水聲學(xué)是聲學(xué)的一個分支學(xué)科,它主要研究聲波在水下的產(chǎn)生、傳播和接收過程,，用以解決與水下目標(biāo)探測和信息傳輸過程有關(guān)的聲學(xué)問題,。

聲波是已知的唯一能夠在水中遠(yuǎn)距離傳播的波動，在這方面遠(yuǎn)比電磁波(如無線電波,、光波等)好,，水聲學(xué)隨著海洋的開發(fā)和利用發(fā)展起來，并得到了廣泛的應(yīng)用,。 1827年左右,，瑞士和法國的科學(xué)家首次相當(dāng)精確地測量了水中聲速。1912年'泰坦尼克'號客輪同冰山相撞而沉沒,，促使一些科學(xué)家研究對冰山回聲定位,，這標(biāo)志了水聲學(xué)的誕生。

美國的費森登設(shè)計制造了電動式水聲換能器,，1914年就能探測到兩海里遠(yuǎn)的冰山,。1918年，朗之萬制成壓電式換能器,，產(chǎn)生了超聲波,，并應(yīng)用了當(dāng)時剛出現(xiàn)的真空管放大技術(shù),，進行水中遠(yuǎn)程目標(biāo)的探測,，第一次收到了潛艇的回波，開創(chuàng)了近代水聲學(xué),，也由此發(fā)明了聲吶,。

隨后，水聲換能器的革新,，關(guān)于溫度梯度影響聲傳播路徑的機理,、聲吸收系數(shù)隨頻率變化等水聲學(xué)研究的成就，使聲吶得以不斷改進,，并在第二次世界大戰(zhàn)期間反德國潛艇的大西洋戰(zhàn)役中起了重要作用,。

第二次世界大戰(zhàn)以后，為提高探測遠(yuǎn)距離目標(biāo)(如潛艇)的能力,，水聲學(xué)研究的重點轉(zhuǎn)向低頻,、大功率、深海和信號處理等方面,。同時,，水聲學(xué)應(yīng)用的領(lǐng)域也越加廣泛，出現(xiàn)了許多新裝置,，例如：水聲制導(dǎo)魚雷,，音響水雷主、被動掃描聲吶，水聲通信儀,，聲浮標(biāo),，聲航速儀，回聲探測儀,，魚群探測儀,，聲導(dǎo)航信標(biāo)，地貌儀,，深,、淺誨底地層剖面儀，水聲釋放器以及水聲遙測,、控制器等,。

水聲作為遙測海洋的積分探頭，在長時間內(nèi)大面積連續(xù)監(jiān)測海洋的運動過程以及海洋資源概念也已初步形成,。隨著海洋的開發(fā),，水聲學(xué)在海洋資源的調(diào)查開發(fā)、對海洋動力學(xué)過程和環(huán)境監(jiān)測,、增進人類對海洋環(huán)境的認(rèn)識等方面的應(yīng)用還將不斷地擴展,。

現(xiàn)代水聲學(xué)的研究課題涉及面很廣，主要有：新型水聲換能器;水中非線性聲學(xué);水聲場的時空結(jié)構(gòu);水聲信號處理技術(shù);海洋中的噪聲和混響,、散射和起伏,，目標(biāo)反射和艦船輻射噪聲;海洋媒質(zhì)的聲學(xué)特性等。特別是水聲學(xué)正在與海洋,、地質(zhì),、水生物等學(xué)科互相滲透，而形成海洋聲學(xué)等研究領(lǐng)域,。

水聲換能器是發(fā)射和接收水中聲信號的裝置,，應(yīng)用最廣泛的是電聲轉(zhuǎn)換的水聲換能器，即轉(zhuǎn)換電能為水中聲能的水聲發(fā)射器,，以及轉(zhuǎn)換水中聲能為電能的水聲接收器(即水聽器),。水是聲阻抗率較高的媒質(zhì)，因此要發(fā)射較大聲功率就必須有較大的力,。

常用的水聲換能器按其基本換能機理分為可逆式和不可逆式兩大類,。可逆式(可作接收器)的有：電動、靜電,、可變磁阻(電磁),、磁致伸縮和壓電水聲換能器。不可逆式(不可作接收器)的有：調(diào)制流體(流體動力),、氣動(如氣槍),、化學(xué)能(如信號彈)、機聲(如掃水雷聲源)等。

20世紀(jì)60年代以來,，為了實現(xiàn)聲吶的遠(yuǎn)程探測,，發(fā)展了不少新的換能材料、結(jié)構(gòu)振動方式和換能機理;發(fā)展了工作在低頻,、寬帶,、大功率和深水中的發(fā)射器，具有高靈敏度,、寬帶,、低噪聲等性能的水聽器;出現(xiàn)了新型的水聲換能器，如復(fù)合壓電陶瓷水聽器,、凹型彎張換能器,、利用亥姆霍茲共鳴器原理制成的低頻水聽器、應(yīng)用射流開關(guān)技術(shù)的調(diào)制流體式換能器,、聲光換能器等,。

水聲參量陣分為參量發(fā)射陣和參量接收陣兩類。它利用聲波在水內(nèi)傳播時產(chǎn)生的非線性相互作用,。如發(fā)射器同時發(fā)出兩個頻率相近的高頻波(又稱原波),，由于非線性相互作用，則還產(chǎn)生差頻波及和頻波,，這也可看作為一種新的轉(zhuǎn)換概念,，參量發(fā)射陣?yán)玫木褪遣铑l波。

參量發(fā)射陣可分為原波飽和與無飽和兩種情況(飽和是當(dāng)聲波的振幅足夠大時產(chǎn)生的,，這時,，近場原波的振幅不再隨聲源振幅的增大而增大),，有四種典型模式：無飽和近場吸收限制,、無飽和遠(yuǎn)場球面擴展限制、飽和近場限制,、飽和遠(yuǎn)場限制,。對這四種典型模式的理論研究結(jié)果與實驗符合得很好。對無飽和的兩種模式,，差頻波的聲壓都正比于兩原波聲壓的乘積,。

參量陣的主要缺點是效率很低，它的獨特優(yōu)點是可以利用小尺寸換能器獲得低頻,、寬頻帶,、低旁瓣或無旁瓣、探照燈式的尖銳波束,，應(yīng)用于需要低頻高分辨率探測中,。參量陣已進入實用階段，特別適用于海底淺層地質(zhì)的勘探、水下埋藏物的探測,、淺海特定簡正波的激勵等,。

參量接收陣近來也受到注意，其工作原理與參量發(fā)射陣相同,，非線性相互作用在高聲強的泵波和待接收的聲波之間發(fā)生,，在泵波的聲軸上接收差頻或和頻信號。不過,，參量接收陣的技術(shù)實現(xiàn)難度更大,，實際應(yīng)用為時尚早。

海洋及其邊界(海面和海底)組成復(fù)雜多變的水聲傳播媒質(zhì),，它的復(fù)雜多變性主要表現(xiàn)在隨海區(qū)和季節(jié)而變化,，從而有不同的傳播規(guī)律。

從聲源發(fā)出的聲信號在傳播過程中逐漸損失能量,，這種傳播損失分為擴展和衰減,。擴展損失表示聲波的波陣面從聲源向外不斷擴展的簡單幾何效應(yīng)。但實際上聲波經(jīng)常是在類似于波導(dǎo)中的傳播,，可以在這種波導(dǎo)(稱為聲道)中定向性地傳播很長距離,。衰減損失包括吸收、散射和聲能漏出聲道的效應(yīng),。造成吸收的原因是海水的粘滯性,、熱傳導(dǎo)性、海水中硫酸鎂和硼酸-硼酸鹽離子的弛豫機構(gòu),。吸收使聲強以指數(shù)形式隨距離下降,，吸收系數(shù)一般正比于頻率二次方，因此遠(yuǎn)程聲吶都選用較低頻率,。造成散射的原因包括海中氣泡,、懸浮粒子、不均勻水團,、浮游生物以及邊界的不平整性,，散射一般遠(yuǎn)小于吸收所引起的衰減。聲能漏出聲道的效應(yīng)則因具體聲道而異,。

產(chǎn)生海洋傳播聲道的條件是海洋邊界及特定聲速剖面,。聲速剖面就是海洋的聲速分層結(jié)構(gòu)。海水中的聲速是溫度,、鹽度和靜壓力(深度)的函數(shù),。它大致分為三層：表面層、主躍變層和深海等溫層,。

表面層中的聲速對溫度和風(fēng)的作用很敏感,，有明顯的季節(jié)變化和日變化,。在表面層以下約千米深度內(nèi)，溫度隨深度而下降,，使聲速也隨深度下降,，具有較強的負(fù)聲速梯度，稱為主躍變層,。最下面的稱為深海等溫層,，層中海水處于冷而均勻的穩(wěn)定狀態(tài)，聲速隨著深度的增加而增加,。在主躍變層的負(fù)聲速梯度和深海等溫層的正聲速梯度之間存在一個定速極小值(聲道軸),，形成較穩(wěn)定的深海聲道--聲發(fā)聲道。

在沿岸淺海及大陸架上,，聲速剖面受較多的因素影響,，有較強的地區(qū)變異性和短時間不穩(wěn)定性。但平均而言,，仍有比較明顯的季節(jié)特征,。在冬季的典型聲速剖面是等溫層，在夏季往往是負(fù)躍層或負(fù)梯度,。

在淺海,，由海面和海底構(gòu)成淺海聲道，聲波在聲道中由海面和海底不斷反射而傳播,。海底的聲反射特性,，特別是小掠射角的海底反射損失，是淺海聲場分析和聲吶作用距離預(yù)報的重要參量,，它決定于海底的底質(zhì)和結(jié)構(gòu),。

當(dāng)聲傳播水平距離不特別遠(yuǎn)(幾百千米以內(nèi))時，往往把海洋看作分層媒質(zhì),，分層媒質(zhì)中的波動理論在60年代已達(dá)到較為成熟的階段,。

海洋中存在著大量散射體以及起伏不平的界面。當(dāng)聲源發(fā)射聲波以后,，碰到這些散射體,，就會引起聲能在各個方向上重新分配，即產(chǎn)生散射波,。其中返回到接收點的散射波的總和稱為混響?；祉懯侵鲃邮铰晠鹊闹饕蓴_,。由產(chǎn)生混響的散射體不同性質(zhì)，可分為體積混響,、海面混響和海底混響,。

對混響的研究大體上分為能量規(guī)律和統(tǒng)計規(guī)律兩個方面,。混響的能量規(guī)律的理論分析以聲波在海洋中的傳播理論和散射理論的結(jié)合為出發(fā)點，主要涉及混響強度同信號參量和環(huán)境因素的聯(lián)系以及衰減規(guī)律,。 

隨著聲納信號處理技術(shù)的發(fā)展,，接收機輸出數(shù)據(jù)率不斷提高，靠聲納員來辨認(rèn)出目標(biāo)并測定其參量是很困難的,，這就發(fā)展了機器輔助檢測和自動檢測的技術(shù),。

雖然水聲信號處理的理論與雷達(dá)很相似，但由于水聲信道的復(fù)雜性,，仍有許多不同之處,。