声学基础知识教学文稿.ppt

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1、声学基础知识1 1 声波描述声波描述n声波：声波：机械振动机械振动状态在状态在介质介质中传播形成的波动形式中传播形成的波动形式n分类：分类：q20kHz声波声波超声超声q20Hz20kHz声波声波音频声音频声n流体介质：流体介质：纵波（压缩波纵波（压缩波 Compressional Wave）n固体介质：固体介质：纵波、横波（切变波纵波、横波（切变波 Shear Wave）2College of Underwater Acoustic Engineering2 2 波动方程波动方程n 连续性方程（质量守恒定律）介质流入体元的净质量等于密度变化引起的体元内质量的增加：n 状态方程（绝热压缩定律）

2、介质的压缩和膨胀过程是绝热过程：绝热压缩系数：单位压强变化引起体积相对变化。6College of Underwater Acoustic Engineering2 2 波动方程波动方程n 运动方程（牛顿第二定律）n 波动方程7College of Underwater Acoustic Engineeringn 速度势 介质单位质量具有的声扰动冲量：n 声压、质点振速与速度势关系 2 2 波动方程波动方程8College of Underwater Acoustic Engineering3 3 声场中能量声场中能量n 声能：声波传播引起的介质能量增量称为声能n 声能密度 理想平面波的平均声

3、能密度处处相等，因此平面理想平面波的平均声能密度处处相等，因此平面声波声能量具有无损耗、无扩展的传递特性。声波声能量具有无损耗、无扩展的传递特性。9College of Underwater Acoustic Engineering3 3 声场中能量声场中能量n 能流密度 单位时间内通过垂直声传播方向的单位面积的声能 n 声波强度或平均声能流密度 通过垂直声传播方向的单位面积的平均声能流 10College of Underwater Acoustic Engineering4 4 介质声阻抗和声阻抗率介质声阻抗和声阻抗率n 介质特性阻抗n 声阻抗率 声场中某点声压与振速之比，它为一个复数（声

4、压与振速存在相位差）n 平面波n 特点 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。11College of Underwater Acoustic Engineering4 4 介质声阻抗和声阻抗率介质声阻抗和声阻抗率球面波特点 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。什么叫声阻率和声抗率？什么叫声阻率和声抗率？12College of Underwater Acoustic Engineering4 4 介质声阻抗和声阻抗率介质声阻抗和声阻抗率柱面波特点 具有与球面波相似的特点。球面波和柱面波在远场近似为平面波。球面波和

5、柱面波在远场近似为平面波。Why?Why?13College of Underwater Acoustic Engineering5 5 相速度和群速度相速度和群速度相速度 振动状态在介质中传播的速度 介质的相速度与频率无关，非频散介质；反之为介质的相速度与频率无关，非频散介质；反之为频散介质。频散介质。14College of Underwater Acoustic Engineering5 5 相速度和群速度相速度和群速度群速度 声能量传播的速度（波群和波包的相速）非频散介质非频散介质频散介质频散介质 15College of Underwater Acoustic Engineering

6、6 6 平面波在两种不同均匀介质界面上反射和折射平面波在两种不同均匀介质界面上反射和折射 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。边界条件声压连续法向质点振速连续声压反射系数声压透射系数16College of Underwater Acoustic Engineering6 6 平面波在两种不同均匀介质界面上反射和折射平面波在两种不同均匀介质界面上反射和折射 17College of Underwater Acoustic Engineering6 6 平面波在两种不同均匀介质界面上反射和折射平面波在两种不同均匀介质界面上反射和折射 n透射损失透射损失T

7、L：例例：声波由空气空气入射到水水中，透射损失约29.5dB 18College of Underwater Acoustic Engineering6 6 平面波在两种不同均匀介质界面上反射和折射平面波在两种不同均匀介质界面上反射和折射 斜入射声压反射系数声压透射系数法向声阻抗率19College of Underwater Acoustic Engineering6 6 平面波在两种不同均匀介质界面上反射和折射平面波在两种不同均匀介质界面上反射和折射 斜入射20College of Underwater Acoustic Engineering6 6 平面波在两种不同均匀介质界面上反射和折

8、射平面波在两种不同均匀介质界面上反射和折射 斜入射21College of Underwater Acoustic Engineering6 6 平面波在两种不同均匀介质界面上反射和折射平面波在两种不同均匀介质界面上反射和折射 全内反射发生全内反射现象时，声波反射时发生发生全内反射现象时，声波反射时发生 角的相角的相位跳跃。位跳跃。22College of Underwater Acoustic Engineering6 6 平面波在两种不同均匀介质界面上反射和折射平面波在两种不同均匀介质界面上反射和折射 非均匀平面波 波阵面（等相位面）上振幅随离分界面的距离增大作指数衰减。低频声波深入海底的

9、深度较大，高频声波只能在低频声波深入海底的深度较大，高频声波只能在海底表面传播。海底表面传播。23College of Underwater Acoustic Engineering6 6 平面波在两种不同均匀介质界面上反射和折射平面波在两种不同均匀介质界面上反射和折射 分界面上声波反射时的能量关系垂直入射情况：斜入射情况：两种介质的特性阻抗相差不大，功率透射系数接两种介质的特性阻抗相差不大，功率透射系数接近近1，例如换能器振子与透声外壳中，往往充以蓖，例如换能器振子与透声外壳中，往往充以蓖麻油或有机硅油。麻油或有机硅油。24College of Underwater Acoustic Eng

10、ineering7 7 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：当 时，各点源同相叠加，合成声压最大：25College of Underwater Acoustic Engineering7 7 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 声场的方向性函数声场的方向性函数 26College of Underwater Acoustic Engineering7 7 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（1）当 时，声压振幅出现极大值极大值1，对应极大值的方向：n i=0对应的方

11、向为主极大值方向（主瓣主瓣）；n i=1对应的方向为第一副极大值方向（栅瓣栅瓣），依此类推。n 注意注意：不出现副极大值的条件27College of Underwater Acoustic Engineering7 7 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（2）当 时，声压振幅出现次极大值次极大值（旁瓣旁瓣），对应次极大值的方向：n各次极大声压与主极大声压比值为：注意：注意：该值可得到主旁瓣比主极大与第一次极大比值的分贝数28College of Underwater Acoustic Engineering7 7 等间距均匀点源离散直线阵的声辐射等间距均匀点源离

12、散直线阵的声辐射（3）当 、的整数倍时，声压振幅出现极小值（各点源声场抵消，总声压为零），对应极小值的方向：n 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29College of Underwater Acoustic Engineering常识常识：阵孔径越大，频率越高，波束宽度越窄。n-3dB束宽束宽：由主极大的幅值下降0.707倍处两边的夹角或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。30College of Underwater Acoustic Engineeringn 发射方向性因子发射方向性因子：在远场发

13、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。n 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。7 7 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31College of Underwater Acoustic Engineering8 8 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L的均匀连续直线阵的方向性函数为：n 主瓣束宽和主瓣束宽和-3dB束宽束宽：32College of Underwater Acoustic Engineering注意注意：连续直线阵永远不会出现栅瓣。8 8 均匀连

14、续直线阵的声辐射均匀连续直线阵的声辐射 n 方向性函数：方向性函数：n 方向性因子：方向性因子：33College of Underwater Acoustic Engineering9 9 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。活塞表面各点的振幅和相位相同，则 34College of Underwater Acoustic Engineering9 9 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

15、 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。n 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。35College of Underwater Acoustic Engineeringn方向性函数方向性函数 活塞辐射声场方向性函数为：n 波束宽度波束宽度 注意注意：圆形活塞不会出现栅瓣。9 9 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 36College of Underwater Acoustic Engineering9 9 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方向性因子

16、和方向性指数方向性因子和方向性指数 37College of Underwater Acoustic Engineering10 10 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 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。向性函数相同。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：38College of Underwater Acoustic Engineering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。10 10 声波的接收方向特性声波的接收方向特性 n 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：39College of Underwater Acoustic Engineering