第二章 声学基础

College of Underwater Acoustic Engineering 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

College of Underwater Acoustic Engineering 第一章思考题： 1、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 ； 取参考声压为0.0002达因/厘米2 时，其大小为 ； 取参考声压为1达因/厘米2 时，其大小为 ； 0dB -26dB -100dB College of Underwater Acoustic Engineering

College of Underwater Acoustic Engineering 2、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

College of Underwater Acoustic Engineering 3、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： 无指向性声源的声源级： dB 设指向性声源的轴向声强为： College of Underwater Acoustic Engineering

College of Underwater Acoustic Engineering 3、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： 由题意知： 指向性声源的声源级： College of Underwater Acoustic Engineering

College of Underwater Acoustic Engineering 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。声纳方程中各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

College of Underwater Acoustic Engineering 主要内容 声学基础知识（了解） 介质的特性阻抗与声阻抗率（了解） 平面波在两种不同均匀介质界面上的反射和折射（了解） 等间距均匀点源离散直线阵的声辐射（了解） 均匀连续直线阵的声辐射（了解） 无限大障板上平面辐射器的声辐射（了解） 声波的接收方向特性（了解） College of Underwater Acoustic Engineering

College of Underwater Acoustic Engineering 1、声学基础知识 声波：机械振动状态在介质中传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

College of Underwater Acoustic Engineering 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 Underwater Acoustic Engineering

College of Underwater Acoustic Engineering 2、介质的特性阻抗与声阻抗率 介质的特性阻抗: 声阻抗率：声场中某点声压与振速之比 ，它为一个复数（表明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

College of Underwater Acoustic Engineering 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

3、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

College of Underwater Acoustic Engineering 在介质2中： 边界条件： 界面上声压连续： 即： 界面上法向振速连续： College of Underwater Acoustic Engineering

College of Underwater Acoustic Engineering 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

College of Underwater Acoustic Engineering 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

College of Underwater Acoustic Engineering 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

College of Underwater Acoustic Engineering 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

College of Underwater Acoustic Engineering 取 ， ，则由折射定律得 讨论： ，有正常意义下的折射波 折射率 密度比 College of Underwater Acoustic Engineering

College of Underwater Acoustic Engineering 当 时，且 此时 正负号的选取：根据折射波无穷远熄灭条件 符号选取：正？负？ 当入射角 时，发生全内反射现象 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，此时反射系数为复数，其绝对值等于1。 College of Underwater Acoustic Engineering

College of Underwater Acoustic Engineering 4、等间距均匀点源离散直线阵的声辐射 辐射声压 在远场，总声压为： 当 （垂直 轴方向）时，各点源同相叠加，合成声压最大： College of Underwater Acoustic Engineering

College of Underwater Acoustic Engineering 声场的方向性函数： 方向性图 (1)当 时， 声压振幅出现极大值1， 对应极大值的方向： College of Underwater Acoustic Engineering

College of Underwater Acoustic Engineering 其中， 对应的方向为主极大方向（主瓣）； 对应的方向为第一副极大方向（栅瓣），依此类推。 注意：不出现副极大值的条件 (2)当 时，声压振幅出现次极 大值（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： （由该值可得到主旁瓣比） College of Underwater Acoustic Engineering

College of Underwater Acoustic Engineering 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）：主极大值两旁第一个极小值之间的夹角。 College of Underwater Acoustic Engineering

College of Underwater Acoustic Engineering -3dB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：利用正弦函数的级数展开，求得上式。 取： 解得： College of Underwater Acoustic Engineering

College of Underwater Acoustic Engineering 方向性因子和方向性指数 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：发射阵的方向性因子的分贝数。 College of Underwater Acoustic Engineering

College of Underwater Acoustic Engineering 5、均匀连续直线阵的声辐射 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： 主瓣束宽和-3dB束宽： College of Underwater Acoustic Engineering

College of Underwater Acoustic Engineering 注意：连续直线阵永远不会出现栅瓣。 方向性因子： 方向性指数： College of Underwater Acoustic Engineering

College of Underwater Acoustic Engineering 6、无限大障板上平面辐射器的声辐射 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 College of Underwater Acoustic Engineering

College of Underwater Acoustic Engineering 轴线上声压变化 注意：轴线声压随距离起伏变化，呈现很强的相干效应。 远场声压 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。 轴线声压 College of Underwater Acoustic Engineering

College of Underwater Acoustic Engineering 方向性函数 活塞辐射声场的方向性函数为： 注意：圆形活塞不会出现栅瓣。 波束宽度 College of Underwater Acoustic Engineering

College of Underwater Acoustic Engineering 方向性因子和方向性指数 College of Underwater Acoustic Engineering

College of Underwater Acoustic Engineering 7、声波的接收方向特性 接收方向性函数 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：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方向性函数相同。 College of Underwater Acoustic Engineering

College of Underwater Acoustic Engineering 接收方向性指数 接收方向性因子： 接收方向性指数： 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。 College of Underwater Acoustic Engineering

College of Underwater Acoustic Engineering 平面波声压： 根据尤拉公式得 振速振幅： 声阻抗率： 注：球面波、柱面波的声阻抗率同上推导！ College of Underwater Acoustic Engineering

College of Underwater Acoustic Engineering 课堂小测验一 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。 College of Underwater Acoustic Engineering