1、聲學(xué)基礎(chǔ),1 聲波描述,聲波：機械振動狀態(tài)在介質(zhì)中傳播形成的波動形式 分類： 20kHz聲波超聲 20Hz20kHz聲波音頻聲 流體介質(zhì)：縱波（壓縮波 Compressional Wave） 固體介質(zhì)：縱波、橫波（切變波 Shear Wave）,College of Underwater Acoustic Engineering,2,1 聲波描述,聲壓（標量）：聲波擾動引起介質(zhì)壓強的變化量 聲場：聲波所波及的空間 位移（矢量）：介質(zhì)質(zhì)點離開其平衡位置的距離 振速（矢量）：介質(zhì)流速或介質(zhì)質(zhì)點運動速度的變化量,College of Underwater Acoustic Engineering,3

2、,1 聲波描述,密度改變量： 壓縮量：介質(zhì)密度的相對變化量,描述聲場，通常采用上述各物理量的時空分布函數(shù)？,College of Underwater Acoustic Engineering,4,2 波動方程,假設(shè)條件 1. 介質(zhì)靜止、均勻、連續(xù)的：在波長距離上，聲學(xué)特性保持不變。 2. 介質(zhì)是理想流體介質(zhì)：忽略粘滯性和熱傳導(dǎo)性。 3. 小振幅波：各聲學(xué)量是一階小量。,College of Underwater Acoustic Engineering,5,2 波動方程,連續(xù)性方程（質(zhì)量守恒定律） 介質(zhì)流入體元的凈質(zhì)量等于密度變化引起的體元內(nèi)質(zhì)量的增加：,狀態(tài)方程（絕熱壓縮定律） 介質(zhì)的壓縮

3、和膨脹過程是絕熱過程 ：,絕熱壓縮系數(shù)：單位壓強變化引起體積相對變化。,College of Underwater Acoustic Engineering,6,2 波動方程,運動方程（牛頓第二定律）,波動方程,College of Underwater Acoustic Engineering,7,速度勢 介質(zhì)單位質(zhì)量具有的聲擾動沖量 ：,聲壓、質(zhì)點振速與速度勢關(guān)系,2 波動方程,College of Underwater Acoustic Engineering,8,3 聲場中能量,聲能：聲波傳播引起的介質(zhì)能量增量稱為聲能 聲能密度,理想平面波的平均聲能密度處處相等，因此平面聲波聲能量具有

4、無損耗、無擴展的傳遞特性。,College of Underwater Acoustic Engineering,9,3 聲場中能量,能流密度 單位時間內(nèi)通過垂直聲傳播方向的單位面積的聲能,聲波強度或平均聲能流密度 通過垂直聲傳播方向的單位面積的平均聲能流,College of Underwater Acoustic Engineering,10,4 介質(zhì)聲阻抗和聲阻抗率,介質(zhì)特性阻抗,聲阻抗率 聲場中某點聲壓與振速之比 ，它為一個復(fù)數(shù)（聲壓與振速存在相位差）,平面波,特點 平面波聲壓和振速處處同相（正向波）或反向（反向波），聲強處處相等，其聲阻抗率與頻率無關(guān)。,College of Unde

5、rwater Acoustic Engineering,11,4 介質(zhì)聲阻抗和聲阻抗率,球面波,特點 近距離，聲壓和振速的相位差很大；遠距離，聲壓和振速的相位接近相等。,什么叫聲阻率和聲抗率？,College of Underwater Acoustic Engineering,12,4 介質(zhì)聲阻抗和聲阻抗率,柱面波,特點 具有與球面波相似的特點。,球面波和柱面波在遠場近似為平面波。Why?,College of Underwater Acoustic Engineering,13,5 相速度和群速度,相速度 振動狀態(tài)在介質(zhì)中傳播的速度,介質(zhì)的相速度與頻率無關(guān)，非頻散介質(zhì)；反之為頻散介質(zhì)。,C

6、ollege of Underwater Acoustic Engineering,14,5 相速度和群速度,群速度 聲能量傳播的速度（波群和波包的相速）,非頻散介質(zhì) 頻散介質(zhì),College of Underwater Acoustic Engineering,15,6 平面波在兩種不同均勻介質(zhì)界面上反射和折射,垂直入射 在分界面上，由于兩介質(zhì)的特性阻抗不同，聲波分界面上會發(fā)生反射和折射。,邊界條件 聲壓連續(xù) 法向質(zhì)點振速連續(xù) 聲壓反射系數(shù) 聲壓透射系數(shù),College of Underwater Acoustic Engineering,16,6 平面波在兩種不同均勻介質(zhì)界面上反射和折射,

7、College of Underwater Acoustic Engineering,17,6 平面波在兩種不同均勻介質(zhì)界面上反射和折射,透射損失TL：,例：聲波由空氣入射到水中，透射損失約29.5dB,College of Underwater Acoustic Engineering,18,6 平面波在兩種不同均勻介質(zhì)界面上反射和折射,斜入射 聲壓反射系數(shù) 聲壓透射系數(shù) 法向聲阻抗率,College of Underwater Acoustic Engineering,19,6 平面波在兩種不同均勻介質(zhì)界面上反射和折射,斜入射,College of Underwater Acoustic

8、Engineering,20,6 平面波在兩種不同均勻介質(zhì)界面上反射和折射,斜入射,College of Underwater Acoustic Engineering,21,6 平面波在兩種不同均勻介質(zhì)界面上反射和折射,全內(nèi)反射,發(fā)生全內(nèi)反射現(xiàn)象時，聲波反射時發(fā)生 角的相位跳躍。,College of Underwater Acoustic Engineering,22,6 平面波在兩種不同均勻介質(zhì)界面上反射和折射,非均勻平面波 波陣面（等相位面）上振幅隨離分界面的距離增大作指數(shù)衰減。,低頻聲波深入海底的深度較大，高頻聲波只能在海底表面?zhèn)鞑ァ?College of Underwater Ac

9、oustic Engineering,23,6 平面波在兩種不同均勻介質(zhì)界面上反射和折射,分界面上聲波反射時的能量關(guān)系 垂直入射情況： 斜入射情況：,兩種介質(zhì)的特性阻抗相差不大，功率透射系數(shù)接近1，例如換能器振子與透聲外殼中，往往充以蓖麻油或有機硅油。,College of Underwater Acoustic Engineering,24,7 等間距均勻點源離散直線陣的聲輻射,輻射聲壓 在遠場，總聲壓為：,當(dāng) 時，各點源同相疊加，合成聲壓最大：,College of Underwater Acoustic Engineering,25,7 等間距均勻點源離散直線陣的聲輻射,聲場的方向性函數(shù)

10、,College of Underwater Acoustic Engineering,26,7 等間距均勻點源離散直線陣的聲輻射,（1）當(dāng) 時，聲壓振幅出現(xiàn)極大值1，對應(yīng)極大值的方向：,College of Underwater Acoustic Engineering,27,7 等間距均勻點源離散直線陣的聲輻射,（2）當(dāng) 時，聲壓振幅出現(xiàn)次極大值（旁瓣），對應(yīng)次極大值的方向：,各次極大聲壓與主極大聲壓比值為： 注意：該值可得到主旁瓣比主極大與第一次極大比值的分貝數(shù),College of Underwater Acoustic Engineering,28,7 等間距均勻點源離散直線陣的聲輻

11、射,（3）當(dāng) 、 的整數(shù)倍時， 聲壓振幅出現(xiàn)極小值（各點源聲場抵消，總聲壓為零），對應(yīng)極小值的方向：,方向銳角或主瓣束寬（全開角）： 主極大值兩旁第一個極小值之間的夾角,College of Underwater Acoustic Engineering,29,常識：陣孔徑越大，頻率越高，波束寬度越窄。 -3dB束寬：由主極大的幅值下降0.707倍處兩邊的夾角或半功率輻射點之間的夾角。,注意：利用正弦函數(shù)的級數(shù)展開，求得上式。,College of Underwater Acoustic Engineering,30,發(fā)射方向性因子：在遠場發(fā)射陣最大響應(yīng)方向上聲強與同一距離處各方向聲強平均值之

12、比。,發(fā)射指向性指數(shù)：發(fā)射陣的方向性因子的分貝數(shù)。,7 等間距均勻點源離散直線陣的聲輻射,College of Underwater Acoustic Engineering,31,8 均勻連續(xù)直線陣的聲輻射,輻射聲壓方向性圖 令 ， ， ，則陣長為L的均勻連續(xù)直線陣的方向性函數(shù)為：,主瓣束寬和-3dB束寬：,College of Underwater Acoustic Engineering,32,注意：連續(xù)直線陣永遠不會出現(xiàn)柵瓣。,8 均勻連續(xù)直線陣的聲輻射,方向性函數(shù)：,方向性因子：,College of Underwater Acoustic Engineering,33,9 無限大障

13、板上平面輻射器的聲輻射,平面圓形活塞的輻射 設(shè)半徑為a的圓形平面活塞鑲嵌在無限大障板上，如圖所示。 活塞位于XOY平面內(nèi)，向上半空間輻射聲波，聲場對稱于z軸?；钊砻娓鼽c的振幅和相位相同，則,College of Underwater Acoustic Engineering,34,9 無限大障板上平面輻射器的聲輻射,軸線上聲壓變化 注意：軸線聲壓隨距離起伏變化，呈現(xiàn)很強的相干效應(yīng)。,遠場聲壓,注意：活塞遠場聲壓與球面波一樣與距離成反比，聲場具有方向性。,College of Underwater Acoustic Engineering,35,方向性函數(shù) 活塞輻射聲場方向性函數(shù)為：,波束寬度,注意：圓形活塞不會出現(xiàn)柵瓣。,9 無限大障板上平面輻射器的聲輻射,College of Underwater Acoustic Engineering,36,9 無限大障板上平面輻射器的聲輻射,方向性因子和方向性指數(shù),College of Underwater Acoustic Engineering,37,10 聲波的接收方向特性,接收方向性函數(shù),根據(jù)互易原理，可逆換能器的接收方向性函數(shù)與它的發(fā)射方向性函數(shù)相同。,定義：設(shè)離接收系統(tǒng)參考中心的遠場處球面上有一點源，接收系統(tǒng)的輸出電壓V與接收中心的