超声波反射实验项目
超声波探测装置产生脉冲超声信号，在不同阻性介质表面，超声波被反射，测量信号从介质表面传递到信号接收器需要一定的时间。为了简化计算，应使信号发生器和信号接收器处在同一位置上。在已知声速的情况下，由信号发生器发出的信号和信号接收器接收的信号在示波器上显示的时间差，可以得到反射物与信号发生器所在位置的距离。这个方法通常可以用来测量海水的深度。在接下来的实验中，回声测深器原理将用于确定空气中的声速以及反射物与信号发生器所在位置的距离。 一．实验项目
1．定性观察超声波探测器的原理：
1.1 改变超声转换器与反射屏幕之间的距离，观察示波器上接收信号的变化;
1.2 在不改变接收信号的条件下，增加AC放大器的值，观察示波器上接收信号的变化。
1.3 在反射屏幕与超声转换器之间放置另一个物体，观察接收信号的变化。
2．确定声速：
2.1 将反射屏幕放在距发送器0.5M的地方，从示波器上读出通过时间；
2.2 每增加10厘米，记录相应的时间延迟，记录十组数据。
2.3 利用所测数据作时间-距离曲线，根据曲线斜率确定声速。
3．根据时间延迟，确定反射物的位置：
3.1将反射物置于任一位置记下该位置，记录对应时间延迟。
3.2根据时间关系曲线，求出记录时间对应的距离，并和测定距离值比较，分析结果。
二．实验装置及实验操作
1．实验装置
2．实验操作
带芯人孔
2.1 仪器调节1：服装道具制作
两个超声转换器面对面相距1m.
将超声转换器A连接信号发生器，取连续信号。
将超声转换器B通过Ac放大器与示波器通道1连接。
调节AC放大器，使通道1中显示波形的振幅从最大到最小，并观察示波器中接受的信号。
调节信号发生器的频率，使得接收信号振幅最大。
2.2 仪器调节2
超声信号发送器和接收器并排放置，相距约10cm。
反射屏幕距离超声信号发送器和接收器为1m。
调节信号发送器和接收器，使接收器能最大限度的接收到发射信号。
信号发生器（40kz），取脉冲信号。完美分割
将信号发生器的激发输出端与示波器的激发输入端连接，将示波器调为外激发模式。
将接收信号输入示波器通道1。
将示波器的电压灵敏度设为0.5V/DIV，时间灵敏度设为1M S/DIV.
按照以上步骤完成仪器调节后，可以进行数据测定。值得注意的是，超声波传播的距离是S=2d( d为反射物到探测器的距离)。空气中的声速是与环境温度有关的函数，具体表达式为：C=331.6+0.6t (m s-1/C)
三．知识背景
声纳，也叫声雷达，是英文缩拼字Sonar的音译，其原意是指声音导航与测距。 声纳是利用水中声波进行探测、定位和通信的电子设备。声学(声纳)是各国海军进行水下监视使用的主要技术，用于对水下目标进行探测、分类、定位和跟踪；进行水下通信和导航，保障舰艇、反潜飞机和反潜直升机的战术机动和水中武器的使用。此外，声纳技术还广泛用于制导、引信，以及鱼探测、海洋石油勘探、船舶导航、水下作业、水文测量和海底地质地貌的勘测等。声纳可按工作方式，按装备对象，按战术用途、按基阵携带方式和技术特点等分类方法分成为各种不同的声纳。例如按工作方式可分为主动声纳和被动声纳；按装备对象可分为水面舰艇声纳、潜艇声纳、航空声纳 、便携式声纳和海岸声纳，等等。
声纳装置一般由基阵、电子机柜和辅助设备三部分组成。基阵由水声换能器以一定几何图形排列组合而成，其外形通常为球形、柱形、平板形或线列行，有接收基阵、发射机阵或收发合一基阵之分。电子机柜一般有发射、接收、显示和控制等分系统。辅助设备包括电源设备、连接电缆、水下接线箱和增音机、与声纳基阵的传动控制相配套的升降、回转、俯仰、收放、拖曳、吊放、投放等装置，以及声纳导流罩等。
主动声纳技术是指声纳主动发射声波"照射"目标，而后接收水中目标反射的回波以测定目标的参数。大多数采用脉冲体制，也有采用连续波体制的。被动声纳技术是指声纳被动接收舰船等水中目标产生的辐射噪声和水声设备发射的信号，以测定目标的方位。
影响声纳工作性能的因素除声纳本身的技术状况外，外界条件的影响很严重。比较直接的因素有传播衰减、多路径效应、混响干扰、海洋噪声、自噪声、目标反射特征或辐射噪声强度等，它们大多与海洋环境因素有关。例如，声波在传播途中受海水介质不均匀分布和海面、海底的影响和制约，会产生折射、散射、反射和干涉，会产生声线弯曲、信号起伏和畸变，造成传播途径的改变，以及出现声阴区，严重影响声纳的作用距离和测量精度。现代声纳根据海区声速--深度变化形成的传播条件，可适当选择基阵工作深度和俯仰角，利用声波的不同传播途径(直达声、海底反射声、会聚区、深海声道)
来克服水声传播条件的不利影响，提高声纳探测距离。又如，运载平台的自噪声主要与航速有关，航速越大自噪声越大，声纳作用距离就越近，反之则越远；目标反射本领越大，被对方主动声纳发现的距离就越远；目标辐射噪声强度越大，被对方被动声纳发现的距离就越远。
人类社会两次残酷的世界大战都发生在20世纪。一战期间为了对付德国人的潜艇攻击，各国海军考虑了许多方法探测水下潜艇。其中包括热、磁、电磁以及声的方法，只有声探测方法有效。从此，声信息进入了海战场最雏形的信息战。最早出现的声纳是达芬奇管式的被动舰壳声纳和拖曳声纳，具有对目标的估距能力。为了适应武器设计高精度定位的需要，一战末期开发了主动回声测距声纳（战后投入使用），所用的电声换能器是朗之万式压电晶体换能器。声纳装备至今已有八十年以上的发展史。
一战之后，各国加紧了声纳的研究进程。其中美、英等国重点发展主动声纳，德国则主要发展被动声纳。在此期间，对声纳设计有重要关系的传播介质的认识（主要是声速梯度）及假设检验与估计理论的应用提到了各国海军的议事日程之上。
二战和战后冷战时期的迫切需求进一步促进了声纳装备的发展。美国人把水声与雷达、并列为三大发展计划。水声传播、噪音、混响、反射的理论和实验研究工作广泛展开，特别是在用计算机解声传播方程方面的研究成果解决了声纳系统设计的水声建模难题。包括主动辐射器和被动水听器在内
的水下电声换能器技术取得长足的进步，大大促进了声纳装备的发展。
在声纳开发的起步阶段先后研制成功了电晶体材料和磁致伸缩（利用电磁效应）材料的换能器，后来又开发了压电陶瓷材料的换能器，至今仍广泛使用。近年来又涌现出各种新材料和新概念，如新磁致伸缩材料（稀土－铁磁致伸缩等）、复合材料、压电聚合物、光纤水听器等。60年代末到70年代初诞生了全数字声纳处理系统。
核潜艇的出现及其发射远程弹道导弹的能力，使得短距离主动声纳已不能满足探测潜艇的要求，各国海军转而发展被动声纳以保证远距离探测与识别水下目标。低频和大孔径成为这一时期研制远距离探测声纳的发展方向。各国海军先后研制成功了舰（艇）壳安装的共形阵和连续的舷侧阵列声纳、长拖曳线阵列声纳、低频大孔径被动声纳等。与此同时，舰载直升机/岸基巡逻机搜潜系统（包括被动浮标声纳和主动吊放声纳）和岸基被/主动声纳站也相继发展起来。
由于声隐身技术的迅猛发展，核潜艇虽然产生的总能量可观，但只有极少的一部分以声能的形式向外辐射，使声纳探测面临严重挑战。为适应这种形势，人们又把部分注意力转向主动拖曳线阵列声纳为代表的低频主动声纳，特别是面向浅海工作的，对付更为安静的柴－电潜艇的低频主动声纳。
2．各国近年来新型工作体制声纳的研究
传统的声纳都要依托舰艇平台，因而受到许多限制：1、空间有限，特别是容纳阵列声纳的空间有限，制约了声纳性能的提高；2、来自舰艇平台的自噪声（包括航行水噪声）是声纳工作的重要干扰源；3、对水面舰艇来说，声纳不能根据水文条件（声速分布情况）的变化而改变声纳深度，因此不能随时接收最佳的水声信号。拖曳变深声纳的出现，部分地突破了上述局限。为扩展阵列声纳孔径，变深声纳的拖体逐渐演变成数百米的长线阵列，形成了拖曳线阵列声纳。这种阵列声纳拖于航行中的舰艇后面，舰艇上安装的设备对来自水听器阵列的信号进行前置调节、处理和终端显示，进而将水下探测信息经卫星发往岸上设备，与其它数据一起进行综合分析。
除此之外，发达国家更为普遍地发展了战术拖曳线阵列声纳，如美国当前装备海军舰艇的AN/SQR-19声纳，它是在AN/SQR-15和AN/SQR-18的基础上开发而成的。该阵列声纳长800英尺，拖缆长5600英尺，拖曳深度可达1200英尺。
被动拖曳线阵列声纳是以检测目标航行时的水下噪声为手段探测目标的，随着潜艇技术的发展，潜艇噪声越来越小，用被动拖曳线阵列声纳探测目标越来越困难。为此，各国海军又把目标投向了主动式探测声纳，开始研制低频主动拖曳线阵列声纳。北约水下研究中心于80年代开始研究工作，1992年其研制的主动拖曳线阵列声纳首次参加军事演习。1991年荷兰和德国联合研制低频主动拖曳线阵列声纳，94~97年之间分别进行了海上研究实验。
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小型地源热泵其它的工作体制声纳还有：潜艇用舷侧阵列声纳，该声纳布设声接收阵列于艇体两舷侧，充分利用艇体船舷侧面，可增大阵列声纳的孔径，提高空间增益，改善声纳探测性能。合成孔径声纳，利用声纳载体平台的运动，将尺度有限的阵列声纳物理孔径所接收到的信号沿运动轨迹作延时补偿，使信号相干叠加，从而合成一"虚拟"的增大数倍甚至数十倍的声学孔径，以提高阵列声纳的空间增益，改善对目标的方位分辨能力。
3．声纳系统的发展趋势
冷战结束之后的海战场已进入了信息战时代。声纳的发展也迈向了知识和信息时代，主要表现在以下方面：
3.1 继续向低频、大功率、大基阵方向发展。鉴于声波在海水中的传播特性以及低频大功率与基阵的关系，开发大孔径低频声纳技术是解决远程探潜、进行有效反潜的前提。
黄粉虫筛选机3.2 向系统性、综合性发展。舰艇声纳系统将由单项功能的单部声纳逐步发展为由多部声纳组成的收-发分置、多基地、多传感器的综合声纳系统，并进而构成潜艇战和反潜战声知识基作战系统。如美国水面舰艇装备的AN/SQQ-89反潜综合作战系统，它是由舰壳主动声纳、战术拖曳线阵列声纳、舰载直升机搜潜系统和声纳信号处理机、反潜火控系统和声纳状态方式评估系统等组成。该系统于1991年开始装备"阿利?伯克"级驱逐舰。
3.3 向系列化、模块化、标准化、高可靠性和可维修性发展。现代声纳设备，无论是换能器基阵、还是信号处理机柜及显控台，都趋向采用标准化的模块式结构。这种结构具有扩展性好、互换性强、便于维修、可靠性强、研制周期短、研制经费少的优点。
3.4 计算机的应用使声纳向智能化方向发展。用计算机进行声纳波束形成、信号处理、目标跟踪与识别、系统控制、性能监测、故障检测等。可大大提高声纳的性能。随着第五代计算机（即人工智能计算机）的问世，声纳也正在向智能化方向发展。目前神经网络的研究取得了令人瞩目的进展，它与计算机技术和信号处理技术相结合，使声纳智能化成为可能。
3.5 由均匀传播介质、各向同性噪声场和单个平面波信号条件下的声纳设计发展为开发和利用非平面波、非高斯、非平稳信号和噪声实际特性的环境处理的声纳设计，以获取和占有更多的信息和知识，大幅度提高声纳检测距离、定位精度、识别正确率和目标运动分析／跟踪能力。
4．21世纪声纳装备的支撑技术
舰载声纳系统是舰艇探测水面舰艇、水中武器、潜艇的主要手段。国外海军不惜投入大量人力物里，开发研究声纳技术和装备。在未来海战场信息战中，声纳及综合声纳系统将扮演越来越重要的角。20世纪形成的初级知识型声纳和综合声纳系统，在21世纪必将得到进一步的发展和提高。21世纪声纳技术将应用海洋声学、电子学、计算机学、材料学、通信理论等领域的最新成果，用更精致的模型表
征海洋声环境物理特征，从而创造出高级知识型声纳和声纳系统。
