水聲學(xué)原理課件

第二章聲學(xué)基礎(chǔ)第三講理想流體介質(zhì)中的小振幅波1CollegeofUnderwaterAcousticEngineering第二章聲學(xué)基礎(chǔ)第三講理想流體介質(zhì)中的小振幅波1Colle第一章知識要點聲納參數(shù)的定義、物理意義SL、TL、TS、NL、DI、DT、RL、DIT組合聲納參數(shù)的物理意義SL-2TL+TSNL-DI+DTRL+DT(SL-2TL+TS)-(NL-DI+DT)主動聲納方程的選擇問題（如何判斷干擾）聲納方程的兩個重要的基本用途2CollegeofUnderwaterAcousticEngineering第一章知識要點聲納參數(shù)的定義、物理意義2Collegeof解：

對于受噪聲干擾的主動聲納，提高聲源級能增加聲納的作用距離。SL-2TL+TS-(NL-DI)=DTSL’-2TL’+TS-(NL-DI)=DT兩式相減得到第一章思考題：1、已知噪聲是某主動聲納的主要干擾，如果聲納的聲源級增加一倍，問聲納作用距離能增大嗎？如果能增大，請計算增大了多少，如果不能，請說明原因。（聲波按球面波擴展衰減，不計介質(zhì)吸收）3CollegeofUnderwaterAcousticEngineering解：第一章思考題：3CollegeofUnderwate2、取下列聲壓作為參考級，1微帕聲壓的大小為：

（10-5達(dá)因/厘米2=1微帕）取參考聲壓為1微帕?xí)r，其大小為0dB；取參考聲壓為0.0002達(dá)因/厘米2時，其大小為-26dB；取參考聲壓為1達(dá)因/厘米2時，其大小為

-100dB；4CollegeofUnderwaterAcousticEngineering2、取下列聲壓作為參考級，1微帕聲壓的大小為：（1給定水下聲壓為，那么聲強是多大，與參考聲強比較，以分貝表示的聲強級是多少？（取聲速C=1500m/s，密度為1000kg/m3）解：聲強：W/m2聲強級:

dB

5CollegeofUnderwaterAcousticEngineering給定水下聲壓為，那么聲強發(fā)射換能器發(fā)射40kW的聲功率，且方向性指數(shù)為15dB，其聲源級SL為多少？解：聲源級定義：無指向性聲源的聲強：設(shè)指向性聲源的軸向聲強為：由題意知：指向性聲源的軸向聲強為：聲源級：6CollegeofUnderwaterAcousticEngineering發(fā)射換能器發(fā)射40kW的聲功率，且方向性指數(shù)為15dB，其聲第一章作業(yè)什么是聲納？聲納可以完成哪些任務(wù)？請寫出主動聲納方程和被動聲納方程？在聲納方程中各項參數(shù)的物理意義是什么？聲納方程的兩個重要的基本用途是什么？環(huán)境噪聲和海洋混響都是主動聲納的干擾，在實際工作中如何確定哪種干擾是主要的？7CollegeofUnderwaterAcousticEngineering第一章作業(yè)7CollegeofUnderwaterAc本講主要內(nèi)容聲學(xué)基礎(chǔ)知識（了解）波動方程的導(dǎo)出（了解）聲場中的能量關(guān)系（了解）8CollegeofUnderwaterAcousticEngineering本講主要內(nèi)容聲學(xué)基礎(chǔ)知識（了解）8CollegeofUn1、聲學(xué)基礎(chǔ)知識聲波：機械振動狀態(tài)在介質(zhì)中傳播形成的一種波動形式分類：20Hz以下的振動稱為次聲高于20kHz的振動稱為超聲20Hz至20kHz的聲振稱為音頻聲流體介質(zhì)中，聲波表現(xiàn)為壓縮波（CompressionalWave），即縱波在固體中既有縱波也有橫波（切變波-ShearWave）9CollegeofUnderwaterAcousticEngineering1、聲學(xué)基礎(chǔ)知識聲波：機械振動狀態(tài)在介質(zhì)中傳播形成的一種波動聲速：振動在介質(zhì)中傳播有時間滯后，即聲波在介質(zhì)中傳播有一定速度，稱為聲速聲場：聲波所及的區(qū)域聲壓：由于聲波擾動引起介質(zhì)質(zhì)點壓強的變化，這種變化量稱為聲壓：質(zhì)點振速：由于聲波擾動引起的介質(zhì)質(zhì)點運動速度的變化量：10CollegeofUnderwaterAcousticEngineering聲速：振動在介質(zhì)中傳播有時間滯后，即聲波在介質(zhì)中傳播有一定速假設(shè)條件：介質(zhì)靜止、均勻、連續(xù)的；介質(zhì)是理想流體介質(zhì)；小振幅波。波動方程導(dǎo)出的三個基本方程：①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2、波動方程導(dǎo)出11CollegeofUnderwaterAcousticEngineering假設(shè)條件：2、波動方程導(dǎo)出11CollegeofUnde根據(jù)前面的假設(shè)有：②狀態(tài)方程——絕熱壓縮定律：介質(zhì)的壓縮和膨脹過程是絕熱過程聲波的傳播速度：式中，為絕熱壓縮系數(shù)——單位壓強變化引起的體積相對變化。12CollegeofUnderwaterAcousticEngineering根據(jù)前面的假設(shè)有：②狀態(tài)方程——絕熱壓縮定律：介質(zhì)的壓縮和膨③運動方程——牛頓第二定律波動方程連立方程：可得：13CollegeofUnderwaterAcousticEngineering③運動方程——牛頓第二定律波動方程連立方程：可得：13Co直角坐標(biāo)系：球坐標(biāo)系：柱坐標(biāo)系：拉普拉斯算符14CollegeofUnderwaterAcousticEngineering直角坐標(biāo)系：拉普拉斯算符14CollegeofUnder速度勢——介質(zhì)單位質(zhì)量具有的聲擾動沖量聲壓、質(zhì)點振速與速度勢的關(guān)系：

Caution：聲壓：振速：15CollegeofUnderwaterAcousticEngineering速度勢——介質(zhì)單位質(zhì)量具有的聲擾動沖量Caution：聲壓：3、聲場中的能量聲能：由于聲波傳播而引起的介質(zhì)能量的增量稱為聲能；顯然聲能是介質(zhì)運動的機械能。聲場總能量：動能+位能聲能密度：體積內(nèi)的總聲能為：單位體積內(nèi)的瞬時聲能密度為：平均聲能密度：16CollegeofUnderwaterAcousticEngineering3、聲場中的能量聲能：由于聲波傳播而引起的介質(zhì)能量的增量稱為常識：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無損耗、無擴展的傳遞特性。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Caution：正負(fù)表示能流流出或流入體元。平均聲能流密度或聲波強度：通過垂直聲傳播方向的單位面積的平均聲能流17CollegeofUnderwaterAcousticEngineering常識：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4、介質(zhì)特性阻抗和聲阻抗率

介質(zhì)的特性阻抗: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：

說明：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)。

18CollegeofUnderwaterAcousticEngineering4、介質(zhì)特性阻抗和聲阻抗率介質(zhì)的特性阻抗:18Colle球面波說明：近距離，聲壓和振速的相位差很大；遠(yuǎn)距離，聲壓和振速的相位接近相等。注意：聲阻率和聲抗率柱面波：說明：具有與球面波聲阻抗率相似的性質(zhì)。注意：柱面波和球面波在遠(yuǎn)場近似為平面波，即，19CollegeofUnderwaterAcousticEngineering球面波，19CollegeofUnderwaterAc5、相速度和群速度

相速度：

定義：振動狀態(tài)在介質(zhì)中傳播的速度注意：若介質(zhì)的相速度與頻率無關(guān)，則為非頻散介質(zhì)，反之為頻散介質(zhì)。群速度：

定義：聲能量傳播的速度（波群和波包的相速）注意：非頻散介質(zhì)：；頻散介質(zhì)：

20CollegeofUnderwaterAcousticEngineering5、相速度和群速度相速度：20CollegeofUn6、平面波在兩種不同均勻介質(zhì)界面上的反射和折射

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。在介質(zhì)1中：21CollegeofUnderwaterAcousticEngineering6、平面波在兩種不同均勻介質(zhì)界面上的反射和折射21在介質(zhì)2中：邊界條件：界面上聲壓連續(xù)：界面上法向振速連續(xù)：

22CollegeofUnderwaterAcousticEngineering在介質(zhì)2中：22CollegeofUnd聲壓反射系數(shù)：聲壓透射系數(shù)：由上述各式可知，聲波在分界面上反射和透射的大小決定于媒質(zhì)的特性阻抗，具體分析如下：當(dāng)時，有，，全部透射

當(dāng)時，有，，硬邊界，反射波聲壓和入射波聲壓同相

23CollegeofUnderwaterAcousticEngineering聲壓反射系數(shù)：23CollegeofUnderwater當(dāng)時，有，，軟邊界，反射波聲壓和入射波聲壓反相

當(dāng)時，有，，絕對硬，反射波聲壓和入射波聲壓大小相等，相位相同，所以在分界面上合成聲壓為入射聲壓的兩倍，實際上發(fā)生的是全反射。透射損失TL：例：聲波由空氣入射到水中，透射損失約29.5dB24CollegeofUnderwaterAcousticEngineering例：聲波由空氣入射到水中，透射損失約29.5dB24Col斜入射斜入射平面波在分界面上的反射和折射25CollegeofUnderwaterAcousticEngineering斜入射斜入射平面波在分界面上的反射和折射25College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)：

注意：法向聲阻抗率：聲壓與法向振速之比

26CollegeofUnderwaterAcousticEngineering26CollegeofUnderwaterAcous取，，則由折射定律得討論：，有正常意義下的折射波

折射率密度比27CollegeofUnderwaterAcousticEngineering取，，當(dāng)