水声学第二章-声学基础课件.ppt

1、第二章第二章 声学基础声学基础2第一章知识要点第一章知识要点n声纳参数的定义、物理意义qSL、TL、TS、NL、DI、DT、RL、DITn组合声纳参数的物理意义qSL-2TL+TSqNL-DI+DTqRL+DTq(SL-2TL+TS)-(NL-DI+DT)n主动声纳方程的选择问题（如何判断干扰）n声纳方程的两个重要的基本用途3第一章思考题：第一章思考题： 1、取下列声压作为参考级，取下列声压作为参考级， 1 1微帕声压的大小微帕声压的大小为：为： （10-5达因达因/厘米厘米2 =1微帕）微帕）n取参考声压为取参考声压为1 1微帕时，其大小为微帕时，其大小为 ；n取参考声压为取参考声压为0.0

2、002达因达因/厘米厘米2 时，其大小时，其大小为为 ；n取参考声压为取参考声压为1达因达因/厘米厘米2 时，其大小为时，其大小为 ；0dB-26dB-100dB42、给定水下声压、给定水下声压 为为 ，那么声强，那么声强 是多大，是多大，与参考声强与参考声强 比较，以分贝表示的声强级是多比较，以分贝表示的声强级是多少？（取声速少？（取声速C=1500m/s，密度为，密度为1000kg/m3）解：解：声强：声强： W/m2声强级声强级: dB pPa100I0I152621067. 615001000)10100(cpI401067. 61067. 6log10log1019150IISIL5

3、3、发射换能器发射、发射换能器发射40kW的声功率，且方向性指数的声功率，且方向性指数为为15dB，其声源级，其声源级SL为多少？为多少？ 解：解：声源级定义：声源级定义：无指向性无指向性声源的声强：声源的声强：无指向性无指向性声源的声源级：声源的声源级：dB设指向性声源的轴向声强为：设指向性声源的轴向声强为：0log10IISL 4aNDPIDI0log10IISLNDND21777.170log10aP63、发射换能器发射、发射换能器发射40kW的声功率，且方向性指数的声功率，且方向性指数为为15dB，其声源级，其声源级SL为多少？为多少？ 解：解：由题意知：由题意知：指向性声源指向性声源

4、的声源级：的声源级：NDDNDDNDDTSLSLIIIIIIDI00/log10log10TaDDIIPIISL0041log10log10log107第一章作业第一章作业1.什么是声纳？声纳可以完成哪些任务？什么是声纳？声纳可以完成哪些任务？2.请写出主动声纳方程和被动声纳方程。声纳方程中各参请写出主动声纳方程和被动声纳方程。声纳方程中各参数的物理意义是什么？数的物理意义是什么？3.声纳方程的两个重要的基本用途是什么？声纳方程的两个重要的基本用途是什么？4.环境噪声和海洋混响都是主动声纳的干扰，在实际工作环境噪声和海洋混响都是主动声纳的干扰，在实际工作中如何确定哪种干扰是主要的？中如何确定哪

5、种干扰是主要的？8主要内容主要内容n声学基础知识（了解）声学基础知识（了解）n介质的特性阻抗与声阻抗率（了解）介质的特性阻抗与声阻抗率（了解）n平面波在两种不同均匀介质界面上的反射和折平面波在两种不同均匀介质界面上的反射和折射（了解）射（了解）n等间距均匀点源离散直线阵的声辐射（了解）等间距均匀点源离散直线阵的声辐射（了解）n均匀连续直线阵的声辐射均匀连续直线阵的声辐射（了解）（了解）n无限大障板上平面辐射器的声辐射无限大障板上平面辐射器的声辐射（了解）（了解）n声波的接收方向特性声波的接收方向特性（了解）（了解）91、声学基础知识、声学基础知识n声波：声波：机械振动机械振动状态在状态在介质介

6、质中传播中传播形成的一种波动形式形成的一种波动形式n分类：分类：q20Hz以下的振动称为以下的振动称为次声次声q高于高于20kHz的振动称为的振动称为超声超声q20Hz至至20kHz的声振称为的声振称为音频声音频声n流体介质中，声波表现为流体介质中，声波表现为压缩波压缩波（Compressional Wave），即纵波），即纵波n在固体中既有在固体中既有纵波纵波也有也有横波横波（切变（切变波波-Shear Wave）10n声速声速：振动在介质中传播有时间滞后，即声波：振动在介质中传播有时间滞后，即声波在介质中传播有一定速度，称为声速在介质中传播有一定速度，称为声速n声场声场：声波所及的区域：声

7、波所及的区域n声压声压：由于声波扰动引起介质质点压强的变化，：由于声波扰动引起介质质点压强的变化，这种这种变化量变化量称为声压：称为声压：n质点振速质点振速：由于声波扰动引起的介质质点运动：由于声波扰动引起的介质质点运动速度的速度的变化量：变化量：0PPp0UUu112、介质的特性阻抗与声阻抗率、介质的特性阻抗与声阻抗率 n介质的特性阻抗介质的特性阻抗:n声阻抗率：声阻抗率：声场中某点声压声压与振速振速之比，它为一个复数复数（表明声压与振速存在相位差）。 平面波平面波： 说明说明：平面波声压和振速处处同相（正向波）或反向（反向波），声强处处相等，其声阻抗率与频率无关。 c0 upZ cZ012

8、n球面波球面波说明说明：近距离，声压和振速的相位差很大； 远距离，声压和振速的相位接近相等。注意注意：声阻率和声抗率 n柱面波：柱面波：说明说明：具有与球面波声阻抗率相似的性质。 注意注意：柱面波和球面波在远场近似为平面波，即 iekrckrkrkrcikrkrcZ2020220111，krtg1 krHkrHciZ21200cZ0133、平面波在两种不同均匀介质界面上、平面波在两种不同均匀介质界面上的反射和折射的反射和折射 n垂直入射垂直入射 在分界面上，由于两介质的特性阻抗不同，声波分界面上会发生反射和折射。在介质在介质1中中： xktirxktiiePePp111xktirxktiiec

9、PecPu111111114在介质在介质2中：中： 边界条件边界条件：界面上声压连续： 即：界面上法向振速连续： 即：xktitePp22xktitecPu22220201,xxtxptxp triPPP0201,xxtxutxu221111cPcPcPtri15声压反射系数声压反射系数：声压透射系数声压透射系数：n由上述各式可知，声波在分界面上反射和透射的大小决定于媒质的特性阻抗，具体分析如下：q当 时，有 ， ，全部透射全部透射 q当 时，有 ， ，硬边界硬边界，反射波声压和入射波声压同相同相 121211221122ZZZZccccPPRir12211222222ZZZcccPPDit2

10、1ZZ 0R1D21ZZ 0R0D16q当 时，有 ， ，软边界软边界，反射波声压和入射波声压反相反相 q当 时，有 ， ，绝对硬绝对硬，反射波声压和入射波声压大小相等，相位相同，所以在分界面上合成声压为入射声压的两倍，实际上发生的是全反射全反射。n透射损失透射损失TL： 21ZZ 1R2D21ZZ 0R0DDZZDZZIITLtilg20lg101lg10lg1012212例例：声波由空气空气入射到水水中，透射损失约29.5dB 17n斜入射斜入射斜入射平面波在分界面上的反射和折射斜入射平面波在分界面上的反射和折射18边界条件边界条件q声压连续q法向质点振速连续声压反射系数：声压反射系数：

11、声压透射系数：声压透射系数： 注意注意：法向声阻抗率：法向声阻抗率：声压与法向振速之比声压与法向振速之比nnnntitiirZZZZccccPPR121211221122coscoscoscosnnntiiitZZZcccPPD1221122222coscoscos2incZcos111tncZcos222 19q取 ， ，则由折射定律得讨论讨论：q ，有正常意义下的折射波 21ccn 12mitnn22sincosiiiinmnmR2222sincossincos iiinmmD22sincoscos2121ccn折射折射率率密度比密度比20n当 时，且此时q正负号的选取：根据折射波无穷远熄

12、灭条件根据折射波无穷远熄灭条件符号选取：正？负？正？负？q当入射角 时，发生全内反射全内反射现象q全内反射现象的特点： 不再是实数，在第二种介质中没有正常意义下的折射波，此时反射系数为复复数数，其绝对值等于1。 22sincosnjnit 121ccn21arcsinarcsinccnicit)cossin(exp),(222trttzkxktjptzxp21arcsinarcsinccnici214、等间距均匀点源离散直线阵的声辐射、等间距均匀点源离散直线阵的声辐射 n辐射声压辐射声压 在远场，总声压为： 10sin004,nijkdikrtjeercQjktrp0, yxr0当 （垂直 轴

13、方向）时，各点源同相叠加，合成声压最大： OXkrtjercQjkntrp4,0,00sinjkdie22声场的方向性函数：声场的方向性函数： n方向性图方向性图 (1)当 时，声压振幅出现极大值极大值1，对应极大值的方向： sinsinsinsin1,0,10sindndnentrptrpDnijkdiidsindiarcsin id , 1 , 0i23其中， 对应的方向为主极大方向（主瓣主瓣）； 对应的方向为第一副极大方向（栅瓣栅瓣），依此类推。 注意注意：不出现副极大值的条件(2)当 时，声压振幅出现次极次极 大值大值（旁瓣旁瓣），对应次极大值的方向： 各次极大声压与主极大声压比值为：

14、 （由该值可得到主旁瓣比该值可得到主旁瓣比）0i1i d212sinindndi212arcsin?i最小的nin212sin124主旁瓣比主旁瓣比：主极大与第一次极大（也是次极大中最大的）比值的分贝数（3）当 、 的整数倍时， 声压振幅出现极小值（各点源的声场抵消，总声压为零），对应极小值的方向： 方向锐角或主瓣束宽（全开角）方向锐角或主瓣束宽（全开角）：主极大值两旁第一个极小值之间的夹角。 indsinni 0Dndiarcsinndarcsin2nn23sinlog2025常识常识：阵孔径（nd）越大，频率越高，波数宽度越窄。-3dB束宽束宽：由主极大的幅值下降0.707倍处两边的夹角或

15、半功率辐射点之间的夹角。 注意注意：利用正弦函数的级数展开，求得上式。取：解得：解得：nddB42. 0arcsin2353! 51! 31sinxxxx21! 311sin2xxx326. 1x26n方向性因子和方向性指数方向性因子和方向性指数发射方向性因子发射方向性因子：在远场发射阵最大响应方向上声强与同一距离处各方向声强平均值之比。 发射指向性指数发射指向性指数：发射阵的方向性因子的分贝数。 RDITlg10 2002maxcos,4ddDIIR275、均匀连续直线阵的声辐射、均匀连续直线阵的声辐射 n辐射声压方向性图辐射声压方向性图令 ， ， ，则阵长为的均匀连续直线阵的方向性函数为：

16、 主瓣束宽和主瓣束宽和-3dB束宽束宽： 0dnLnd L sinsinsinsinsinsinsinlim0LLdndnDLndndLarcsin2 LdB42. 0arcsin2328注意注意：连续直线阵永远不会出现栅瓣。 方向性因子：方向性因子：方向性指数：方向性指数：LR2 LDIT2lg10 302cos4sin22cos2kLkLkLkLkLkLdDR296、无限大障板上平面辐射器的声辐射、无限大障板上平面辐射器的声辐射 n平面圆形活塞的辐射平面圆形活塞的辐射 设半径为a的圆形平面活塞镶嵌在无限大障板上，如图所示。活塞位于XOY平面内，向上半空间辐射声波，声场对称于z轴。活塞表面各

17、点的振幅和相位相同，则 dSrreecukjtrpSrrjktja2,030q轴线上声压变化轴线上声压变化注意注意：轴线声压随距离起伏变化，呈现很强的相干效应。 q远场声压远场声压 注意注意：活塞远场声压与球面波一样与距离成反比，声场具有方向性。 krtjaekakaJracukjtrpsinsin22,120轴线声压轴线声压31n方向性函数方向性函数q活塞辐射声场的方向性函数为： 注意注意：圆形活塞不会出现栅瓣。 n波束宽度波束宽度 sinsin21kakaJDa61. 0arcsin2 adB26. 0arcsin2332n方向性因子和方向性指数方向性因子和方向性指数 11222221ka

18、kaJakRakaDIT2lg20lg20337、声波的接收方向特性、声波的接收方向特性 n接收方向性函数接收方向性函数q定义定义：设离接收系统参考中心的远场处球面上有一点源，接收系统的输出电压V与接收中心的方位有关，则接收系统方向性函数为： 式中， 为参考方位上的输出电压，一般选取输出电压最大值。注意注意：远场条件： 根据互易原理，可逆换能器的接收方向性函数与它的发射根据互易原理，可逆换能器的接收方向性函数与它的发射方向性函数相同。方向性函数相同。 0,0,VVD0,0V2Lr 34n接收方向性指数接收方向性指数接收方向性因子接收方向性因子： 接收方向性指数接收方向性指数： 注意注意：同一可逆换能器，其接收指向性指数和发射指向性指数相同。 420,4dDNNRdddNLNLdDNNDI0420,4lg10lg1035附录A：声阻抗率推导n平面波声压：n根据尤拉公式得n振速振幅：n声阻抗率：n注：球面波、柱面波的声阻抗率同上推导！)(0tkriepprpcdtpu11pcu1cupZ36课堂小测验一n请写出主动声纳方程，解释声纳参数的物理意义，并说明如何判断混响或噪声为主要干扰。