第六章声波的接收

第六章声波的接收6-1概述6-1-1声波的接收过程辐射的逆过程---声压作用到接收器振动表面，使其振动；利用换能器件将机械振动转变为电信号。6-1-2接收器的二次辐射阻抗声压作用到接收器振动表面，使其振动；此振动会受到介质的阻力作用---等效在机械系统中增加了机械阻抗。6-1-3本章要点与声压信号相比接收器的振动信号的畸变。6-2接收器机械振动系统的振速畸变及其控制方法6-2-1接收器引起的声场畸变及压力系数),(trPi—无接收器时波场,原声场。),(trPo—有接收器时波场,畸变声场。),(trPs—接收器的散射波场。),(),(),(trPtrPtrPiso；平均畸变压强：接收器接收的畸变力：，为声场畸变系数。：谐合律振动波场，定义dsPFPdsPFtrptrpSSio00000S1S;),(~),(~:~0压力系数两种典型接收器的接收强与原声场声压之比。是接收器的平均畸变压系数。，为接收器的接收压力：谐合律振动波场，定义iiopSFpp图6.1几种接收器压力系数与ka的关系一般，ka1时，接收压力系数的模值趋于常数（与频率无关）。6-2-2接收器的二次辐射阻抗声压作用到接收器振动表面，使其振动；此振动会受到介质的阻力作用，这个阻力作用等效在机械系统中增加了机械阻抗；称作二次辐射阻抗，记：Z2S6-2-3接收器机械振动系统的机电类比图图6.2接收器机械振动系统的机电类比图）（为：则振速信号为：如果，原声场声压信号）（励力与振速有关系：据网络定理，显然，激2-6)]}([{)()();(1-6~~~21220tpFZZSFtututpZZSpZZFuismismism6-2-4接收器机械振动系统的振速畸变及其控制方法畸变的影响。对；减少设计机械振动系统，使控制方法：畸变。的函数，会引起二次辐射阻抗是）接收灵敏度下降。负作用：接收面小，使畸变；趋于常数，减少时，控制方法：畸变。的函数，会引起是压力系数）（)()(2)(1)()13-6)]}([{)(22221tuZZZtuZtukatutpFZZSFtusmssism。根据实际具体问题进行畸变的控制方法通常要机械阻抗引起控制方法：畸变。的函数，会引起机械阻抗是）)()(3tuZtuZmm质量控制’）加速度计，利用‘阻尼控制’‘）动圈式麦克风，利用弹性控制’‘）电容式麦克风，利用例如：坦的频响。，输出的电学量具有平参数，使得在工作频段械振动系统的结构及其要合理设计选择机机电转换元件的类型，进行；而是根据接收器局限于针对往往并不虑和控制信号畸变输出是电学量；所以考对于实际接收器，由于一般控制方法：。根据实际具体问题进行畸变的控制方法通常要机械阻抗引起321)(,)(tutuZm6-3声场互易定理及其物理意义6-3-1声场互易定理数学表达的推导无限介质区域内，有两个声源：所围区域；为其中）（远边界条件方程和满足外声压则：在的辐射声压记作的闭曲面；声源是包围声源令11112121111;/,4-6;0)()(:)(,11)1(SVckVrrpkrpHrpSpS图6.3声源1所对应的曲面所围区域；为其中）（远边界条件方程和满足外声压则：在的辐射声压记作的闭曲面；声源是包围声源令22222222222;/,5-6,;0)()(:)(,22)2(SVckVrrpkrpHrpSpS图6.4声源2所对应的曲面）（作体积分，得：在，则对上式为边界的区域记作和、内；若以在、，使作包面内处处成立；上式在）（，得：）式（）则有：式（7-60)}()()()({2121)3(216-60)}()()()({0)()()()()(4-6)(5-61221122112222121VdvrprprprpVVSSSSVVSVVrrprprprprprprprprprp图6.5包面S的外法线方向；为其中，）（又）（得：高公式：根据奥vSSSSSSSVSndsnrprpnrprpdsnrpdsnrpsdrpdsnrpdsnrpsdrpsdrprprprpsdAdvAv9-60})()()()({)()()(,)()()(8-60)}()()()({211221222111211221）（有：的表面振速记作的表面；且声源声源同理，）尤拉公式：辐射产生；又声场由声源（）（；则，据边界条件：的表面振速记作且声源的表面声源又令）（则：远辐射条件；满足、；由于令12-6122111-611;110-600)()()4(22222221111111121212121SSnnnSSnSSSSSSSSnpjuvvSnpujnptupnpjuvvSrprpS0)(14-6)(})()({2(})()()()({)0)((13-6)(})()({1(})()()()({2122222211212122121221212111112111211221112211SnSnSnnSSnnSSSnSnSnnSSnnSSuvuvuudsvrpjdsurpurpjSndsnrprpnrprpuvuvuudsvrpjdsurpurpjSndsnrprpnrprp；而）（的外法线）为同理，；而）（的外法线）为数学表达式！此式为声场互易定理的）（得：）：由式（15-6)()(0)()(010-6)5(22111222111221SSSSSSdsvrpdsvrpdsvrpjdsvrpj6-3-2声场互易定理的物理意义功率相等。：声场中声源间的输入义声场互易定理的物理意的输入功率；场对声源辐射的声等式右侧为声源而的输入功率；辐射的声场对声源等式左侧为声源位面积的声功率）的乘积是声能流；（单与振速声压：分析）（声场互易定理12112)1(16-6)()(:221112updsvrpdsvrpSS定理名称的由来。亦即：收发互易。互易点接收的声场值相等。点发射点接收与在点发射：同一声源，在声场中义声场互易定理的物理意推论：若）（；声源强度）（）为：为点声源，则式（和声源如果声源：分析ABBArprpQQdsvQQrpQrpdsvrpdsvrpSSSiiiSSSSSS2)()(17-6)()()()(16-621)2(21122122111222211112jiijjijijSijijSSZZijvfZZZvfvfijdsrpffvfvdsrpvdsrpv阻抗相等；即：声场中声源间的互辐射：物理意义推论，声场互易定理的声源的互辐射阻抗。声源对为定义：）（声源表面的作用力声源的辐射场对；为其中，）（）为：（均振速分布均匀，则式和声源如果声源：分析3;19-6;)(18-6)()(17-621)3(2112121212212121212121复习）指向性函数的概念：（）声源辐射（声场的）换能器。此换能器称作收发互易声波；则又可以作为接收器接收以作为声源辐射声波，）如果一个换能器即可：分析ba)4(性函数相同。指向性函数与接收指向收发互易换能器的辐射：物理意义推论，声场互易定理的；其中，为：性函数；则接收器的接收指向接收力为时，接收器接收面上的面不同位置辐射声波，点声源在球的远场球面上有点声源定义：以接收器为球心略讲）函数的概念：（了解，）接收器的接收指向性4}),,(max{),,(),,(),,(),,(),,(:),,(00000000000rFrFrFrFrDrFrcr6-4声波接收的多普勒效应（1）多普勒效应(现象)用接收器接收声波，由于介质、辐射器和接收器有相对运动，会使得接收器接收的声波频率与辐射器辐射声波的频率不同，此现象称作多普勒效应(现象)。（2）多普勒效应的应用举例：多普勒测速(流量)、目标识别（3）多普勒效应可用运动介质声学理论予以分析；也可用运动学解释。（4）本课用运动学理论推导多普勒频移公式：；介质中声波的波长：的速度向接收器运动辐射器相对介质以接收器相对介质静止，；；辐射器辐射频率介质中波速为fvcfvfcvAfc':)图6.6辐射器相对运动时的多普勒效应马赫数。辐射器在介质中运动的式中：）（接收器接收的频率：cvMfMfvcccfvv20-611''动的马赫数。为该物体在该介质中运则定义：；运动，介质中的声速为以速度定义，若物体在介质中cvMcvv）（）（频率：其倒数为接收器接收的）（长所经历时间声波通过接收器一个波；介质中声波的波长：的速度向辐射器运动接收器相对介质以辐射器相对介质静止，21-61'1''::)fMfcucTfucfcucTfcuBu图6.7接收器相对运动时的多普勒效应）（的频率：射器运动。接收器接收的速度向辐接收器相对介质以的速度向接收器运动，辐射器相对介质以22-611')fMMfuvCvucvMcuMvrvurufMMfrrfufvDvutrrtvurttr；；；其中，）（：则，接收器接收的频率（接收指向发射）（发射指向接收）和：线方向的单位向量记为；辐射器与接收器的连度运动，接收声波频率的速；接收器相对介质以频率的速度运动，发射声波辐射器相对介质以coscos23-6cos1cos1'')思考题:如何利用多普勒效应测量流体的流速?(多普勒流速计的测速原理为何?)