能量的精准控制。我们生活在一个能量有限的世界里。声呐的发射功率是有限的我们不能无限地提高功率那样会暴露自己也会烧坏设备。所以工程师们想到了一个更聪明的办法不增加总能量而是把有限的能量集中在一个方向上。这就是基阵和指向性的本质。从单个换能器到上千个单元的大型基阵人类用了不到 100 年的时间把声呐的探测距离从几百米提高到了几百公里。而这一切的基础就是我们今天学的这几个简单的物理原理。
《从零开始学水声学》1.2-水声换能器和它的指向性指数
文章基于《水声学原理第三版》写在前面上节课我们搞懂了声呐的两种工作模式主动 自己喊自己听被动 只听别人喊。但很多人看完会有一个疑问声呐凭什么能探测几十公里外的潜艇我在水里喊一声最多只能听到几十米外的回声啊答案就在今天这一节水声换能器和指向性指数。这是声呐硬件的核心也是声呐方程里最关键的参数之一。毫不夸张地说现代声呐能有今天的性能90% 的功劳都要归功于换能器基阵技术的进步。先记四句 刻进 DNA 的核心结论换能器 水下专属的扬声器 麦克风电转声是发射器声转电是水听器基阵 N 个换能器按规律拼起来拼得越大声音越响指得越准指向性指数 DI 声呐的 聚光能力单位 dBDI 每高 10dB能量集中 10 倍互易原理同一个换能器发射时哪个方向最响接收时哪个方向就最灵一、什么是水声换能器为什么不能用普通喇叭书上定义水声换能器是能在水中将电能和声能进行互相转化的设备。电能→声能发射换能器发射器 水下扬声器声能→电能接收换能器水听器 水下麦克风关键问题为什么不能把空气里的喇叭直接扔到水里用这是很多小白都会问的问题也是水声工程最基础的物理原理声阻抗匹配。大白话解释声音从一种介质传到另一种介质就像电流从一个电阻传到另一个电阻。如果两个电阻的阻值差不多电流就能顺利传过去如果差得太多大部分电流都会被反射回来。声音也是一样空气的声阻抗约 400 Pa・s/m水的声阻抗约 1.5×10⁶ Pa・s/m两者相差3750 倍这意味着普通空气喇叭发出的声音99.97% 都会在空气 - 水的分界面上被反射回来只有 0.03% 能进入水里。这就是为什么你在游泳池里听不到岸上的人说话的原因。水声换能器就是专门为了解决这个问题设计的。它用特殊的材料比如压电陶瓷和结构让它的声阻抗和水尽量接近这样就能把大部分电能高效地转换成水里的声波反之亦然。二、为什么要把很多换能器拼在一起换能器基阵的本质书上说单个换能器的性能往往不能满足声呐工作的需要因此人们将多个换能器按设计好的几何图形组合在一起构成换能器基阵。单个换能器的两个致命缺点功率太小单个换能器最多只能发射几百瓦的声功率远远不够探测远距离目标没有指向性单个小换能器就像一个灯泡四面八方都响能量完全浪费了基阵的两个核心作用这是声呐能看远的根本原因1. 功率叠加1121 个换能器发射 100 瓦100 个换能器一起发射总功率就是 100×10010000 瓦。注意分贝是对数单位功率每增加 10 倍声强级增加 10dB所以 100 个换能器一起发射声强级比单个高 20dB2. 干涉聚焦把能量 拧成一股绳这是基阵最神奇也最重要的作用原理是声波的干涉。大白话解释当两个声波相遇时如果波峰和波峰相遇声音会变大相长干涉如果波峰和波谷相遇声音会变小甚至消失相消干涉我们把很多个换能器排成一排然后让它们同时发出完全一样的声音。那么在正前方所有换能器发出的声波都会同时到达波峰和波峰叠加声音变得非常大在其他方向不同换能器发出的声波到达时间不一样有的波峰和波谷相遇互相抵消声音变得很小这样一来原本四面八方均匀分布的能量就被我们 拧成了一股绳全部集中在了正前方。这就是基阵指向性的来源。完美类比单个换能器 一个人喊四面八方都能听到但声音不大换能器基阵 100 个人排成一排同时朝正前方喊。正前方的人会觉得声音震耳欲聋而旁边的人听到的声音反而比一个人喊还小三、指向性声呐 指哪打哪 的科学书上说换能器性能在空间分布上的不均匀性称为换能器的指向性用指向性函数 b (θ,φ) 表示。1. 指向性函数 b (θ,φ)公式详解书上公式每个符号的物理意义结论2. 指向性图案把指向性画出来把指向性函数\(b(\theta,\phi)\)画成三维图就是指向性图案。书上那个像叶子一样的图就是最常见的圆平面阵的指向性图案。一个真实的指向性图案由两部分组成主瓣中间最宽、最高的那个 大叶子是我们想要的方向能量最集中旁瓣主瓣旁边那些小的 小叶子是我们不想要的会浪费能量还会收到干扰工程师的终极目标让主瓣越窄越好旁瓣越低越好。主瓣越窄指向性越好测距测向精度越高旁瓣越低抗干扰能力越强。四、声中心工程上最实用的 虚拟点书上说从远场观察时球面波好像是从发射器上或其附近的某点发出的这一点称为发射器的等效声中心。为什么需要声中心这个概念换能器是一个有大小、有形状的物体比如直径 1 米的圆盘。如果我们要精确计算它发出的声波在空间中的分布会非常复杂。但是当我们站在足够远的地方远场观察时这个有大小的换能器发出的声波和一个点声源发出的球面波几乎一模一样。于是我们就可以做一个非常实用的工程近似把这个有大小的换能器等效成一个位于声中心的点声源。这样一来所有的计算都会变得无比简单。完美类比太阳直径 139 万公里是一个巨大的球体但从地球上看太阳光就像是从天上一个小点发出来的这个小点就是太阳的 等效光中心也就是我们说的声中心声中心怎么确定对于形状规则、对称的换能器球形、柱形、圆盘形声中心和几何中心重合对于形状复杂的基阵需要通过专门的实验测量才能确定五、本节核心指向性指数 DI公式详解这是本节最重要的参数也是声呐方程里的核心参数之一。书上公式每个符号的物理意义指向性指数的物理意义发射时DI 就是换能器把能量集中在正前方的能力的量化值。我给你算几个数值你立刻就懂了理想无指向性换能器灯泡普通鱼探仪换能器潜艇艇艏声呐基阵大型岸基预警声呐基阵划重点同样的发射功率下DI 每提高 10dB正前方的声强就提高 10 倍声呐的探测距离就能提高一倍以上。这就是为什么所有声呐设计师都拼了命地想提高 DI—— 基阵越大DI 越高看得越远。互易原理发射和接收是一样的书上说依据声场的互易性和换能器的互易性原理可知同一换能器的接收指向性指数等于它的发射指向性指数。大白话解释一个换能器如果发射的时候正前方最响那么接收的时候也会对正前方来的声音最敏感。完美类比手电筒。你用手电筒照东西正前方最亮反过来如果你用它当镜子反光正前方来的光也会被反射得最亮。接收指向性指数的物理意义接收时DI 的物理意义和发射时完全不同它代表的是提高信噪比的能力。公式也就是大白话解释信号是从正前方来的所以会被指向性水听器放大 DI 倍噪声是四面八方均匀来的所以只有 1/10^(DI/10) 被放大这样一来信噪比就提高了 10^(DI/10) 倍生活例子用手拢在耳朵旁边听声音。不用手拢四面八方的声音都能听到信噪比低听不清远处的人说话用手拢住耳朵正前方的声音被放大了其他方向的杂音被挡住了信噪比提高了就能听清了这个 拢耳朵 的动作就相当于把接收指向性指数提高了大约 5~10dB六、DI 不是万能的接收指向性指数的限制书上说接收指向性指数仅适用于各向同性噪声场中的完全相关信号。这句话非常重要很多人学了半天都没注意到导致在实际应用中出错。我把它拆成两个条件来解释条件 1噪声必须是各向同性的也就是说噪声必须是四面八方均匀分布的强度都一样。✅ 符合深海里的海洋环境噪声主要来自远处的风浪和商船近似各向同性❌ 不符合附近有一艘大船在开噪声主要来自那个方向条件 2信号必须是完全相关的也就是说信号是一个单一的平面波从一个确定的方向传来。✅ 符合远处目标发出的声音到达接收阵时近似平面波❌ 不符合近距离的多个目标信号从多个方向传来为什么有这个限制如果噪声主要来自正前方那么指向性水听器在放大信号的同时也会把噪声放大同样的倍数信噪比根本不会提高。比如你正前方有一个大喇叭在放音乐你用手拢耳朵也没用因为它把音乐和你想听的说话声一起放大了。在实际海洋中大部分时候这两个条件都近似满足所以指向性指数非常有用。但在特殊情况下比如附近有强噪声源我们就不能再用 DI 来计算信噪比了需要用更复杂的 阵增益 来代替。七、和声呐方程的终极联系还记得我们之前说的 生意账本 吗这一节讲的 DI就是声呐方程里那个关键的 DI。主动声呐方程被动声呐方程你看DI 在方程里是加在信噪比上的。DI 越高信噪比就越高声呐就越容易发现目标。划重点对于主动声呐发射时 DI 提高了声源级 SL接收时 DI 又提高了信噪比所以 DI 对主动声呐的影响是双倍的对于被动声呐只有接收时 DI 提高了信噪比所以影响是单倍的这就是为什么主动声呐对 DI 的要求比被动声呐更高的原因。本节核心知识点总结概念专业定义大白话解释核心作用关键数值水声换能器电能和声能互相转换的设备水下专属的扬声器 麦克风能量形式转换声阻抗和水匹配换能器基阵多个换能器按规律组合很多个喇叭 / 麦克风拼起来功率叠加 干涉聚焦基阵越大DI 越高指向性函数 b (θ,φ)各方向声压与最大声压的比值每个方向的声音相对大小描述指向性的数学工具声轴方向 b1指向性指数 DI10lg (最大声强 / 平均声强)聚光能力的量化值提高声源级 提高信噪比每高 10dB能量集中 10 倍声中心远场等效点声源的位置声音好像是从这个点发出来的简化计算对称换能器与几何中心重合我的学习感悟学完这一节我最大的感受是工程的本质就是对能量的精准控制。我们生活在一个能量有限的世界里。声呐的发射功率是有限的我们不能无限地提高功率那样会暴露自己也会烧坏设备。所以工程师们想到了一个更聪明的办法不增加总能量而是把有限的能量集中在一个方向上。这就是基阵和指向性的本质。从单个换能器到上千个单元的大型基阵人类用了不到 100 年的时间把声呐的探测距离从几百米提高到了几百公里。而这一切的基础就是我们今天学的这几个简单的物理原理。
