振动及水下噪声原理.ppt

2019/11/16,水声学基础序论,1,振动及 水下噪声原理,2019/11/16,2,课程内容,第一章 声学基础 第二章 海洋中的声学特性 第三章 海洋中的声传播 第四章 典型传播条件下的声场 第五章 声波在目标上的反射和散射 第六章 海洋中的混响 第七章 水下噪声,2019/11/16,3,教材及参考资料,参考书目：1 马大猷 编 现代声学理论基础 科学出版社，2004 2 顾金海, 叶学千编. 水声学基础. 国防工业出版社, 1980 3 .J.尤立克著，洪申译. 水声学原理. 哈尔滨船舶工程学院出版社，1990,教材名称：刘伯胜，雷家煜编. 水声学原理. 哈尔滨工程大学出版社,1993,2019/11/16,4,第一章 声学基础,水声学研究的意义 水声学研究的对象 水声学发展简史 水声的主要应用 声学物理量,水声学主要研究水下声波的产生、传播、接收及信息处理的专门学科。用来解决与水下目标探测和信息传输过程有关的各种声学问题，是研究水声技术与水声工程的基础。,2019/11/16,水声学基础序论,6,1. 水声学研究的意义,世界地图,2019/11/16,水声学基础序论,7,中国版图,中华人民共和国陆地面积约960万平方公里，大陆海岸线1.8万多千米，岛屿岸线1.4万多千米，内海和边海的水域面积约470多万平方千米。海域分布有大小岛屿7600多个，其中台湾岛最大，面积35798平方千米。,2019/11/16,8,海洋是人类生命的摇篮 生命的源泉，生命的起源，科学探索，深海生命现象 海洋是人类赖以生存的宝库 海洋资源之多少？几乎人类生存所需要的一切资源，食品、能源、矿物、金属、石油、天然气 探测？勘探方法？开采？ 海洋是人类生存和发展的主要空间 海洋环境的恶化加剧，海洋灾害频繁 如何认识海洋？海洋的勘探、调查、监测手段是什么？,2019/11/16,9,海洋是世界军事争斗的主要战场 战争的演变，由陆到海，由海到陆，现在是以海为主。航母，巡航弹，精确制导武器等应用改变了战争的模式。海上军事力量成为军力的主要标志。 海上力量的战斗力的基础是生存能力，海上作战的最有效的武器，经过两次世界大战证明，一是潜艇，二是鱼雷。尤其是现在的配备了核打击力量的安静型核动力潜艇、安静型潜艇配备智能鱼雷，成为水面舰艇和地面目标的最主要的威胁。,2019/11/16,10,潜艇依然是海战的重要作战平台 世界上的潜艇按动力可区分为：常规潜艇和核潜艇；按作战任务可区分为：战略导弹潜艇和攻击型潜艇 世界上拥有核潜艇的国家有5个，拥有各型核潜艇150余艘，其中，战略导弹核潜艇近50艘，攻击型核潜艇100余艘 还有近40个国家拥有不同类型的常规潜艇300余艘。 拥有常规潜艇数量最多的国家在我们亚洲（朝鲜拥有60艘）,2019/11/16,11,二战期间，潜艇共击沉作战舰艇381艘，其中战列舰3艘，航空母舰17艘，巡洋舰32艘，驱逐舰122艘，还有其它作战舰艇207艘，击沉各种运输船5000余艘 二战中各种舰艇共击沉航空母舰38艘，仅潜艇就击沉17艘 被潜艇击沉的潜艇80艘 在第二次世界大战中，德国“U-47”号潜艇于1939年10月潜入英国位于苏格兰北部的海军基地，在港内击沉了英国的排水量达33000多吨的大型战列舰“皇家橡树”号，创造了军事史上的奇迹,2019/11/16,12,水下作战的主要手段 潜艇、鱼雷、水雷、UUV、蛙人等 水下战的主要内容 潜艇战与反潜战 鱼雷攻击与防护 水雷战与反水雷 水下作战保障 先敌发现 精确定位 隐蔽导航与通信,2019/11/16,13,先敌发现 隐身能力，有效地隐蔽自己而不被敌人发现 探测能力 精确定位 定自己的位置 定敌人的位置 隐蔽导航与通信 隐蔽性是主要的 已经有很多进展,2019/11/16,14,水下的探测、定位、导航和通信如何实现？如何在水下获取信息？,2019/11/16,15,陆地上的信息获取： 光 声 无线电 电磁波是最有效的信息载体 探测雷达 导航与定位GPS 通信有线、无线、卫星通信,2019/11/16,16,声波是唯一能在海洋中远距离传输信息的信息载体 光：作用距离近10m到100m。 磁场：作用距离在100m以内。 电磁波：衰减 4500分贝/公里（每米能量衰减百分之九十），所以海洋中是漆黑的，即使蓝绿激光，能穿透的距离也只有百米量级，并且是水质清澈条件下。 声波：衰减 1分贝/公里，10kHz 频率，（声波的衰减与频率的平方成正比），利用海洋中的波导效应，声波可以传播的更远。,2019/11/16,17,2. 水声学的研究对象,它是水声工程应用的理论依据，为工程设计提供合适参数。,它对水声物理提出新的内容和要求，为其研究提供新的手段，并促进其发展。,水声工程：,水声物理：,水声学,2019/11/16,18,水声物理：从水声场的物理特性分析出发，主要研究海水介质及其边界（海底、海面）的声学特性和声波在海水介质中的传播时所遵循的规律，及其对水声设备工作的影响。,海洋环境声特性 海水水体 海底与海面 水声传播 混响 噪声 散射 起伏,2019/11/16,19,水声工程：包括水下声系统和水声技术两方面 水下声系统 ：是水声换能器及基阵，实现水下声能与电能之间的转换，研究内容主要为换能器材料、结构、制作及其辐射、接收特性等。 水声换能器及基阵，周福洪编著 水声技术：广义声波在水中完成某种职能的有关技术。 狭义水声信号处理、显示技术，主要研究声 信号在水中传播时的特性和背景干扰 （噪声和混响）的统计特性，在此基础 上设计最佳时、频、空处理方案，实现信 号检测，完成目标参数估计和识别。 水声信号处理基础，钱秋珊、陆根源编,2019/11/16,20,水声换能器及基阵,水声换能材料 水声换能器设计原理与方法 水声换能器工艺 声基阵成阵技术 水声换能器校准计量,2019/11/16,21,时频分析 自适应技术 检测与估计 特征提取与识别 基阵信号处理波束形成技术 信号处理的软硬件实现AD &DA技术，DSP技术,水声信号处理,2019/11/16,22,3.水声学发展简史,水声学的早期研究可以追溯很遥远，因为水声学毕竟是声学的一个重要分支 水声学的诞生需要许多条件，一是需求，二是基础。 水声学发展史上的著名事件 海洋探测和海军的需求是水声学发展的两大基本推动力,2019/11/16,23,1490年，达.芬奇摘记中提出用长管听远处航船 1827年，瑞士物理学家D.Colladon和法国数学家C.Sturm合作，在日内瓦湖测量了水中的声速。,2019/11/16,24,第一和第二次世界大战期间 反潜，法国、英国和美国，主动声纳 郎之万振子，夹心石英预应力换能器 磁致伸缩换能器 电子管振荡器和放大器 压电陶瓷 透声橡胶 水声物理研究，传播，噪声，混响的基本理论 潜艇攻击，德国的被动声纳听音系统 潜艇隐身技术，消声瓦,2019/11/16,25,二战以后的水声技术与水声学 传感器技术 拖曳线列阵技术 水声信号处理技术 水声物理学研究 减振降噪与隐身技术,2019/11/16,26,我国的水声事业 水声教育 西北工业大学 哈军工哈船院哈工程 北京大学 山东海洋学院青岛海洋大学中国海洋大学 南京大学 水声科学研究 中科院声学研究所 七一五研究所 726研究所 760研究所 水声设备生产 721厂，613厂，612厂，6971厂 水声测量与试验场 760试验场760研究所 千岛湖试验场,2019/11/16,27,4.水声学的主要应用,军事应用 水雷引信 声制导鱼雷 探雷声纳 小目标定位声纳 通信声纳 航空吊放声纳（浮标声纳） 拖曳声纳 拖曳线列阵声纳 水声导航声纳,2019/11/16,28,安静型潜艇探测的需求 消声瓦使高频回波显著降低，潜艇辐射噪声也主要集中于低频线谱。,2019/11/16,29,民用 测深 单波束测深仪 多波束测深仪 旁视声纳 侧扫声纳 综合孔径测深仪 测速 多普勒测速仪（海流计） 相关测速仪（海流计）,2019/11/16,30,鱼探仪 助渔设备（诱鱼、计数、跟踪） 助潜设备 水下定位 信标 应答器 通讯与遥测 声控 海洋监测,2019/11/16,31,ATOC-海洋气候声层析,2019/11/16,32,声音主要是由振动产生的。例如声带的振动，机器的振动等等。能发出声音的物体叫做声源。 声音，如同所有的机械波一样，只有通过介质才能传播出去。在这点上，声波与电磁波不同。声波不能在真空中传播。 按照介质的不同，常听到的声音有：空气声、结构声，水声。 （当你在科幻电影中看到一艘太空船向另一艘太空船发射激光炮同时又发出各种巨响时，千万不要相信）,5. 声学基础,2019/11/16,33,产生声音的介质的振动,导致介质中的分子相互作用从而实现声音的传播，因此，对于声波来说，介质密度越大，分子之间的距离就越小，发生相互碰撞的可能性就越大，声音传播的效果就越好。因此，一般固体是声音的最佳导体，其次是液体，最后才是空气。在空气中，声波的传播速度是每秒钟约340米，在水中是1438米，而在钢铁中可以达到5200米。,2019/11/16,34,声音是通过介质传播出去的，但介质本身并不随声音一起传播出去，介质只是在其平衡位置来回振动，所以声音的传播过程实际也是振动能量的传播过程。声音的传播方式是波动方式，因此声音也称为声波。 声波是机械波，只能在弹性介质中传播。本课程所讨论的介质理想流体介质：介质在振动过程中无能量损耗，即无粘性。声音在理想流体中传播时，其介质振动的方向与声音传播的方向一致，所以理想流体传递的声波是纵波。,2019/11/16,35,根据波的运动方式，可分为：横波和纵波,2019/11/16,36,2019/11/16,37,波长：相邻同相位质点之间的距离,2019/11/16,38,声波是纵波，空气质点只在原地振动，振动方向与传播方向相同。 声波速度（传播速度）与介质的性质有关，在空气中声速在15时约为340m/s，温度每升高1度速度增加0.6m/s。准确表达为 在很多情况下，可以测量声速的方法测量温度。这个方法非常重要，有些情况温度不易甚至不可能直接测量时（例如几十公里高空大气的温度、核反应堆内温度、海洋内部结构的温度等、甚至地球内部结构），测声速（空间各点）是唯一的方法。,2019/11/16,39,适当频率和强弱声波传到人们耳边，人们就感到了声音。人能感觉到的声波的频率是 20HZ20kHZ 该频率范围内频率称为音频。低于20HZ的声波为次声波，高于20kHZ的为超声波。 一些动物的听觉要比人类更加灵敏。 狗的耳朵能够听到50到45000赫兹之间的声音 猫能够听到50到85000赫兹之间的声音 蝙蝠能够听到12万赫兹的声音 海豚能够听到20万赫兹的声音 大象是少有的能够听到低达5赫兹的声音的动物之一。,2019/11/16,40,声音的频率越高，声音给人的感觉也就越加尖细，也就是说声音的音调越高。一些经过专业训练的人，例如音乐工作者，能够分辨出频率差别只有2赫兹的声音。对于音乐来说，音调是非常重要的。同时发出多个不同音调的声音，听起来的效果要比单一的声音好的多，这就是和声。,2019/11/16,41,声压：没有声波作用时，媒质中的压强为p0，当有声波传播时，媒质中某处的压强为p 。介质受到声波作用后，产生的压强的微小的增量。 声场：存在声波的空间。,基本概念,2019/11/16,42,瞬时声压：某一瞬时声场某处的声压。声场中每一处的瞬时声压是处于快速的变动中的，变动的频率就是声波的频率。人感受到的，以及仪器、仪表所测到的都是在一定的时间间隔内瞬时声压的有效值（均方根值）。,有效声压，单位为Pa,T通常是一个周期，对于下列简谐声波：,2019/11/16,43,可听阈：人能听到的最小声音的声压值。人耳对不同频率的声音的可听阈不同。对于1kHz的纯音其听阈值为210-5Pa：参考声压。 两人面对面交谈的平均声压为210-2Pa 纺织厂织布车间噪声的声压可达到2Pa 痛阈：人能听到的最大声音的声压值。对超过痛域的 声音，人们只感到耳疼痛而感受不到声音。对于1kHz的纯音来说为20Pa。 可见人耳能感到的声压范围是 Pa，最大值是最小值的106倍，使用起来极其不便。为了便于描述大范围变化的物理量，采用对数标度。对声压来说引如声压级的概念。,2019/11/16,44,对应的声压级为0120dB,单位：分贝dB,2019/11/16,45,人耳对声音强度的感受除了与声压级有关外，还与声音的频率有关，人耳对1k5kHz敏感，而对低频、高频相对不敏感。而声音一般含有很多频率，根据这一特点人们对各频率的声压级做一定的修正，不同修正方式得到的声压级分别称为A，B，C声级。最常用的声级是A声级，单位是dBA。,2019/11/16,46,理想流体介质中的声波方程,在理想介质中声波传播的基本规律可以通过3个方程来表示： 质量连续性方程 状态方程（压强、体积、密度等状态参数） 运动方程（牛顿第二定律） 根据这3个方程可以得到声波方程。,2019/11/16,47,对声波过程和媒质作以下假设： 无粘的理想流体，粘性对声波传播影响不大，常被忽略。即使是长距离传播。 没有声挠动时，媒质是静止的，均匀的。 声波传播过程是绝热的，媒质各部分不会由于声波传播过程中引起的温度差而产生热交换。 传播的为小振幅声波，满足线性叠加原理。 声压远小于静压 媒质的密度增量远小于静态密度 质点振动速度远小于声速 质点振动位移远小于声波长,2019/11/16,48,媒质为理想无粘流体； 媒质在宏观上静止； 媒质是均匀的，即（不计重力影响） 声波通过流体介质时的传播为绝热和可逆； 满足能量守恒； 假定波动微小，即系统表现为线性；,2019/11/16,49,其使用条件是： 1：理想介质，空气可以 近似为理想介质 2：小振幅声波 能 听到的都是 3：绝热过程 4：初始状态为静止均匀介质,2019/11/16,50,波阵面：声波在传播过程中某瞬时相位完全相同的介质质点形成的面。波阵面总是垂直于传播方向。 声射线：沿声的传播方向给出的带箭头的线， 称声线。 平面波、球面波：若波阵面是平面、球面， 则是平面波、球面波。,2019/11/16,51,平面波,波阵面,声射线,截面图,球面波截面图,2019/11/16,52,平面波,声波只沿一个方向传播，因此其波动方程可做适当简化：,利用分离变量法求解以上方程可得（利用前述弦振动的方法）,取决于初始条件、边界条件，为简化起见可取,2019/11/16,53,从上式可看出，若声源作 频率的单频振动，声压周期性变化。设声源处（x=0）声压幅值为 ，则在声源处有,再看距离声源x的某点的声压幅值。,由于在理想介质中平面波无衰减，所以声压幅值也为 ，振动频率也为 ，只不过比声源的振动落后一个时间间隔,所以在平面波上距离声源为x处的声压为：,2019/11/16,54,声压声场内某点介质绝对压力与平衡状态压力之差。在一般的声场中，声压的数值很小，远小于大气压值。,介绍几个新基本物理量,2019/11/16,55,一般测量的是声压的均方根值，也称为有效声压，即: 对于简谐波有 式中 为声压幅值。,2019/11/16,56,声强垂直于声传播方向单位面积上通过的声能量流速率，即单位时间、单位面积上通过的能量流，单位为 。声强实质上是一个矢量，不仅有大小，而且有方向。,2019/11/16,57,声功率单位时间内通过垂直于传播方向的面积S的声能量。声源振动时每秒钟发射出的能量 根据声强的定义可得,声功率,2019/11/16,58,人能听到的声源其声功率变化范围与声压情况类似，也是很大的。例如通常人讲话的声功率约为10-5W，而一个大型火箭噪声的声功率可高达108W，相差1013倍，对于1000Hz 的纯音来说可听到的声音10-12W/m2, 而引起耳痛的为1W/m2，为便于分析引入对数标度 。,声功率级,声功率级,=10-12W,声强：通过垂直于声波传播方向的单位面积上的平均功率。,=10-12,2019/11/16,59,2019/11/16,60,2019/11/16,61,球面波,声阵面是球面的声波为球面波。 声压只与测量点到声源的距离，即球面半径有关。研究的出发点是声波方程，最好使用球面坐标表达的声波方程。由球面坐标表达的声波方程，针对球面波的情况进行简化后得：,解此方程也可得到声压及质点振动的方程,2019/11/16,62,声波的传播特性,声波在传播过程中遇到障碍物是会发生反射、折射、衍射现象，同时在一定条件下声波会发生干涉现象。,一、声波的反射和折射,声波从一个介质进入另一个介质，后者对前者来说是一个障碍物，此时在其交界面上发生一部分声波被反射回去，另一部分进入另一介质，这就是声波的反射与折射现象。,设各声线与法线所夹的锐角分别为：,入射角、 反射角、折射角,2019/11/16,63,2019/11/16,64,各角度满足以下关系:,声波的反射、折射定律,若 c1，则 ，即折射线偏离法线，若 ， 折向法线。,界面处不同介质内声压连续、法向振动速度相同条件,2019/11/16,65,(1) 称为“硬边界”. 当 远大于 ， 刚性硬边界，发生全反射，在媒质II中也没有透射声波。 (2) 小于 ， 称为“软边界”. 当 远小于 ，为“十分软边界”，全透射 (3) 两媒质的特性阻抗即决定了声波的传播、反射与折 射的基本特性.,2019/11/16,66,声波发生折射的原因是由于在不同介质中特性阻抗不同引起的。若在同一种介质中声速不同则声线也会发生偏转。,例如声音在大气中传播，白天由于太阳的照射，使地面及地面附近的空气温度上升，比高处温度高，所以低层声速大，高层声速低，这样声音声级向上弯曲。晚上则相反，地面温度低，声速小，高层温度高，声速大。故向下弯曲，折向地面，所以夏日晚上声音传播的距离比白天传的距离远。,2019/11/16,67,2019/11/16,68,声波的绕射（衍射）,当声波越过障碍物的边缘时，声波的传播方向会发生偏转而绕过障碍物，这种现象称为声波的衍射。,2019/11/16