我所理解的水声学

本文搬运自我的知乎文章。

水声学是第二次世界大战期间产生和发展起来的尖端科学。参考刘伯胜第二版《水声学原理》，水声学可分为水声物理与水声工程，理论和应用互为表里。水声学就是研究包含某种特定信息的声波在水中的产生、传播和接收。

哈工程本科水声学教学的骨架主要参考的是美国人乌立克写的《工程水声原理》（哈工程图书馆可以借到72年印刷的版本），研究生水声学教学主要参考苏联人布列霍夫斯基的《海洋声学基础》与《海洋声学》（老师们都有电子版）。另外研究水声传播原理，参考书是杨士莪院士写的《水声传播原理》以及国外那本最有名的《computational ocean acoustics》。

目前知乎上介绍水声学的答案和文章还比较稀少，但是搜索提问，发现有不少看起来很浅显的关于水声的问题不断有人提出而几乎没有好的回答。本人是水声工程专业的研究生，希望能在知乎这个平台分享关于水声学（包括水声物理和水声工程）的内容，并且回答一些有关水声学问题。

由于个人知识有限，只能展示水声学很小一部分内容，也无力整理成体系。目前的想法是以研究生的《水声学原理》课程为框架，再辅助以声学原理、水声传播原理、水声信号处理（包括时频分析和统计信号）等内容，针对水声学中一些基础的或者有趣的问题作一个回答或者知识的扩展。如果以后能一直从事这方面的工作，可以一直对这些内容进行补充完善。

声音可以在水里传播吗？是怎么传播的？传播起来是快是慢？是直线传播吗？声音在水中和在空气中或者固体中传播有什么区别？声音是怎么产生的？声线是不是和光线类似？为什么在水里听不清岸上的声音？为什么在水里要用声波而不是电磁波通信？声纳是什么？声纳和雷达的区别是什么？不知道大家有没有想过这些问题，学习了水声学，我们完全可以回答这些问题。在这些的基础之上，我们可以思考更复杂和深刻的问题。

言归正传，接下来介绍我所理解的水声学。简单来说，水声学原理包含：海洋（声学特性、声传播影响、反射特性、散射特性）、声传播（传播理论、水平分层介质、三维海洋环境）、目标回波特性（瑞利散射、kirchhoff近似、亮点模型）、声散射与海洋混响（射线模型、简正波模型、强度、时域波形）、海洋环境噪声（体积噪声模型、表面噪声模型、分层介质模型）等内容。

水声学可以看作是被现实需求“逼”出来的学科——为了在战争期间搜索德国潜艇。水声学为制造声纳设备服务，无法用于声纳的水声现象是我们不感兴趣的。

那么为什么是声而不是电磁波？因为电磁波在水中的衰减相当快，不能远程传播。声波在目前依然是我们唯一能在水中远程传播信息的手段。

再来谈谈声呐设备，声呐主要有主动声纳和被动声纳两种，两种声纳设备的区别在于是否主动发射声波。被动声纳是被动接收潜艇（和其他水下设备）发出的声音。主动声纳可以主动发出声波，声波打在潜艇上产生反射（也就是回波），再被主动声纳接收，从而探测目标。

有了以上粗浅的认识，理解了为什么必须使用声波，我们可以想到，水声学将研究和解决以上整个过程中的产生的各种问题：1.声波的产生，这涉及了一种叫换能器的设备，换能器可以实现声能与电能的转换，是水声工程中很大一块内容。2.声波的传播，这是水声物理的重要内容。3.声波的接收，这里涉及到水声信号的处理，以及一种叫水听器的设备。

由于个人知识结构的原因，我目前会着重介绍水声物理方面的内容，偏重理论。我希望用一种简单的语言，避免使用过多的公式，大概说清楚这些难懂的原理。一可以为非这个专业的朋友们提供一些通俗知识，二可以为本专业的同学提供一个对专业整体的认识。