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淺談潛艇的探測技術--聲音和電磁信號測試
2010/09/01 08:42:27瀏覽1490|回應2|推薦4
此文是對YST關於潛艇的聲音和電磁波分貝測量的一個補充。

謝謝市長的努力,本人在這裡幫忙解釋一下有關聲音和電磁波分貝的測量。

分貝的定義,YST在原文中間已經做出了清晰描述,這裡不重複。我在這裡從測量的角度加以說明,大家可能就更加清楚了。

聲音和電信號的強度在分貝dB的定義上是一樣的,都是以一個基本噪音背景作為比較基礎,但是測量方法卻很不相同。

先說聲音和電磁信號的產生,有介質的地方,就一定有聲音,比如介質內部的分子運動,固體裡面微板塊運動,微斷裂,都會產生聲音,另外一個例子,就是你晚上睡覺的時候,你一定聽到你自己的耳朵鳴,有人以為是病,其實那是血液流過你耳朵鼓膜附近的一條動脈的聲音,只是因為環境非常安靜,你的耳朵的靈敏度很高而已。所以說,只要有介質存在,就沒有一個絕對安靜的地方,一定有聲音,這就是通常所說的背景噪音。電磁信號也一樣,只要有物質存在,就有電磁波存在,最低限度的電磁波,就是原子中的電子圍繞原子核高速旋轉而產生的電磁波,當然現在所說的電磁波,主要是人為產生的各種電磁波,是通過定向電流產生的。

再說聲音和電磁信號的傳遞,聲音(從次聲波到超聲波)必須在介質裡面傳播,介質是任何固體,液體和氣體,如果離開這些介質,聲音就無法傳播,所以聲音不能在太空傳遞。電磁信號跟聲音不同,不需要介質,所以電磁信號可以在太空中傳遞。當然電磁信號也可以在介質中傳遞,但是衰減很快,電磁信號在金屬介質介質中的傳遞距離極短,所以可以用金屬來屏蔽電磁信號。

後說信號採集,聲音和電磁信號是用不同的方法採集,聲音是通過拾音器(聲電轉換器),需要把拾音器捕獲到的聲音震動轉換為電信號,用從聲音轉化而來的電信號強度來表示聲音的強度,如果用示波器來表示,你看到的可能是毫伏或者是微伏的微弱電信號,當然還有頻率的信息。電磁信號,則是使用偶合的方法來捕獲,也就是天線偶合,這點YST在原文和各位的補充說明中,已經很清楚。

最後說測量規則,由於聲音在介質中的衰減非常快,聲音的測量在不同地點所測量到的電信號強度差別很大,所以在噪音的測量過程中,必須定義一個測量距離,最常用的距離是把測聲器的拾音器置於聲源1米的位置,所測出的聲音量級,同時由於人的耳朵對聲音的頻率敏感度也不一樣,所以還定義了一個頻率權重選擇網絡,dB(A)是最常見的的測量和表達方法,還有B和C,這裡的A,B,C是於聲音頻率有關的加權方法,A加權法最常用,這個頻率範圍是人耳朵的敏感區。

那麼我們所謂的超音速戰鬥機的嘯叫聲是120分貝的意思,就是說,在距離噴射發動機1米左右位置所測得的噪音等級。靜音潛艇是110分貝,就是說,在靠近潛艇螺旋槳的位置1米左右所測得的噪音等級。所以嚴格來說,所謂靜音潛艇,有多靜音?不管你怎麼做靜音處理,都還有100分貝,你想像一下,100分貝是多麼吵鬧。一個女人在你耳朵1米左右的距離尖叫,也就是80分貝而已。

潛艇難於探測,噪音小,僅僅是原因之一,最重要的原因是水下行走的機制的優越性。聲音在水面下傳播,速度比在空氣裡面快些,衰減也比在空氣裡面慢一些,但是沒有達到一個數量級,也就稍微可以傳遠一些。所以在幾公里以外的距離上,就算有110分貝的噪音,你也很難聽到了。所以前一段時間,美國佬說,中國的潛艇從青島開出,美國佬在關島就聽到了,你信嗎?如果他真能聽到,那麼我估計這個世界上沒有人敢放屁了,因為誰都能聽到,一定很丟人,而且那專心聽別人放屁的人,一定會被吵死。美國佬的這個說法就跟當年周恩來說中國是用竹竿把U2捅下來的一樣,信不信由你。

電磁波的測量跟噪音有區別,因為電磁波的衰減遠沒有聲音衰減那麼快,所以測量位置,也就不如聲音測量那麼敏感了。
( 創作另類創作 )
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啥啊?
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美國佬說,中國的潛艇從青島開出,美國佬在關島就聽到了
2010/09/02 01:33
據說俥葉在 1-10 Hz 波段的噪音可以傳幾千公里,因為水在這個波段的吸收很低。古聖先賢說「好事不出門,俥葉傳千里」就是這個意思。

青島到關島約 3000 km。如果噪音只以距離平方反比衰減(最美好的狀態),1 m 處的噪音到了 3000 km 外就是 1/(3000k)2 = 1/(9*1012),差不多等於 10-13

假設美國人聽到的是 1970-1980 年代的老古董在最高速時發出的巨大噪音,假設在 1-10 Hz 波段的音量是 120 db,雖然這個音量在 3000 km 外已經小到不行了,如果美國人在關島外海造個夠大的固定水底聽音器陣列(相當有效半徑幾十公尺以上),加上夠強的訊號處理,說不定還是可以聽到。我不確定。

因為波在水下的行進的路線很混亂,說不定多少秒內會發生一次建設性干涉,從不同路徑過來的波剛好加起來振幅變大。也許這就是聽得到的原因。能聽到是一回事,能不能定位就是另一回事了。

我猜重點是關島,不是說 1000 km 外的某艘 688 攻擊潛艦。如果是 688,艦首的聲納就只有五公尺左右的直徑,拖曳聲納多大我不知道。總之,固定的聲納陣列偵測能力一定比潛艦上的強很多。
高雄市是亞特蘭提斯大陸神聖不可分割的一部分!
無知者,無畏(weiyi65) 於 2010-09-02 16:11 回覆:
聲音在海水裡面傳輸,其量級的衰減遵循 Stokes Law,如果我們用Neper/Meter來表示聲音的衰減,Stokes認為,衰減率跟聲音頻率的平方成正比,所以頻率越高衰減越快,如果用分貝來表示衰減,那麼一個Neper大約是8.68dB.

潛水艇發出的聲音,主要是電機驅動螺旋槳攪水的聲音。電機本身的聲音頻率比較高,但是電機在艇內,經過隔音處理傳出艇外的不多。螺旋槳攪水的聲音頻率比較低,螺旋槳攪水發出的聲音,跟螺旋槳的轉速有關,轉速越高,聲音的頻率越高,噪音也越大,轉速越低,所發出的噪音頻率也越低,但是音量也越小。所謂靜音潛水艇的噪音是110分貝,其實遮主要是說的螺旋槳攪水的高頻部份,低頻部份的噪音量級要低得多,所以110分貝實際上是一個權重分析的結果,不是說低頻部份有110分貝。如果低頻部份有110分貝,那麼你也不用去找這個潛水艇了,因為那些艇員全部被低頻噪音殺死掉了。頻率低,雖然可以傳得遠一些,但是噪音量級又很低,所以還是傳不了多遠。按照實測的結果,一般潛水艇的可偵測距離根據特性不同,就算是低頻率的聲波,偵測距離也就幾十公里,超過這個距離,幾乎所有的低頻率聲波都衰減到比背景噪聲更加低的量級。聲音一旦射出海面,就在空氣裡面迅速衰減。所以跟下潛深度的關係不大。這是為甚麼美國的“無敵號”偵測船想盡千方百計往近海靠的原因,遠了他聽不到。並且還要正巧有潛水艇從屁股底下過,才能聽到。

美國佬三番五次地靠近中國近海,目的主要是偵聽潛水艇的頻譜,如果他們手裡有了中國每一艏潛水艇的頻譜,那麼戰時,就可以很快確定對方是誰。遮才是最危險的,遮也是為甚麼中國想方設法都要趕走他們的原因。

中國為甚麼敢發展潛水艇,那麼容易被人聽到,哪裡敢開去日本近海?艦艇學院的學者早就計算過了你可以在甚麼距離下聽到。潛水艇不怕水面艦艇,因為知道水面艦艇在哪裡,最怕的是敵方潛水艇,因為你也不知道敵方的潛水艇在哪裡。等你聽到對方潛水艇的聲音了,也就到了鼻子底下了。這是為甚麼美國一定弄清楚中國潛水艇的噪音頻譜。到時候一旦遇到了,能馬上知道對方是誰,否則哪裡敢亂開火呀,分分鐘是盟友的潛水艇。

精衛填海
等級:8
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電磁波傳輸的衰耗
2010/09/01 21:41

理論上電磁波在真空中傳輸沒有衰耗,但空氣中有衰耗,這在於空氣的固有分子頻率與電磁波頻率相同時會產生共振將電磁波能力吸收轉化為熱能。

在遠處接受電磁波裝置僅僅接受了一小部份電磁波,這在於發生裝置對電磁波的聚焦性能不是很好。其中大量的能力散射在空中。比較好的天線是卡塞格倫天線,它的原理類似于手電筒,將向外輻射的點置於抛物面的焦點上。

當電磁波在金屬導體中傳輸時,由於外層有屏蔽層,能量不會向外輻射,它的性能優於在空中傳輸的,雖然有衰耗,但接受時不會浪費偶外的能量。

無知者,無畏(weiyi65) 於 2010-09-02 16:18 回覆:
電磁波通過定向天線發射,使發射波束度角更加小,甚至是平行發射,這就是太空通訊,雷達和定向能武器的原理。