水聲學(xué)第六章-聲波在目標(biāo)上的反射和散射

第六章聲波在目標(biāo)上的反射和散射10/10/20231鄰近海面的水下點源聲場聲壓振幅隨距離的變化特征（近場/遠場）傳播損失表面聲道表面聲道特征反轉(zhuǎn)深度、臨界聲線、跨度的概念傳播損失（近距離/遠距離）深海聲道深海聲道特征第五章知識要點10/10/20232聲影區(qū)的概念傳播損失（近距離/遠距離）深海負梯度聲線的特點與極限聲線幾何作用距離的概念深海負躍層概念對聲傳播的影響均勻淺海聲場傳播損失與距離的關(guān)系（近/中等/遠距離）虛源表示的基本思想10/10/20233目標(biāo)強度（重點）目標(biāo)強度概念剛性大球的目標(biāo)強度常見聲納目標(biāo)的目標(biāo)強度的一般特征（重點）潛艇的目標(biāo)強度魚雷和水雷的目標(biāo)強度魚的目標(biāo)強度本章主要內(nèi)容10/10/20234目標(biāo)強度的實驗測量（重點）比較法測量目標(biāo)強度直接法測量目標(biāo)強度應(yīng)答器法實驗室測量常見聲納目標(biāo)的目標(biāo)強度（了解）簡單幾何形狀物體的目標(biāo)強度（了解）本章主要內(nèi)容10/10/20235目標(biāo)回波（重點）回波信號的形成回波信號的一般特征剛性球體的散射聲場（了解）剛性不動球體的聲散射剛性不動微小球粒子對平面波的散射聲波在彈性物體上的散射（了解）平面聲波在彈性球體上的散射彈性物體散射聲場的一般特征本章主要內(nèi)容10/10/20236本章主要內(nèi)容殼體目標(biāo)上的回波信號（了解）穩(wěn)態(tài)回波信號短脈沖入射時的回聲信號用赫姆霍茨積分方法求解散射聲場（了解）赫姆霍茲積分解菲涅爾半波帶近似法10/10/20237目標(biāo)強度目標(biāo)強度概念水下目標(biāo)1）軍事目標(biāo)：潛艇、魚雷、水雷

2）民用目標(biāo)：魚群3）無限伸展非均勻體：深水散射層、海面、海底等

研究聲納目標(biāo)回波特性的意義A）主動聲納目標(biāo)檢測和識別的依據(jù)B）對聲納設(shè)備的設(shè)計和應(yīng)用有重要意義

10/10/20238目標(biāo)強度目標(biāo)強度概念定義：目標(biāo)強度TS定量描述目標(biāo)聲反射本領(lǐng)的大小，其定義為式中，為入射聲波強度；為離目標(biāo)聲中心1米處的回聲強度。10/10/20239目標(biāo)強度目標(biāo)強度概念目標(biāo)的聲中心：假想的點，可位于目標(biāo)的內(nèi)部或外部，回聲由該點發(fā)出。收發(fā)分置（bistatic）：回聲強度是入射方向和回聲方向的函數(shù)。收發(fā)合置（monostatic）：回聲強度僅是入射方向的函數(shù)，即為反向反射或反向散射。提示：多數(shù)聲納為收發(fā)合置型的，本章主要討論反向反射情況下的目標(biāo)回聲問題。問題：水下目標(biāo)的目標(biāo)強度是大于零還是小于零？為什么？

10/10/202310目標(biāo)強度剛性大球的目標(biāo)強度大球：ka>>1，k為波數(shù)剛性：聲能不會透入球體內(nèi)部反射聲線：局部平面鏡反射定律理想反射體：聲能無損失地被球面所反射

到范圍內(nèi)的入射聲功率：

10/10/202311目標(biāo)強度剛性大球的目標(biāo)強度

從到入射的聲波被限制在到的范圍內(nèi)。散射聲功率：10/10/202312目標(biāo)強度剛性大球的目標(biāo)強度根據(jù)入射聲功率等于散射聲功率有：求得

剛性大球的目標(biāo)強度：結(jié)論：TS值與聲波頻率無關(guān)，只與球半徑有關(guān)。

提示：尤立克《水聲原理》應(yīng)用能量守恒進行推導(dǎo)10/10/202313常見聲納目標(biāo)的目標(biāo)強度的一般特征潛艇的目標(biāo)強度

問題：潛艇不同方位的目標(biāo)強度是否一樣？正橫方向艇首10/10/202314常見聲納目標(biāo)的目標(biāo)強度的一般特征潛艇的目標(biāo)強度潛艇的目標(biāo)強度與方位、頻率、脈沖寬度、深度和測量距離等因素有關(guān)。測試艇：柴油動力潛艇時間：二戰(zhàn)前后。正橫方向：12～40dB，平均值25dB

18艘潛艇正橫方向目標(biāo)強度直方圖10/10/202315常見聲納目標(biāo)的目標(biāo)強度的一般特征潛艇的目標(biāo)強度隨方位的變化潛艇目標(biāo)強度與方位角關(guān)系曲線呈“蝴蝶形”圖形。潛艇目標(biāo)強度隨方位的變化10/10/202316常見聲納目標(biāo)的目標(biāo)強度的一般特征潛艇的目標(biāo)強度隨方位的變化1）在艇的舷側(cè)正橫方向上，目標(biāo)強度值最大，達25dB，系由艇殼的鏡反射引起；2）在艇首和艇尾方向，目標(biāo)強度最小，約10～15dB，系由艇殼和尾流的遮蔽效應(yīng)引起；3）在艇首和艇尾20度附近，比相鄰區(qū)域高出1～3dB，可能是由潛艇的艙室結(jié)構(gòu)的內(nèi)反射產(chǎn)生；4）在其它方向上呈圓形，系由潛艇的復(fù)雜結(jié)構(gòu)以及附屬物產(chǎn)生散射的多種疊加。10/10/202317常見聲納目標(biāo)的目標(biāo)強度的一般特征潛艇的目標(biāo)強度隨測量距離的變化近距離處潛艇目標(biāo)強度測量值有可能小于遠距離處的目標(biāo)強度測量值，其原因是：1）當(dāng)使用指向性聲納在近處進行目標(biāo)強度測量時，由于指向性的關(guān)系，聲束不能照射到目標(biāo)的全部；2）某些幾何形狀比較復(fù)雜物體的回聲隨距離的衰減規(guī)律不同于點源聲場。問題：如何解釋？10/10/202318常見聲納目標(biāo)的目標(biāo)強度的一般特征潛艇的目標(biāo)強度隨測量距離的變化以長為L的柱體目標(biāo)強度測量為例：近距離處：遠距離處：過渡距離：解得：10/10/202319常見聲納目標(biāo)的目標(biāo)強度的一般特征潛艇的目標(biāo)強度隨測量距離的變化1）在近場（距離小于），回聲強度隨距離的衰減服從柱面波規(guī)律，即。2）在遠場（距離大于），回聲強度隨距離的衰減服從球面波規(guī)律，即。3）若分別在近場和遠場進行測量，然后按照球面波規(guī)律歸算到距目標(biāo)聲中心1m處，則結(jié)果必然是遠距離測量值大于近距離測量值。提示：為了要得到穩(wěn)定的測量結(jié)果，測量應(yīng)在遠場進行，即測量距離。10/10/202320常見聲納目標(biāo)的目標(biāo)強度的一般特征潛艇的目標(biāo)強度隨脈沖寬度的變化

設(shè)入射波脈沖長度為，若物體表面上A點和B點所產(chǎn)生的回聲在脈沖寬度內(nèi)被同時接收到，則有：10/10/202321常見聲納目標(biāo)的目標(biāo)強度的一般特征潛艇的目標(biāo)強度隨脈沖寬度的變化1）隨著脈沖長度的增加，對回聲有貢獻的物體表面積相應(yīng)增大；2）脈沖長度由短逐漸變長時，目標(biāo)強度值也由小逐漸變大，直到脈沖長度變?yōu)楹?，目?biāo)強度值就不再隨脈沖長度的變化而變化。提示：TS隨脈沖寬度的變化關(guān)系決定了TS測量時的最小脈沖寬度；但在正橫方向上目標(biāo)強度隨脈沖長度變化的現(xiàn)象不明顯。因為這時目標(biāo)在入射波方向上的長度很小，并且?guī)缀午R反射是形成回聲的主要過程；當(dāng)測量目標(biāo)上的單個亮點處的目標(biāo)強度時，該效應(yīng)也不顯著（脈寬減小效應(yīng)）。10/10/202322常見聲納目標(biāo)的目標(biāo)強度的一般特征潛艇的目標(biāo)強度隨頻率的變化二戰(zhàn)期間，人們曾用12、24和60千赫的頻率進行潛艇目標(biāo)強度的測量，試圖確定潛艇目標(biāo)強度的頻率響應(yīng)，但測量結(jié)果表明：潛艇目標(biāo)強度不存在明顯的頻率效應(yīng)，如果有的話，也被實測值的不確定性（離散性）所掩蓋。

提示：潛艇目標(biāo)的結(jié)構(gòu)和幾何形狀十分復(fù)雜，產(chǎn)生回聲的機理是多種多樣的。隨深度的變化深度對目標(biāo)強度值的影響不是影響了潛艇本身，而是深度變化引起聲傳播規(guī)律的變化。

提示：深度對潛艇尾流回聲有影響。

10/10/202323常見聲納目標(biāo)的目標(biāo)強度的一般特征魚雷和水雷目標(biāo)強度10/10/202324常見聲納目標(biāo)的目標(biāo)強度的一般特征魚雷和水雷目標(biāo)強度形狀：帶平頭或圓頭的圓柱體尺度：長度1米至數(shù)米，直徑0.3米至1米兩者不同：魚雷尾部安裝有推進器；水雷雷體上安裝有翼及凹凸不平處。目標(biāo)強度的特點1）正橫方位或頭部目標(biāo)強度值較大——強鏡反射2）尾部和雷體上小的不規(guī)則部分目標(biāo)強度值較小。10/10/202325常見聲納目標(biāo)的目標(biāo)強度的一般特征魚雷和水雷目標(biāo)強度正橫方位上圓柱形物體的目標(biāo)強度：式中，a為圓柱半徑，L為圓柱長，是聲波波長

舉例：若，，，可得目標(biāo)強度值。該值與水雷正橫方向上的測量值基本相符。

提示：魚雷和水雷的目標(biāo)強度也隨方位、頻率、脈沖寬度和測量距離變化，大體與潛艇的相類似。10/10/202326常見聲納目標(biāo)的目標(biāo)強度的一般特征魚目標(biāo)強度魚是探魚聲納的目標(biāo)單個魚體的研究英國Cushing（1963年）等人的研究結(jié)果:1）測量對象：鱘魚、比目魚、鱸魚、青魚等死魚，安裝薄膜塑料人工魚鰾。2）實驗條件：聲波頻率30kHz，聲束由上向下垂直照射到魚脊背上，魚處于正常游動狀態(tài)。10/10/202327常見聲納目標(biāo)的目標(biāo)強度的一般特征魚目標(biāo)強度單個魚體的研究

3）測量結(jié)果：魚體長與目標(biāo)強度的關(guān)系如右圖。圖中直線為TS值與10lgV之間的關(guān)系，V是魚的體積。魚群的研究視魚群為一個整體，如果魚群由N條相距較大的魚所組成，則魚群總目標(biāo)強度為TS+10lgN，其中TS是單個魚體目標(biāo)強度值。10/10/202328目標(biāo)強度的實驗測量測量原理目標(biāo)強度測量示意圖如下圖所示：A是指向性聲源，向待測目標(biāo)輻射聲波，發(fā)射聲信號的脈沖寬度根據(jù)測量條件合理選擇。B是水聽器，接收來自目標(biāo)的回波。測量應(yīng)滿足遠場條件：待測目標(biāo)應(yīng)位于聲源輻射聲場的遠場區(qū)；水聽器應(yīng)位于目標(biāo)散射聲場的遠場區(qū)。目標(biāo)ABIiIr10/10/202329目標(biāo)強度的實驗測量測量原理根據(jù)目標(biāo)強度的定義：計算入射聲強度和回聲強度比較法測量原理利用已知目標(biāo)強度的參考目標(biāo)，在相同的測量條件下測量參考目標(biāo)和待測目標(biāo)的回聲強度，比較它們的回聲強度即可。10/10/202330目標(biāo)強度的實驗測量比較法目標(biāo)強度的計算設(shè)參考目標(biāo)的目標(biāo)強度值為TS0，待測目標(biāo)的目標(biāo)強度值為TS：式中，為參考目標(biāo)回聲強度；為待測目標(biāo)回聲強度。參考目標(biāo)ABIiI0待測目標(biāo)ABIiIr10/10/202331目標(biāo)強度的實驗測量比較法適用范圍適用于短距離下小物體的測量。優(yōu)缺點

優(yōu)點：操作和計算簡單，是比較實用的方法。

缺點：需要一個目標(biāo)強度已知的參考目標(biāo)，它的大小和結(jié)構(gòu)要保證其目標(biāo)強度近似理想幾何物體目標(biāo)強度；對于大目標(biāo)（例如潛艇）很難保證前后兩次測量條件相同。10/10/202332目標(biāo)強度的實驗測量直接法測量原理圖

A為收發(fā)合置換能器（為討論方便而假定），它是指向性聲源，聲軸指向待測目標(biāo)；

B為被測目標(biāo)；距離r應(yīng)滿足遠場條件。AB10/10/202333目標(biāo)強度的實驗測量直接法目標(biāo)強度的計算水聽器處的回聲級：EL=SL-2TL+TS

回聲級的定義：

待測目標(biāo)強度值：說明該方法需測量三個物理量。10/10/202334目標(biāo)強度的實驗測量直接法優(yōu)缺點

優(yōu)點：操作比較簡單，不需特殊的儀器設(shè)備，是一種基本測量方法。

缺點：需要精確地已知或測量傳播損失值。應(yīng)答器法

1952年，Urick和Pieper提出的不需確定傳播損失的測量方法。

10/10/202335目標(biāo)強度的實驗測量應(yīng)答器法測量原理圖

10/10/202336目標(biāo)強度的實驗測量應(yīng)答器法測量原理圖描述

1）待測目標(biāo)上安裝水聽器和應(yīng)答器各一個，應(yīng)答器接收聲源輻射聲脈沖后也輻射聲脈沖，水聽器先后接收聲源和應(yīng)答器發(fā)射的脈沖信號，設(shè)它們的聲級差為B分貝。

2）在水面船上安裝聲源和水聽器，水聽器接收目標(biāo)回聲和應(yīng)答器所輻射的脈沖聲信號，設(shè)它們的聲級差為A分貝。10/10/202337目標(biāo)強度的實驗測量應(yīng)答器法目標(biāo)強度的計算待測目標(biāo)強度值：TS=B-A優(yōu)點：不需要確定傳播損失；不需要對聲源、應(yīng)答器和兩個水聽器作絕對校正。實驗室測量測量方法：比較法和直接法。注意事項

1）聲源與目標(biāo)之間的距離和目標(biāo)與水聽器之間的距離應(yīng)滿足遠場條件-兩個遠場10/10/202338目標(biāo)強度的實驗測量實驗室測量注意事項

2）測試條件應(yīng)滿足自由場條件-一個自由場

消聲水池滿足自由場條件；非消聲水池的池壁、池底和水面水底反射聲會直接影響測量結(jié)果的可信度，應(yīng)消除反射聲的影響。根據(jù)水池的長、寬、深，合理選擇脈沖寬度，適當(dāng)調(diào)整聲源、目標(biāo)和水聽器三者之間的位置，使界面反射信號和回波信號在接收時間上分開。

3）合理選擇發(fā)射信號脈沖寬度-一個脈寬選取依據(jù)：測試環(huán)境滿足自由場條件（不能過寬）；測量結(jié)果要達到穩(wěn)態(tài)（不能過窄）。10/10/202339常見聲納目標(biāo)的目標(biāo)強度提示：一般，聲納目標(biāo)的目標(biāo)強度值是根據(jù)實驗測量得到的，結(jié)果具有較大的離散性，上表是從統(tǒng)計的意義上給出的規(guī)律性結(jié)果。10/10/202340簡單幾何形狀物體的目標(biāo)強度10/10/202341簡單幾何形狀物體的目標(biāo)強度提示：聲納目標(biāo)不滿足剛性、不動的理想條件，表中所列公式得到的僅是一種近似值。作為一種估計，這些公式在實際工作中是十分有用的。10/10/202342目標(biāo)回波目標(biāo)回波概述聲波在傳播途中遇到障礙物時產(chǎn)生的散射聲波中，返回聲源方向的那部分聲波。它是散射波的一部分，是入射波與目標(biāo)相互作用產(chǎn)生的，它攜帶目標(biāo)的某些特征信息。大目標(biāo)：目標(biāo)前方次級聲波——反射波；目標(biāo)后方的次級聲波——繞射波。小目標(biāo)：向空間各方向輻射的次級聲波——散射波。與聲波波長相當(dāng)目標(biāo)：反射、繞射、散射過程均起作用。10/10/202343目標(biāo)回波目標(biāo)回波概述在聲學(xué)中，近場的次級聲波——衍射波；遠場的次級聲波——散射波。本書中統(tǒng)稱為散射波。測量目標(biāo)回波的應(yīng)用測量回波信號分析處理回波提取目標(biāo)特征目標(biāo)檢測識別10/10/202344目標(biāo)回波回波信號的形成目標(biāo)鏡反射鏡反射是幾何反射過程，服從反射定律。曲率半徑大于波長的目標(biāo)，回波基本由鏡反射過程產(chǎn)生，與垂直入射點相鄰的目標(biāo)表面產(chǎn)生相干反射回聲。目標(biāo)散射目標(biāo)表面不規(guī)則性，如棱角、邊緣和小凸起物，其曲率半徑一般小于波長，由散射過程產(chǎn)生回波。10/10/202345目標(biāo)回波回波信號的形成目標(biāo)再輻射一般聲納目標(biāo)為彈性物體，在入射聲波的激勵下，目標(biāo)的某些固有振動模式被激發(fā)，向周圍介質(zhì)輻射聲波，它是目標(biāo)回聲的組成部分，稱之為非鏡反射回波，與目標(biāo)力學(xué)參數(shù)、狀態(tài)以及與入射聲波相對位置等因素有關(guān)。如下圖所示，窄平面波脈沖入射到鋁球上的回波脈沖串。10/10/202346目標(biāo)回波回波信號的形成回音廊式回聲（環(huán)繞波）聲波入射到A點除產(chǎn)生鏡反射波外，還有折射波透射到目標(biāo)內(nèi)部。折射波在目標(biāo)內(nèi)部傳播，在B、C、…上同樣產(chǎn)生反射和折射，到達G點時，折射波恰好在返回聲源的方向上，它是回波的一部分。10/10/202347目標(biāo)回波回波信號的一般特征多卜勒頻移運動目標(biāo)回波頻率和入射波產(chǎn)生差異，這種差異的大小與入射波頻率f及目標(biāo)與聲源之間距離變化率V有關(guān)，滿足如下關(guān)系：

提示：目標(biāo)接近聲源時，取正號；目標(biāo)遠離聲源時，取負號。

舉例：聲納工作頻率10kHz，聲源以10節(jié)(5.15m/s)的相對速度趨近目標(biāo)，回波頻移69Hz。10/10/202348目標(biāo)回波回波信號的一般特征脈沖展寬目標(biāo)回聲是由整個目標(biāo)表面上的反射體和散射體產(chǎn)生，整個物體表面都對回波有貢獻。由于傳播路徑不同，目標(biāo)表面不同部分產(chǎn)生的回波到達接收點時，時間上有先有后，加寬了回聲信號的脈沖寬度。如圖，平面波以掠射角入射到長為L的目標(biāo)上，在收發(fā)合置條件下，回波脈沖將比入射脈沖展寬：10/10/202349目標(biāo)回波回波信號的一般特征脈沖展寬

提示：回聲脈沖的這種展寬現(xiàn)象，在窄脈沖入射下，目標(biāo)為許多散射體組成的復(fù)雜目標(biāo)，回聲脈沖展寬明顯；若回聲主要過程是鏡反射，回聲脈沖展寬可以忽略。

舉例：潛艇目標(biāo)，在正橫方向，回波展寬僅為10ms，在首尾方位，回波展寬為100ms。包絡(luò)不規(guī)則性回聲包絡(luò)是不規(guī)則的，特別當(dāng)鏡反射不起主要作用時更是如此。10/10/202350目標(biāo)回波回波信號的一般特征包絡(luò)不規(guī)則性

產(chǎn)生原因：目標(biāo)上各散射體的散射波互相迭加干涉引起的。另外，在目標(biāo)回聲中，還可能有個別亮點，這是由目標(biāo)上某些部位產(chǎn)生鏡反射引起。例如，潛艇的指揮臺。調(diào)制效應(yīng)

產(chǎn)生原因：（1）螺旋槳旋轉(zhuǎn)引起目標(biāo)的散射截面產(chǎn)生周期性變化，引起回聲幅度周期性變化。（2）運動船體與其尾流產(chǎn)生的兩種回波干涉引起的調(diào)制效應(yīng)。10/10/202351課堂小測驗三在高頻遠場條件下，簡單地用能量守恒關(guān)系推出半徑為a的剛性大球目標(biāo)強度TS值的表達式。測量柱形目標(biāo)的TS值時，發(fā)現(xiàn)TS值隨測量距離而變，說明這種變化關(guān)系，解釋其原因。實驗室水池中測量水下目標(biāo)的目標(biāo)強度應(yīng)注意哪些事項？10/10/202352剛性球體的散射聲場剛性不動球體的聲散射目標(biāo)強度值1）通過實驗測量獲得2）通過理論計算獲得提示：常見聲納目標(biāo)的幾何形狀基本接近于球形或柱形。剛性：在入射聲波作用下球體不發(fā)生變形，聲波透不到球體內(nèi)部，激不起球內(nèi)部運動。不動：球體不參與周圍流體介質(zhì)質(zhì)點的運動。10/10/202353剛性球體的散射聲場剛性不動球體的聲散射散射場計算取坐標(biāo)系的原點和剛性球的球心重合，并取軸與入射平面波的傳播方向一致，設(shè)剛性球的半徑為，如圖所示。10/10/202354剛性球體的散射聲場剛性不動球體的聲散射散射場計算取入射平面波聲壓為：設(shè)散射波聲壓為，它滿足波動方程：10/10/202355剛性球體的散射聲場

剛性不動球體的聲散射散射場計算由于入射聲波關(guān)于

軸對稱，散射波也關(guān)于

軸對稱，則它與變量無關(guān)，則有：利用分離變量法，設(shè)：10/10/202356剛性球體的散射聲場剛性不動球體的聲散射散射場計算波動方程可分離成兩個方程：提示：上式為球貝塞爾方程，下式為勒讓德方程，其解的形式都已知。10/10/202357剛性球體的散射聲場剛性不動球體的聲散射散射場計算根據(jù)勒讓德方程的解有（

為分離變量時引入的常數(shù)，根據(jù)勒讓德方程的性質(zhì)，

必須是非負整數(shù)）：根據(jù)球貝塞爾方程的解有：10/10/202358剛性球體的散射聲場

剛性不動球體的聲散射散射場計算考慮無窮遠處輻射條件，系數(shù)

提示：波動方程的解即散射波聲壓為：式中，為待定常數(shù)，由邊界條件確定。10/10/202359剛性球體的散射聲場

剛性不動球體的聲散射散射場計算

問題：常數(shù)的確定（根據(jù)邊界條件）對于剛性球體有：

由于散射場聲壓為貝塞爾函數(shù)和勒讓德函數(shù)的級數(shù)和的形式，固將入射波聲壓展開為：10/10/202360剛性球體的散射聲場

剛性不動球體的聲散射散射場計算根據(jù)邊界條件，待定系數(shù)為：散射波聲壓的表達式為：10/10/202361剛性球體的散射聲場

剛性不動球體的聲散射散射場計算對于散射波的遠場，利用球漢克爾函數(shù)在大宗量條件下近似展開，遠場散射波聲壓為：，其中：10/10/202362剛性球體的散射聲場

剛性不動球體的聲散射散射場特點1）散射波振幅正比于入射波振幅；2）散射波是各階球面波的迭加，具有球面波的某些特征，如振幅隨距離一次方衰減；3）散射波具有明顯的指向性；4）隨頻率的變化：

A）低頻，球前向散射較均勻，隨頻率增大，指向性變得復(fù)雜；B）低頻時，剛球背面散射波很弱，隨著頻率的增加，背部散射波逐漸增強。10/10/202363剛性球體的散射聲場

剛性不動球體的聲散射散射場特點4）隨頻率的變化剛球遠場散射波強度：剛球目標(biāo)強度：10/10/202364剛性球體的散射聲場

剛性不動微小球粒子對平面波的散射微小粒子：是指，即或頻率甚低或者粒子半徑極小。提示：微小粒子的散射波聲壓依然可以應(yīng)用上述剛性不動球體的散射場聲壓表示。在條件下，求和項中只有前兩項起主要作用，微小粒子的散射波聲壓：10/10/202365剛性球體的散射聲場

剛性不動微小球粒子對平面波的散射整理得到散射波聲壓：散射波聲強：目標(biāo)強度：

結(jié)論：具有明顯的指向性和強烈的頻率特性。10/10/202366聲波在彈性物體上的散射

平面聲波在彈性球體上的散射對于常見的聲納目標(biāo)，都是由金屬材料制成的彈性體彈性體：入射聲波能透入物體內(nèi)部，并激發(fā)內(nèi)部聲場與剛性體比較：

1）彈性球體散射波強度隨頻率變化出現(xiàn)極大、極小變化；而剛性球體散射波強度不存在明顯的頻率效應(yīng)；

2）還存在其他方面的差異，研究這些差別，有助于聲納目標(biāo)的檢測和識別。10/10/202367聲波在彈性物體上的散射平面聲波在彈性球體上的散射散射場計算

分析：與剛性球體的散射場計算過程作對比，相同點：散射波聲壓滿足相同的波動方程，解法相同，形式解相同；不同點：確定形式解中的待定系數(shù)的邊界條件不同。

邊界條件：

1）法向應(yīng)力連續(xù)

2）法向位移連續(xù)或法向質(zhì)點振速連續(xù)

3）切向應(yīng)力為零10/10/202368聲波在彈性物體上的散射平面聲波在彈性球體上的散射散射場計算

彈性球體散射波聲壓：10/10/202369聲波在彈性物體上的散射

球面聲波在彈性球體上的散射散射場計算考慮點聲源置于S處，它距球心的距離為，空間任意點P處入射聲場為：10/10/202370聲波在彈性物體上的散射球面聲波在彈性球體上的散射散射場計算若點源離彈性球較遠，則根據(jù)漢克爾函數(shù)的漸近展開，有：

入射波聲壓：，散射波聲壓：10/10/202371聲波在彈性物體上的散射

球面聲波在彈性球體上的散射散射場計算考慮收發(fā)合置情況下的回波，則遠場條件下的回波表達式：引入形態(tài)函數(shù)：10/10/202372聲波在彈性物體上的散射

球面聲波在彈性球體上的散射散射場計算形態(tài)函數(shù)中，為水中波數(shù)，、為縱波和橫波波數(shù)。結(jié)論：彈性球體散射聲場比剛性球體復(fù)雜，與球體組成材料的彈性參數(shù)有關(guān)。

形態(tài)函數(shù)是Hickling在上世紀(jì)60年代引入來討論散射聲場與頻率的關(guān)系的，散射聲場表示為：10/10/202373聲波在彈性物體上的散射

球面聲波在彈性球體上的散射形態(tài)函數(shù)比較剛性球、聲學(xué)軟球、鋼球和鋁球：10/10/202374聲波在彈性物體上的散射彈性物體散射聲場的一般特征剛性球、聲學(xué)軟球、鋼球和鋁球形態(tài)函數(shù)比較1）彈性球（剛球和鋁球）形態(tài)函數(shù)隨頻率有極大、極小變化；2）剛性球形態(tài)函數(shù)在低頻段起伏振蕩，隨著頻率的增高，逐漸趨于1；3）聲學(xué)軟球形態(tài)函數(shù)在很低頻段大于1，隨著頻率的增加很快降至1。10/10/202375聲波在彈性物體上的散射彈性物體散射聲場的一般特征頻率特性1）寬脈沖入射信號散射強度隨頻率作極大、極小急劇變化，回波波形產(chǎn)生嚴(yán)重畸變。2）窄脈沖入射信號回波為一脈沖串，每個脈沖之間的間隔基本相等，脈沖幅度逐漸衰減，波形基本不變。波形畸變的解釋：A）回波來自物體表面的散射波、透入物體內(nèi)部經(jīng)內(nèi)表面反射、透射到達的波，入射波激勵下的再輻射波；10/10/202376聲波在彈性物體上的散射彈性物體散射聲場的一般特征頻率特性

波形畸變的解釋：

B）長脈沖時，水聽器可在同一時刻接收上述各種波迭加而成，它們經(jīng)由不同途徑到達接收點（相位不同），迭加結(jié)果使得回波波形產(chǎn)生嚴(yán)重畸變；

C）短脈沖時，上述各種波不會在同一時刻到達接收點，所以接收到的是一個脈沖串。由于各個脈沖到達接收點的時間不同，它們之間不會發(fā)生干涉迭加，不產(chǎn)生大的畸變。10/10/202377聲波在彈性物體上的散射

彈性物體散射聲場的一般特征頻率特性回波強度隨頻率急劇起伏的解釋：設(shè)入射波的頻譜為，則有：根據(jù)遠場回波表達式有：10/10/202378聲波在彈性物體上的散射

彈性物體散射聲場的一般特征頻率特性回波強度隨頻率急劇起伏的解釋：

1）入射波為長脈沖時，其頻譜較窄，頻率稍許變化時，和的相對位置可能發(fā)生很大的變化，它們的乘積也相應(yīng)有較大的變化，導(dǎo)致回波強度隨頻率急劇變化；

2）入射波為短脈沖，其頻譜較寬，所以頻率稍許變化時，和的相對位置產(chǎn)生不大的變化，它們的乘積也相應(yīng)有不大的變化，回波強度不會隨頻率稍許變化產(chǎn)生急劇變化。10/10/202379聲波在彈性物體上的散射

彈性物體散射聲場的一般特征非鏡反射效應(yīng)

1）Finney在實驗室中發(fā)現(xiàn)，對于浸在水中彈性薄板，在聲波入射角滿足如下關(guān)系：在入射方向上有強烈反射，它不滿足鏡反射規(guī)律，稱為“非鏡反射”。為板中彎曲波（反對稱蘭姆波）速度。2）進一步研究表明，當(dāng)聲波入射角滿足如下關(guān)系：也發(fā)生非鏡反射，為板中縱波速度。10/10/202380聲波在彈性物體上的散射

彈性物體散射聲場的一般特征空間指向性

長柱聲散射鋁柱散射指向性圖案剛性柱散射指向性圖案10/10/202381殼體目標(biāo)上的回波信號前言聲納目標(biāo)的結(jié)構(gòu)更類似于殼體以彈性球殼為例討論殼體目標(biāo)回聲信號穩(wěn)態(tài)回波信號形態(tài)函數(shù)隨ka的變化充水鋼球殼

回聲信號的形態(tài)函數(shù)10/10/202382殼體目標(biāo)上的回波信號穩(wěn)態(tài)回波信號形態(tài)函數(shù)隨殼厚的變化

厚度變化時充水鋼球殼回聲信號的形態(tài)函數(shù)10/10/202383殼體目標(biāo)上的回波信號穩(wěn)態(tài)回波信號形態(tài)函數(shù)隨殼厚的變化內(nèi)側(cè)為真空時鋼球殼回聲信號的形態(tài)函數(shù)10/10/202384殼體目標(biāo)上的回波信號穩(wěn)態(tài)回波信號形態(tài)函數(shù)隨殼內(nèi)填充物的變化內(nèi)側(cè)為真空時鋼球殼回聲信號的形態(tài)函數(shù)10/10/202385殼體目標(biāo)上的回波信號穩(wěn)態(tài)回波信號殼體目標(biāo)散射聲場的空間指向性特性內(nèi)側(cè)為真空時鋼球殼散射聲場的空間指向性10/10/202386殼體目標(biāo)上的回波信號短脈沖