水声学原理第二章

1、第二章 声学基础,第三讲 理想流体介质中的小振幅波,college of underwater acoustic engineering,2,第一章知识要点,声纳参数的定义、物理意义 sl、tl、ts、nl、di、dt、rl、dit 组合声纳参数的物理意义 sl-2tl+ts nl-di+dt rl+dt (sl-2tl+ts)-(nl-di+dt) 主动声纳方程的选择问题（如何判断干扰） 声纳方程的两个重要的基本用途,college of underwater acoustic engineering,3,解： 对于受噪声干扰的主动声纳，提高声源级能增加声纳的作用距离。 sl-2tl+ts-

2、(nl-di)=dt sl-2tl+ts-(nl-di)=dt 两式相减得到,第一章思考题： 1、已知噪声是某主动声纳的主要干扰，如果声纳的声源级增加一倍，问声纳作用距离能增大吗？如果能增大，请计算增大了多少，如果不能，请说明原因。（声波按球面波扩展衰减，不计介质吸收）,college of underwater acoustic engineering,4,2、取下列声压作为参考级， 1微帕声压的大小为： （10-5达因/厘米2 =1微帕） 取参考声压为1微帕时，其大小为0db； 取参考声压为0.0002达因/厘米2 时，其大小为-26db； 取参考声压为1达因/厘米2 时，其大小为 -10

3、0db；,college of underwater acoustic engineering,5,给定水下声压 为 ，那么声强 是多大，与参考声强 比较，以分贝表示的声强级是多少？（取声速c=1500m/s，密度为1000kg/m3） 解：声强： w/m2 声强级: db,college of underwater acoustic engineering,6,发射换能器发射40kw的声功率，且方向性指数为15db，其声源级sl为多少？ 解：声源级定义： 无指向性声源的声强： 设指向性声源的轴向声强为： 由题意知： 指向性声源的轴向声强为： 声源级：,college of underwate

4、r acoustic engineering,7,第一章作业,什么是声纳？声纳可以完成哪些任务？ 请写出主动声纳方程和被动声纳方程？在声纳方程中各项参数的物理意义是什么？ 声纳方程的两个重要的基本用途是什么？ 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？,college of underwater acoustic engineering,8,本讲主要内容,声学基础知识（了解） 波动方程的导出（了解） 声场中的能量关系（了解）,college of underwater acoustic engineering,9,1、声学基础知识,声波：机械振动状态在介质中传

5、播形成的一种波动形式 分类： 20hz以下的振动称为次声 高于20khz的振动称为超声 20hz至20khz的声振称为音频声 流体介质中，声波表现为压缩波（compressional wave），即纵波 在固体中既有纵波也有横波（切变波-shear wave）,college of underwater acoustic engineering,10,声速：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 声场：声波所及的区域 声压：由于声波扰动引起介质质点压强的变化，这种变化量称为声压： 质点振速：由于声波扰动引起的介质质点运动速度的变化量：,college of unde

6、rwater acoustic engineering,11,假设条件： 介质静止、均匀、连续的； 介质是理想流体介质； 小振幅波。 波动方程导出的三个基本方程： 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,2、波动方程导出,college of underwater acoustic engineering,12,根据前面的假设有：,状态方程绝热压缩定律：介质的压缩和膨胀 过程是绝热过程 声波的传播速度：,式中， 为绝热压缩系数单位压强变化引起的体积相对变化。,college of underwater acoustic engineering,13,运动

7、方程牛顿第二定律,波动方程,连立方程：,可得：,college of underwater acoustic engineering,14,直角坐标系： 球坐标系： 柱坐标系：,拉普拉斯算符,college of underwater acoustic engineering,15,速度势介质单位质量具有的声扰动冲量 声压、质点振速与速度势的关系：,caution：,声压：,振速：,college of underwater acoustic engineering,16,3、声场中的能量,声能：由于声波传播而引起的介质能量的增量称为声能；显然声能是介质运动的机械能。 声场总能量：动能+位能

8、声能密度： 体积 内的总声能为：,单位体积内的瞬时声能密度为：,平均声能密度：,college of underwater acoustic engineering,17,常识：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。 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 caution：正负表示能流流出或流入体元。 平均声能流密度或声波强度：通过垂直声传播方向的单位面积的平均声能流,college of underwater acoustic engineering,18,4、介质特性阻抗和声阻抗率,介质的特性阻抗: 声阻抗率：声场中某点声压与振速

9、之比 ，它为一个复数（声压与振速存在相位差）。 平面波： 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。,college of underwater acoustic engineering,19,球面波 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：声阻率和声抗率 柱面波： 说明：具有与球面波声阻抗率相似的性质。 注意：柱面波和球面波在远场近似为平面波，即,，,college of underwater acoustic engineering,20,5、相速度和群速度,相速度： 定义：振动状态在介质中传播的

10、速度 注意：若介质的相速度与频率无关，则为非频散介质，反之为频散介质。 群速度： 定义：声能量传播的速度（波群和波包的相速） 注意：非频散介质： ；频散介质：,college of underwater acoustic engineering,21,6、平面波在两种不同均匀介质界面上的反射和折射,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。 在介质1中：,college of underwater acoustic engineering,22,在介质2中： 边界条件： 界面上声压连续： 界面上法向振速连续：,college of underwater ac

11、oustic engineering,23,声压反射系数： 声压透射系数： 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： 当 时，有 ， ，全部透射 当 时，有 ， ，硬边界，反射波声压和入射波声压同相,college of underwater acoustic engineering,24,当 时，有 ， ，软边界，反射波声压和入射波声压反相 当 时，有 ， ，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。 透射损失tl：,例：声波由空气入射到水中，透射损失约29.5db,college of underwater acoustic engineering,25,斜入射,斜入射平面波在分界面上的反射和折射,college of underwater acoustic engineering,26,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： 注意：法向声阻抗率：声压与法向振速之比,college of underwater acoustic engineering,27,取 ， ，