音之狂想资料篇（三）——声学（...
5声与海洋
5．1水声学中的基本概念在人们所熟知的各种辐射形式中，以声波在海水中的传播为最佳．在混浊和含盐的海水中，无论光波或电磁波的衰减都远较声波的衰减为大．
我们在5.2中已介绍过，水声中取具有均方根声压1μPa（微帕），即1×10－6N·m－2（牛顿·米－2）的平面波声强为声强的单位．
海洋及其边界的详细特征对声传播的影响是非常复杂的．声速是温度、深度和盐度的函数．而温度又是深度、季节、地理位置（纬度）和气候条件的函数．海洋表面有时是非常光滑的反射体，有时又是随机散射声波的非常粗糙且扰动的表面，海底的构造、斜度及粗糙度也是变化多端的．所有这些因素都影响声的传播．声束与海面及海底边界相互作用的效果产生了最终的声传播特性．
根据实验结果与理论分析，声速的典型公式如下：c=1449+4.6T－0.055T2+0.0003T3+（1.39－0.012T）
（S－35）+0.017Z（5.16）
式中c为声速（m·s－1），T为温度（℃），S为盐度，Z为深度（m）．
讨论声速随深度变化的特性时，最好是将海洋划分成如图5－5所示的一系列水平分层，称为声速剖面．
海水的表面层从海面扩展到约150m深度，这一层受局部气候甚至一天中不同时刻的影响很大．在平静的海况下，水温随着表面层的深度而迅速降低，导致了很强的声速负梯度．
表层以下的水温受风暴或瞬变因素的影响很小，但随季节却有很大的变化．此层被称为季节温度跃变层．它延伸到300m左右，并具有负梯度的特征．第三层具有温度负梯度结构，被称为主温跃层．随着深度的增加，温度减小到接近冰点，声速逐渐下降到最小值，在中纬度区，这一深度大约在1000m左右，称为深道轴．最下面一层为等温层．此层中声速随深度而增加，所以是正声速梯度．
我国近海基本上是浅海大陆架．声速剖面图随季节变化更大．一般在冬天是等温层，而到夏天会出现明显的负梯度或负跃层．
1．海洋表面的声损失在空气和水的分界面，由于阻抗严重不匹配，反射系数近似为－1．当声波波长甚大于波高时，反射声损失基本上为零．
2．海底的反射损失即使海底是绝对平面，反射过程也相当复杂．入射到海底的声能一部分被传输到海底沉积物中，一部分被反射．据实际测量，对于沙质海底，反射损失约为7dB．
3．海洋中的声吸收声波在海水中传播时，部分能量以热能的形式耗散掉．我们可以用传播损失TL来刻划由于声吸收带来的传播方面的损失．若用分贝来表示可以写成TL=20lgr+10lg[exp（br）]（5.17）
其中r为距离，b为指数衰减因子．声吸收的大小与声波的频率有很大关系．
4．海洋噪声海洋噪声的来源有自然的也有人为的．不同的噪声源呈现不同的方向特性和频谱特性．自然噪声源有地震的扰动，风、雨使海面的搅动和水分子的热运动．各种发声的鱼类也对海洋噪声做出贡献．人为的噪声指的是远处航船产生的噪声．
5．混响海洋本身和其界面包含着许多不同类型的不均匀性，其尺度小至灰尘那么大的粒子（它使深海成为蓝色），大至海水中的鱼群和海底的峰峦与海底山脉．这些不均匀性形成媒质物理性质上的不连续性，因而就阻挡照射到它们上面的一部分声能，并把这部分声能再辐射回去．这种现象称为散射．来自所有散射体的散射成分的总和称作混响．
如果往水下扔一颗手榴弹，那么在炸药爆炸之后，我们还会听到一阵长的，慢慢变弱的颤动的声响，这就是混响．
5．2射线理论与简正波理论在5.2中我们已给出了描述理想均匀媒质中平面波和球面波传播的方程．实际上，影响声在海洋中传播的因素在三维空间中是变化的．同样也可随时间变化．在水声学中，特别重要的还是随深度的变化．从声速剖面来看，海洋好象是被分层的．从水和空气的分界面开始，到海底的各种沉积层为止．
波动方程的一般形式就是式（5.11）给出的偏微分方程．这个方程的解是与初始条件和边界条件有关的．有两种方法可以解这个方程．
一种是简正波理论．它用称为简正波的特征函数来描述声传播．每一特征函数都是波动方程的一个解．把简正波叠加起来，以满足边界条件和源条件，其结果就是一个复杂的数学函数．虽然它适于在计算机上进行数值计算，但在直观上不容易理解声源能量在时间与空间上的分布．简正波理论比较适于描述浅海中的声传播．
波动方程的另一种解法是射线理论．它的出发点是声波在传播过程中存在波阵面．从声源发出的声能沿着射线传到空间各处．射线声学有很大的直观的优点，它用声线图给出传播的图像．它的缺点是不能给出波动方程的精确的解．
由于波动方程求解十分复杂，超出本书的范围，我们在此不详谈．
5．3声呐声呐方程声呐（Sonar）一词是第二次世界大战期间由声音（Sound）、导航（Navigation）和测距（Rang－ing）三个英文单词的字头构成的．它是利用声波判断海洋中物体的存在、位置及类型的设备．在军事上，它是海军的重要电子设备．在民用方面，又是海洋开发不可缺少的手段．
图5－6给出了一个基本的声呐系统的模型．它有两种工作方式．第一种称为主动声呐．由发射换能器把电信号变为声信号，在水下发射出去．当它照射到一个目标时，反射信号或称“回波”就被接收换能器收到，再变换为电信号送给接收机．第二种称为被动声呐，目标由于它所辐射的噪声而被发现．
对于工程应用来说，声呐方程是用于设计声呐与对声呐性能作出预估的最有力的工具．它把与声呐设计有关的各种参数以等号的形式联系在一起．正确地在各种参数之间作出选择就可能设计出适合各种特殊用途的声呐设备来．
在声呐方程中，出现的参数可以分为三类．
1．由声呐系统决定的参数：SL：发射时的指标声压，即离发射换能器1m处所接收到的声压．
GS：声呐系统的空间增益．它是由多个换能器布阵而取得的．用于发射系统时，也用DI来表示．
GT：声呐系统的时间增益．它是由信号处理系统在时间上的积累而取得的．
DT：检测阈，它表示声呐员判断有目标时所必需的最小输出信噪比．
2．由目标决定的参数：SL：辐射噪声源的指标声压级（即离辐射源1m处所接收到的声压），又称为声源强度．
TS：目标强度，表示目标截获声能并将它重新辐射出去的能力．
3．由环境决定的参数：NL：背景噪声级，它可以仅仅由自然噪声构成，也可能由自然噪声加混响和舰艇的自噪声构成．
TL：传播损失，表示在水声信道中从1m处到某一距离的传播损失．
我们先介绍主动声呐方程．设指标声压为SL．当它传输到距发射换能器为r的目标时，变为SL－TL．由于目标强度为TS，所以当信号重新被辐射出来时，声压为SL－TL+TS．经过同样的传播损失，在到达接收水听器时，成为SL－2TL+TS－NL，加上增益GS及GT应等于最小可检测信噪比，即SL－2TL+TS－NL+GS+GT=DT（5.18）
再来讨论被动声呐方程．假定目标辐射噪声的指标声压为SL．经过距离为r的衰减变为SL－TL．水听器所接收到的应是SL－TL－NL．经接收机处理之后获得增益GS+GT，于是SL－NL－TL+GS+GT=DT（5.19）
声呐方程可以方便地用于计算声呐的作用距离．
5．4海洋开发中的水声学人类赖以生存的地球，海洋占表面积的70%．开发和利用海洋是人类生产、生活的重要活动．据估计，海底石油、天然气的储量约占地球总蕴藏量的50%左右．大洋洋底分布的锰结核约有15000亿吨．海洋每年大约可以为人类提供30亿吨食物．海洋中大约有80种化学元素．大洋的变化又是地球气候变化的重要因素．
几乎每一项开发海洋的工程活动都或多或少地与水声学有关．
1．海洋环境参数测量（1）波浪测量波浪运动所产生的功率与浪高及其周期有关．功率近似表达式为P≈0.55H2T（5.20）
单位为kW·m－1（千瓦·米－1），H为浪高（m），T为波浪周期．
用波浪的能量可以发电．我们可以用定点浪高仪来测量波浪高度的变化规律，为开发潮汐能提供原始依据．定点浪高仪是一种简单的主动声呐，利用声波到达海面时的全反射来记录浪高．
（2）海流测量大洋环流的流速比较稳定．利用海流计可以测量海洋中的流速及流向，根据所测得的数据绘制大洋流速、流向图，是航海家不可缺少的资料．比较先进的海流计是利用多普勒效应进行测速的系统．它不仅可以测量大洋表面的海流还可以测量海流剖面．
（3）海中声速测量声速是海水作为水媒质的一个重要参数．海洋中声速剖面图是海军舰只活动的必备资料．因为无论是攻击敌方还是保存自己，都必须利用声速剖面图来规划自己的航行细节和声呐使用技巧．
目前比较普遍使用的声速测量仪是一种可以和微机联结的声学探头．当把探头由海面放下去之后，即可将经过的路径中的温度、盐度与深度数据采集记录下来．由微机中的专用软件换算出声速并提供声速剖面．
（4）大洋测温地球上的一些灾害性天气（如厄尔尼诺现象）或环境变化（如二氧化碳增多，臭氧层的空洞等）都会引起大洋温度的微小变化．利用声波在大洋中长距离（几千公里）的传播可以把温度的微小变化测量出来．1991年开始，美国、加拿大等国已在实施这一计划．我国也从1995年开始参加．预定在夏威夷岛爆炸小型炸弹，在世界各地接收声信号来推算大洋温度的变化．
2．海底地形、地貌及地质勘探（1）回声测深回声测深仪是一种高频窄波束的主动声呐．目前各大洋都已被广泛地进行测量，并绘制了海底等深线图．
（2）海底地形、地貌仪这是一种多波束主动声呐，用于绘制海底的地形、地貌．为海底电缆、输油管的敷设提供依据．
（3）近海油气田勘探声学数字地震勘探技术是近海油气田勘探的主要手段．世界上比较著名的英国北海油田就是用这种方法发现的．它主要利用一种拖曳式线列阵声呐，用人工在海下制造小地震的方法，记录局部海区的地貌，借以判断有无油气田．我们从北到南的近海地区正在开展这类勘探．
3．导航及其它应用海上船只的导航、巨轮的靠岸都需要不同类型的声呐．此外海难救助也要利用“声发”声道．随着人类向海洋进军的广度及深度的不断提高，水声学在海洋开发中的作用也会越来越大．
6声信号的数字处理6．1信号处理的基本概念在我们日常生活中，声波是听觉信号的载体，而视频信号则是图像信息的载体．人类大脑在接收到声信号和视觉信号之后要进行一系列的处理，有些处理是非常复杂的．如语言的识别、理解、联想，图像的分类、识别等．
信号的产生、存贮、传输、加工等是信息论中的重要课题．我们统称为信号处理．声信号是一种特殊信号．由于它所牵涉到的频率相对来说比较低，同时只是时间的一维函数．所以信号处理的理论和技术首先是从声信号处理这一领域发展起来的．特别是与语言和音乐信号有关的这一部分信号处理理论，长期以来一直成为信号处理的主体．60年代末开始，由于数字信号处理技术的出现，研究工作者才逐步地把一维信号处理理论与技术逐步地向二维推广．同时又由于技术的进步，使我们不仅能处理频率较低的声信号，也有可能处理频率高得多的图像信号．
从理论上说，我们可以把声信号看作是时间t的函数x（t）．信号处理可以被认为是对x（t）进行的各种运算，这种运算可以是线性的，也可以是非线性的．最基本的信号处理手段有以下几种．
1．滤波把x（t）经过一个滤波器，使它的频率特性发生某种变化．这种滤波也可以只是幅度的增大或缩小，也可能只是时间的延迟．
2．谱分析x（t）的傅里叶变换X（f）称为x（t）的谱．它反映的是x（t）在频率域上的特性．
图5－7给出了一些简单信号的频谱．对信号进行频谱分析可以使我们知道特定信号的频率范围．
3．信号的传输信号的传输是人类信息交流的不可缺少的需求．要使信号不失真地从一处传到另一处是一件不容易的事．最典型的例子便是电话．我们总感到从电话里传来的声音与真实的声音有一定差异，这主要是在声音传播之前已经有了一定的畸变的结果．
4．信号的存贮要把信号按原样保存起来，又能随时不失真地重放，这是录音的基本要求．要完全做到这一点还有一定困难．
5．信号的加工包括对信号作各种变换（压缩、扩展）及对信号的检测处理等．
信号处理的理论已渗透到很多领域，信号处理的技术也已在很多工程部门得到应用．整个信息产业是现代国家的支柱产业之一，有信息就要有信号处理理论和技术．美国从1991年开始，把IEEE中原名为“声学、语言、信号处理”的协会改名为“信号处理”协会．我国也已成立了信号处理协会．专业工作者遍及国民经济和国防科研的各部门及高等院校和科研机关．
6．2声信号的数字处理从60年代开始，由于微电子技术和数字计算机技术的迅速发展，信号的数字处理得到极快的发展．因为数字化有一些非常突出的优点，它便于加工、存贮、传输．一些传统的用于模拟信号的运算也可以移植到数字处理中去．在数字信号处理技术发展的初期，由于硬件方面的限制，它的应用还受到一定的限制．到了80年代，由于微处理机及大规模集成电路专用数字信号处理（DSP）芯片的出现，使数字信号处理技术一日千里地向前发展．现在数字化的革命几乎已在各电子领域展开．高级音响、彩电、个人手持终端、无胶片照相机、无磁带应答电话等都已在或正在准备使用数字技术．据估计到20世纪末，数字化电子产品的产值将达到3万亿美元．这是一个非常惊人的数字．
信号的数字化的简单概念如图5－8所示．我们首先要把模拟信号在时间和幅度上进行量化．时间上的量化称为采样，幅度上的量化称为分层．
采样频率越高，分层数越多，数字化的信号就越能逼近原来的模拟信号．当然硬件上也就越复杂．
奈奎斯特采样定理指出，如果信号是带宽有限的，那么只需要用大于或等于带宽两倍的采样频率进行采样，所得的样本就可以恢复原始的信号．这个定理的重要意义在于给出了一个确定采样频率的标准．举例来说，目前电话数字传输系统的采样频率是8kHz，语音信号在采样之前，先经过一个上限频率为3.4kHz的低通滤波器．所以采样基本上不产生失真．对于分层来说却不存在类似的结果．无论多么细的分层都会带来信号的损失．可以把幅度的量化看作是某种量化噪声．所以比特数太小的分层会带来严重的畸变．一般声信号处理采用的是14bit～16bit（比特）的分层．
数字化之后的信号已变为0、1序列．这是非常易于处理、加工、传输、存贮的信号．并且在一定的误码率范围内还可以进行校正．这些都是模拟信号无法比拟的．目前已发展了一套数字滤波、存贮、加工及传输的技术，并且已专门设计了用数字信号处理的芯片．这种芯片不象微处理器那样采用冯·诺伊曼结构，而是采用并行处理的哈佛结构，克服了数据流中的瓶颈，使效率大为增加．图5－9是DSP芯片的原理结构图．
目前，用于声信号和图像信号处理的专用DSP芯片的指令周期已在50ns左右，每秒钟可以完成数千万次浮点运算．
6．3声学与现代数字信号处理技术现代数字信号处理技术把声学带到了更多的应用领域．它大大地丰富了人们的日常生活，同时使微机、通讯、消费电子产品等行业互相联系．声信号处理自身的发展和进步又反过来推动数字信号处理技术的发展，使DSP技术呈现出更加美好的前景．其中特别引人注目的是人机对话、机器翻译．我们简略介绍这些应用领域．
1．高级音响传统的模拟信号磁带式录音机，动态范围小（一般为40dB左右），频带窄（200Hz～8000Hz左右），因而音质较差．另外，这种磁带的节目搜索是非常麻烦的，而且也不易保存，复制的次数多了，质量就差了．现代的数字式录音机的采样频率为44.1kHz，因此，对输入信号的频响可扩展到20kHz左右，量化比特数一般在212以上．动态范围高达60dB以上．
目前市场上出售的CD唱机是一种光盘系统．有5in（英寸）盘和3in盘两种．节目的搜索很简单．最新的一种3inCD唱机不仅可以放音也可以录音，完全可代替老式的模拟音响．
2．多媒体计算机现代计算机已从单纯数值计算发展为多种用途．近年来发展最快的一个领域是多媒体技术．即一台计算机除了保持原有的科学计算、文字处理等功能之外，还可以用于声信号、图像信号的处理．例如可以放CD唱片，可以放光盘录像电视，可以作为Fax机接收或发送传真，又可以用于电话应答．总之，是一台多种用途的多媒体计算机．
3．语音识别，机器翻译由机器识别人类的语言，由机器在不同语种中进行翻译．这是科学家梦寐以求的事情．随着现代科学的发展，这一梦想正逐步变为现实．首先取得突破的是机器翻译．在理解的基础上，可实现不同语种之间的翻译．目前，英日语科学论文的翻译系统的准确率已达到80%．中、英文词组、短语之间的翻译准确率已可达90%．
在语言识别方面．有限词汇、认人的单呼口令的识别已取得很大进展．连呼口令的识别也已有了突破．专家们普遍认为，汉语是最有希望首先实现机器识别的语种．因为汉语的发音是以单字音节为基础的．同音字一共才1200多个（包括四声）．所以只要加强基础研究，找出人类理解语言的机理，就有可能率先在汉语识别中作出重大突破．到那时，人们可以一边讲话，另一边由计算机把所讲的话打印出来．
人工合成语言方面也在取得进展．这一工作开始于本世纪30年代．但是直到50年代才找到了较好的传输线模型来人工模拟人类发声机理，合成出具有一定质量的语言来．目前人工合成语言的主要问题是可懂度及与自然语言的差别．这一方面还有很长的一段路可走．
4．在医学方面的应用数字式的超声医疗诊断设备正越来越广泛地用于实际的诊断．这一方面最突出的例子是彩色B超和多普勒血流计．这是一种多基元的超声发射及接收设备，可以把人的内脏以很高的清晰度显示出来，为医生诊断提供有力的辅助手段．
5．通讯电话信号的数字传输已被广泛采用，特别是由于光纤的使用，使数字传输以很快的速度取代老式的电话传输线路．数字采样用8kHz，8bit，电话信号的通频带为3.4kHz．在传输时，一般以24路为一个群，一次群频率为1.544Mbit·s－1，一根光纤的传输率可高达1000M，也就是大约可容纳15000路电话．目前我国已开通自武汉至北京，北京至哈尔滨等多条光纤传输线路．