水声学原理2

第二章声学基础第三讲理想流体介质中的小振幅波CollegeofUnderwaterAcousticEngineering2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CollegeofUnderwaterAcousticEngineering3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-(NL-DI)=DTSL’-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）rr42'CollegeofUnderwaterAcousticEngineering42、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-100dB；CollegeofUnderwaterAcousticEngineering53.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:dBpPa100IrI152621067.615001000)10100(cpI401067.61067.6log10log1019150IISILCollegeofUnderwaterAcousticEngineering64.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：0log10IISL4aNDPIDITTIDDIlog10NDDTIIID4/aTNDTDPIDIIDITaDDIIPIISL0041log10log10log10CollegeofUnderwaterAcousticEngineering7第一章作业1.什么是声纳？声纳可以完成哪些任务？2.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？3.声纳方程的两个重要的基本用途是什么？4.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？CollegeofUnderwaterAcousticEngineering8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）CollegeofUnderwaterAcousticEngineering91、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（CompressionalWave），即纵波在固体中既有纵波也有横波（切变波-ShearWave）CollegeofUnderwaterAcousticEngineering10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：0PPp0UUuCollegeofUnderwaterAcousticEngineering11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：①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ut2、波动方程导出10CollegeofUnderwaterAcousticEngineering12根据前面的假设有：②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：dcdP201scs式中，为绝热压缩系数——单位压强变化引起的体积相对变化。ut01CollegeofUnderwaterAcousticEngineering13③运动方程——牛顿第二定律波动方程ptu022221tpcpdcdPut201连立方程：utPc021可得：CollegeofUnderwaterAcousticEngineering14直角坐标系：球坐标系：柱坐标系：2222222zyx22222222sin1sinsin11rrrrrr22222211zrrrrr拉普拉斯算符CollegeofUnderwaterAcousticEngineering15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：dtp0utp022221tcCaution：声压：振速：CollegeofUnderwaterAcousticEngineering163、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声能密度：体积内的总声能为：0V022022021VcpuEEEpk单位体积内的瞬时声能密度为：22022021cpui平均声能密度：TidtT01CollegeofUnderwaterAcousticEngineering17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TpudtTI01CollegeofUnderwaterAcousticEngineering184、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。c0upZcZ0CollegeofUnderwaterAcousticEngineering19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iekrckrkrkrcikrkrcZ2020220111，krtg1krHkrHciZ21200cZ0CollegeofUnderwaterAcousticEngineering205、相速度和群速度相速度：定义：振动状态在介质中传播的速度注意：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：kcpdkdcgpgccdkdckccppgCollegeofUnderwaterAcousticEngineering216、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：xktirxktiiePePp111xktirxktiiecPecPu111111111c22ciprptpoxCollegeofUnderwaterAcousticEngineering22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：xktitePp22xktitecPu22220201,,xxtxptxptriPPP0201,,xxtxutxu221111cPcPcPtriCollegeofUnderwaterAcousticEngineering23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121211221122ZZZZccccPPRir12211222222ZZZcccPPDit21ZZ0R1D21ZZ0R0DCollegeofUnderwaterAcousticEngineering24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：21ZZ1R2D21ZZ0R0DDZZDZZIITLtilg20lg101lg10lg1012212例：声波由空气入射到水中，透射损失约29.5dBCollegeofUnderwaterAcousticEngineering25斜入射斜入射平面波在分界面上的反射和折射11c22ciprptpoxitCollegeofUnderwaterAcousticEngineering26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nnnntitiirZZZZccccPPR121211221122coscoscoscosnnntiiitZZZcccPPD1221122222coscoscos2incZcos111tncZcos222CollegeofUnderwaterAcousticEngineering27取，，则由折射定律得讨论：，有正常意义下的折射波21ccn12mitnn22sincosiiiinmnmR2222sincossincosiiinmmD22sincoscos2121ccn折射率密度比CollegeofUnderwaterAcousticEngineering28当时，且此时正负号的选取：根据折射波无穷远熄灭条件取：正？？？负？？？当入射角时，发生全内反射现象全反射现象的特点：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。22sincosnjnit121ccn21arcsinarcsinccnicit)]cossin(exp[),,(212trttzkxktjptzxp21arcsinarcsinccnici