水声学-声波在目标上的反射和散射2课件

第六章声波在目标上的反射和散射第十七讲刚性和弹性球体的声散射1CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU本讲主要内容刚性球体的散射声场刚性不动球体的声散射刚性不动微小球粒子对平面波的散射声波在弹性物体上的散射平面声波在弹性球体上的散射球面声波在弹性球体上的散射弹性物体散射声场的一般特征2CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU一、刚性球体的散射声场刚性不动球体的声散射目标强度值通过实验测量获得通过理论计算获得提示：常见声纳目标的几何形状基本接近于球形或柱形。刚性：在入射声波作用下球体不发生变形，声波透不到球体内部，激不起球体内部运动。不动：球体不参与周围流体介质质点的运动。3CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU刚性不动球体的声散射散射场计算取入射平面波声压为：设散射波声压为，它满足波动方程：一、刚性球体的散射声场5CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU刚性不动球体的声散射散射场计算由于入射声波关于

轴对称，散射波也关于

轴对称，则有：利用分离变量法，设：一、刚性球体的散射声场6CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU刚性不动球体的声散射散射场计算应用分离变量法，波动方程可化为：提示：上式为球贝塞尔方程，下式为勒让德方程，其解的形式都已知。一、刚性球体的散射声场7CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU刚性不动球体的声散射散射场计算散射波声压：问题：常数的确定（根据边界条件）刚性球体边界条件：一、刚性球体的散射声场9CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU刚性不动球体的声散射散射场计算分析：散射场声压为贝塞尔函数和勒让德函数的级数和形式，固将入射波声压展开为相同的形式。待定系数：散射波声压：一、刚性球体的散射声场10CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU刚性不动球体的声散射散射场计算远场散射波声压：，其中：一、刚性球体的散射声场11CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU刚性不动球体的声散射刚球远场散射波强度：刚球目标强度(收发合置)：一、刚性球体的散射声场13CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU刚性不动微小球粒子对平面波的散射微小粒子：是指，即或频率甚低或者粒子半径极小。提示：微小粒子的散射波声压依然可以应用上述刚性不动球体的散射场声压表示。在条件下，求和项中只有前两项起主要作用，微小粒子的散射波声压：一、刚性球体的散射声场14CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU刚性不动微小球粒子对平面波的散射散射波声压：散射波声强：目标强度(收发合置)：：具有明显的指向性和强烈的频率特性。一、刚性球体的散射声场15CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU二、声波在弹性物体上的散射平面声波在弹性球体上的散射散射场计算与刚性球体的散射场计算过程作对比：1）相同点：散射波声压满足相同的波动方程，解法相同，形式解相同2）不同点：边界条件不同边界条件：

1）法向应力连续

2）法向位移连续或法向质点振速连续

3）切向应力为零17CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU二、声波在弹性物体上的散射平面声波在弹性球体上的散射散射场计算弹性球体散射波声压：18CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU球面声波在弹性球体上的散射散射场计算考虑点声源置于S处，它距球心的距离为，空间任意点P处入射声场为：二、声波在弹性物体上的散射19CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU球面声波在弹性球体上的散射散射场计算收发合置情况下的回波：远场条件下的回波表达式：形态函数：二、声波在弹性物体上的散射21CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU球面声波在弹性球体上的散射散射场计算形态函数：为水中波数；、为纵波和横波波数。1）结论：弹性球体散射声场比刚性球体复杂，与球体组成材料的弹性参数有关。

2）形态函数是Hickling在上世纪60年代引入来讨论散射声场与频率的关系的。散射声场：二、声波在弹性物体上的散射22CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU二、声波在弹性物体上的散射球面声波在弹性球体上的散射形态函数比较刚性球、声学软球、钢球和铝球：23CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU二、声波在弹性物体上的散射弹性物体散射声场的一般特征频率特性：宽脉冲入射：散射强度随频率作极大、极小急剧变化，回波波形产生严重畸变。窄脉冲入射：回波为一脉冲串，每个脉冲之间的间隔基本相等，脉冲幅度逐渐衰减，波形基本不变。上述现象的解释：

1）回波来自物体表面的散射波、透入物体内部经内表面反射、透射到达的波，入射波激励下的再辐射波；25CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU二、声波在弹性物体上的散射弹性物体散射声场的一般特征频率特性：上述现象的解释：

2）长脉冲时，水听器可在同一时刻接收上述各种波迭加而成，它们经由不同途径到达接收点（相位不同），迭加结果使得回波波形产生严重畸变；

3）短脉冲时，上述各种波不会在同一时刻到达接收点，所以接收到的是一个脉冲串。由于各个脉冲到达接收点的时间不同，它们之间不会发生干涉迭加，不产生大的畸变。26CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU弹性物体散射声场的一般特征非镜反射效应：

1）Finney在实验室中发现，对于浸在水中弹性薄板，在声波入射角满足如下关系：在入射方向上有强烈反射，它不满足镜反射规律，称为“非镜反射”。为板中弯曲波(反对称兰姆波)速度2）当声波入射角满足如下关系时也发生非镜反射，为板中纵波速度。二、声波在弹性物体上的散射29CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU