第一部分　水声学（物理基础）
　　本部分提供了其他两部分所需的水声学基本知识。虽然声学这个词汇最初与室内的声音特性有关，但在本书中，它的概念被扩展到包含空气在内的其他介质中的波动现象，以及人耳可听频率范围以外的频率。
　　第1章概述水下声音的变量符号和基本概念，为后续各章提供理论基础。第２章包含两个重要的部分：描述不同鲸类动物发出的声音，并介绍不同声音之间的分类。第３章介绍并讨论声呐方程的所有组成部分，它是声呐设计和性能分析的重要环节，其中重点介绍与PAM密切相关的被动声呐方程。
　　第1章　水声学原理
　　本章介绍水声学的基本理论，为理解鲸类动物叫声以及声呐方程奠定理论基础。同时覆盖水声学原理的全部内容，但未对内容做细节性论述，主要对水声学原理中的基本物理量以及基本概念进行论述，以此支撑后续章节的展开。此外，本章综合各种涉及水声学的教材，在被动声学监测(PAM)系统背景下，介绍水声学基本理论，主要包含以下内容：
　　(1)以压力波形式存在的声音及其波动方程；
　　(2)水下声音测量(单位为分贝(dB))；
　　(3)声速模型和声速剖面；
　　(4)声传播理论；
　　(5)声音作为一种载体、干扰或噪声。
　　1.1　以压力波形式存在的声音
　　“声音”一词最早用来描述空气中的压力波，指可以被人听到的声音(Randall， 1951)。本书将遵循水声学的基本定义，使用“声音”一词表述所有由压力波动产生的压力波，而不考虑声波的传播频率和传播介质。
　　1.1.1　波动方程
　　波动方程属于物理学中较重要的方程之一，它非常重要，值得详细推导。事实上，几乎所有物理学教科书以及大多数海洋学书籍中均对波动方程做过推导(Randall，1951；Medwin and Clay，1998；Kinsler et al.，2000)。从基础物理学原理推导波动方程主要取决于波的传播介质，由于传播介质的特殊性，波动方程的推导可能很简单，也可能会比较复杂。然而，波动方程的神奇之处在于其最终表示的物理量不受物理现象(如声波、海洋表面波、电磁波等)以及波传播介质(气体、液体、固体等)的影响。
　　波的传播理论与物理学的一个基本原理(牛顿第二定律)相关，该定律指出物体的运动变化与作用力成正比，且运动方向与作用力方向相同(Crease，2008)。
　　物体运动方程的数学形式可由式(1.1)给出：
　　(1.1)
　　式中，为物体的质量(kg)，原则上讲，是会随时间变化的(如火箭)；为物体的速度；为作用在物体上的总作用力(kg？m/s2)。表示质量和速度乘积的时间变化。乘积也称为物体的动量。对于恒定的，牛顿第二定律一般表达式为，方程中表示速度相对于时间的导数，即物体的加速度。
　　方程(1.1)中和均为简单的数字或标量，如力可用一个数字进行表述。通常，当力作用于现实世界的单个维度(垂直或单一水平方向)时，通常使用此标量符号。在力的“任意三维描述”下，即当用、、方向的分量组合描述力时(在笛卡儿坐标系中)，应有一组3个不同的方程。在这种情况下，通常采用将所有方向方程组合在一起的向量表示法，假设质量恒定，则方程(1.1)可写为
　　(1.2)
　　式中，与分别为速度向量和作用力向量的、、分量。
　　方程(1.2)是用来描述物体受力的3个运动方程，该表达式在笛卡儿坐标系中可表示为
　　(1.3)
　　当在球坐标中描述力时，即沿方位角和仰角测量径向上的力，可以得到
　　(1.4)
　　通过调整方程(1.2)中的向量，可以得到一个更为简洁的方程，而且此方程不依赖于实际中对力和速度的测量。
　　牛顿第二定律适用于所有运动物体。同样，此定律也适用于在环境条件保持不变的情况下，给定介质中因某些力而发生位移的小质点的运动。为了能够按此方式移动质点，介质必须是可被压缩的。气体是可压缩的，液体、固体也是可压缩的，当然，气体比液体或固体更容易被压缩。
　　在未对质点施加任何作用力的情况下，根据牛顿第二定律，气体中的质点是不会改变其速度的。从经验得知在没有任何力的情况下，实际的气体是不可能存在的，因为一定体积内的气体分子会由于碰撞而不断改变它们的方向，而且不仅有作用力作用于气体，还有作用力作用于气体分子之间，使气体保持在一起。气体分子间的碰撞通常由气体的压力来描述，高气压代表高碰撞率。因此，实际的气体特征被压力、体积和温度等物理量所概括描述。这些压力、体积和温度等物理量又构成了热力学这一物理学科的基础。
　　为了产生声波，必须通过施加额外的压力来打破压力平衡，的单位是N/m2(牛顿每平方米)。外力导致介质(如气体)中的质点移位时，通常会造成气体压力局部发生改变，也就是说，在介质中产生了一种声压梯度。假设使质点位移的外力消失，则气体质点恢复其(动态)平衡。
　　声压梯度的恢复力表示为
　　(1.5)
　　式中，为声压梯度作用于密度为的一块气体的体积。算子称为纳布拉(Nabla)微分算子，描述的是空间梯度。在假设的示例中，它说明了声压如何在方向上变化，即。
　　根据方程(1.5)，牛顿第二定律变为声压梯度的函数：
　　(1.6)
　　即质点振速与声压梯度方向相反。
　　将运动方程(1.6)与连续性方程合并，在笛卡儿坐标系中可表示为
　　(1.7)
　　得到气体密度变化与气压变化相关联的方程：
　　(1.8)
　　式中，为密度因外力作用而发生变化的速率；为沿轴的声压梯度。方程(1.8)表示密度速率对时间求导可由声压梯度的空间变化表示。
　　方程(1.8)是在笛卡儿坐标系中给出的，与方程(1.5)类似，通过以下方程引入了一个新的物理量：
　　(1.9)
　　式中，为拉普拉斯算子。因此
　　(1.10)
　　对波动方程进行推导，需要知道压力和密度的关系。在不考虑不同介质(气体、液体)特性的情况下，可以将介质中的压力表示为密度的函数：
　　(1.11)
　　假设压力的变化(用符号表示)与密度的变化呈线性关系，即
　　(1.12)
　　表明比例常量是正数，即压力始终随密度增加而增大。因此，可以得到
　　(1.13)
　　将方程(1.13)代入方程(1.10)中，可以得到波动方程的声压表示：
　　(1.14)
　　方程(1.14)是常规的波动方程，该方程将局部压力的时间变化与周边压力场的空间差异相关联。拉普拉斯算子给出了空间差异，其形式取决于使用时所选取的坐标系。
　　对于研究目标存在完全球对称的情况，可以在球坐标系中使用拉普拉斯算子，只保留关于半径向量r的导数，该方程可表示为
　　(1.15)
　　经过化简后，可得到球面波波动方程：
　　(1.16)
　　球面波波动方程在水声学中发挥着重要作用，与一般声源相比，海洋尺度在空间上要比它大得多，因此在一定距离上完全符合球对称条件。除此之外，球面波波动方程是一个一维波动方程(仅取决于半径)，极大地简化了分析过程。

目录
译者序
致谢
导论
第一部分 水声学（物理基础）
第1章 水声学原理 3
1.1 以压力波形式存在的声音 3
1.1.1 波动方程 3
1.1.2 波动方程的解 7
1.1.3 波动方程周期解 9
1.1.4 波长-频率关系 11
1.1.5 声阻抗 11
1.1.6 平面波近似于球面波 12
1.1.7 声强 12
1.1.8 声能流 13
1.1.9 平均声强 14
1.1.10 总辐射声能 15
1.2 水下声音测量 15
1.2.1 分贝刻度的正式定义 15
1.2.2 声压级 16
1.2.3 强度比和分贝值转换 17
1.3 声速 17
1.3.1 空气中的声速 18
1.3.2 海水中的声速 19
1.4 声传播 24
1.4.1 斯内尔定律 24
1.4.2 界面的反射现象 25
1.4.3 海底界面 27
1.4.4 声吸收 29
1.5 信号、噪声及干扰 31
1.5.1 信号 31
1.5.2 噪声 32
第2章 鲸类动物叫声 34
2.1 鲸类动物分类 34
2.2 鲸类动物叫声分类 34
2.2.1 回声定位信号的一般特征 35
2.2.2 通信信号的一般特征 36
2.2.3 鲸类动物声音的一般表示 36
2.3 鲸类动物声音的时域特性 36
2.3.1 喙鲸嘀嗒声 37
2.3.2 海豚嘀嗒声 39
2.3.3 抹香鲸回声定位嘀嗒声 40
2.3.4 从远处接收到的抹香鲸嘀嗒声 42
2.3.5 抹香鲸咔嗒声 44
2.3.6 港湾鼠海豚嘀嗒声 44
2.3.7 嘀嗒声间隔 45
2.4 鲸类动物声音频域特性 46
2.4.1 频谱分析 46
2.4.2 鲸类嘀嗒声的频谱 52
2.5 鲸类动物声音的时频联合分析 54
2.5.1 理论背景 55
2.5.2 海豚哨声 63
2.5.3 脉冲呼叫 68
2.5.4 嗡嗡声和快速脉冲序列 75
2.5.5 呼叫声序列 76
2.5.6 鲸歌 78
2.6 声源指向性 79
2.7 鲸类动物声源级 81
2.8 鲸类动物分类 82
2.8.1 须鲸亚目(Suborder Mysticeti)：须鲸(baleen whale) 83
2.8.2 齿鲸亚目(Suborder Odontoceti)：齿鲸(toothed whale) 84
第3章 声呐方程 90
3.1 被动声呐方程 90
3.2 等效声源级 91
3.3 声传播 94
3.3.1 传播损失建模 95
3.3.2 可选的几何扩展定律 101
3.4 噪声级 102
3.4.1 噪声谱级 103
3.4.2 噪声掩蔽效应 103
3.4.3 表面噪声 103
3.4.4 表面噪声随深度的衰减 104
3.4.5 船舶噪声 104
3.4.6 湍流噪声 105
3.4.7 热噪声 105
3.4.8 总体环境噪声谱 105
3.5 阵增益 107
3.6 处理增益 109
3.7 检测阈 109
第二部分 信号处理（设计工具）
第4章 检测方法 113
4.1 检测回声定位嘀嗒声 113
4.1.1 阈值检测器 114
4.1.2 信号振幅、信号功率和信号包络 117
4.1.3 信号提取 120
4.1.4 预处理原始数据 123
4.1.5 序贯概率比检测器 126
4.1.6 检测性能 129
4.2 数据滤波 131
4.2.1 噪声均衡滤波器 131
4.2.2 带通滤波器 133
4.2.3 滤波器性能 135
4.3 信号检测脉冲压缩 136
4.3.1 匹配滤波器理论 136
4.3.2 露脊鲸上扫频叫声的匹配滤波 138
4.4 海豚哨声检测 140
4.4.1 频谱均衡 143
4.4.2 局部*大检测器 143
4.4.3 哨声频谱轮廓跟踪及提取 146
第5章 分类方法 153
5.1 分类基础 153
5.2 *优分类 154
5.2.1 二分类检测 156
5.2.2 呈高斯分布的特征矢量 157
5.2.3 方差分析 159
5.2.4 主分量 161
5.2.5 聚类分析 162
5.3 鲸类动物分类 169
5.3.1 嘀嗒声分类 169
5.3.2 深海潜水生物分类 173
5.3.3 嘀嗒声串分类 176
5.3.4 哨声分类 184
第6章 定位与跟踪 187
6.1 多水听器测距 187
6.2 三角测距 192
6.3 多路径测距 194
6.3.1 声源距离估计 195
6.3.2 声源深度估计 196
6.3.3 基于到达角的声源深度估计 197
6.3.4 仅使用到达角的声源深度估计 198
6.4 声学建模测距 198
6.5 到达时间差的测量 199
6.6 到达方向测量 200
6.7 三维测向 201
6.8 二维限制下的测向 203
6.9 波束形成 205
6.10 波束图 206
6.10.1 稀疏阵列波束形成 209
6.10.2 采样数据波束形成 212
6.11 跟踪 213
6.11.1 跟踪的基础知识 213
6.11.2 数据关联 214
6.11.3 数据滤波和状态预测 215
第三部分 被动声学监测（集成应用）
第7章 被动声学监测的应用 227
7.1 丰度估计 227
7.1.1 检测出某动物的概率 228
7.1.2 样线 230
7.1.3 样点 231
7.1.4 声线索计数 232
7.1.5 利用声音计算潜水次数 234
7.1.6 集群目标的密度估计 234
7.1.7 在样线及样点带中检测移动的鲸类 235
7.2 风险降低：不存在估计 237
7.3 栖息地和行为分析 239
7.3.1 协变量建模 240
7.3.2 声学及栖息地分析 242
7.4 罕见隐匿物种监测 242
7.5 记录声信息 243
第8章 检测函数 245
8.1 经验检测函数 245
8.2 *小均方参数估计 246
8.3 基于声呐方程的检测函数建模 246
8.3.1 针对离轴衰减建模 248
8.3.2 回声定位嘀嗒声的离轴分布 249
8.3.3 基于声呐方程的检测函数 250
8.4 动物行为建模 255
8.5 动物运动影响的建模 257
第9章 仿真采样策略 259
9.1 针对单点调查检测概率建模 260
9.2 单点调查模拟仿真 262
9.2.1 目标位置仿真 262
9.2.2 检测过程仿真 263
9.3 基于单点调查的丰度估计 265
9.4 随机移动动物的回声定位嘀嗒声距离分布 269
9.5 检测函数的随机仿真 275
9.5.1 距离和离轴联合概率分布 275
9.5.2 检测函数 276
9.5.3 基于模型的检测函数的优点 285
第10章 被动声学监测系统 286
10.1 硬件部分 286
10.1.1 水听器 286
10.1.2 水听器频率响应 287
10.1.3 前置放大器 292
10.1.4 模数转换器 297
10.1.5 非声学传感器 301
10.2 软件部分 302
10.2.1 数据采集模块 303
10.2.2 数据存储模块 304
10.2.3 信号处理模块 305
10.2.4 显示模块 305
10.2.5 监测模块 306
10.2.6 被动声学监测控制模块 307
10.3 被动声学监测系统实现 307
10.3.1 吊放水听器 307
10.3.2 拖曳阵列 308
10.3.3 声学浮标和自主被动声学监测系统 309
10.4 被动声学监测展望 310
参考文献 312
索引 343