第三章水声测量

1、第三章第三章 水声测量水声测量一、测量条件一、测量条件二、脉冲声技术二、脉冲声技术三、实验三、实验一、测量条件一、测量条件1.1.基本概念基本概念2.2.自由场的建立自由场的建立3.3.测量距离的确定测量距离的确定1.1.基本概念基本概念 （1 1）自由场）自由场 （2 2）远场）远场 （3 3）近场）近场（1 1）自由场）自由场 均匀各向同性的媒质中，边界影响可以不计时的声场均匀各向同性的媒质中，边界影响可以不计时的声场. .（2 2）远场）远场 自由声场中，离声源远处瞬时声压与瞬时质点振速同自由声场中，离声源远处瞬时声压与瞬时质点振速同相的声场。相的声场。（3 3）近场）近场 自由声场中，

2、声源附近瞬时声压与瞬时质点振速不同自由声场中，声源附近瞬时声压与瞬时质点振速不同相的声场。相的声场。2.2.自由场的建立自由场的建立 （1 1）天然水域）天然水域 （2 2）实验室）实验室（1 1）天然水域自由场条件）天然水域自由场条件水域应有足够的空间，以便从边界反射回来的干扰能用水域应有足够的空间，以便从边界反射回来的干扰能用脉冲声技术、消声边界或长距离传输等方法消除；脉冲声技术、消声边界或长距离传输等方法消除；应有很低的噪声环境，以保证测量所需的信噪比；应有很低的噪声环境，以保证测量所需的信噪比；在水介质中要避免有可能引起折射和散射的任何因素，在水介质中要避免有可能引起折射和散射的任何因

3、素，诸如流、温度梯度、海洋生物、气泡和污物等；诸如流、温度梯度、海洋生物、气泡和污物等； 要有良好的气候条件，以保证测量的顺利进行和便利；要有良好的气候条件，以保证测量的顺利进行和便利； 在高频和超声频范围测量时，水深通常小于在高频和超声频范围测量时，水深通常小于20m20m；对；对1kHz1kHz以下的频率，水深应大于以下的频率，水深应大于20m20m。（2 2）实验室自由场条件：）实验室自由场条件： 消声水池消声水池 非消声水池采用脉冲声技术非消声水池采用脉冲声技术3.3.测量距离的确定测量距离的确定（1 1）远场判据）远场判据（2 2）等效声中心的确定）等效声中心的确定(1)(1)远场判

4、据远场判据 理论推导理论推导 以活塞发射器和点接收器组成的系统为例，推导远场距离判据。以活塞发射器和点接收器组成的系统为例，推导远场距离判据。skrtjdseurckjdpp02式中：0u 活塞发射器表面振动幅度活塞发射器表面振动幅度 r水中声速水中声速水的密度水的密度 活塞上面元到观察点的距离活塞上面元到观察点的距离c面元面积面元面积 ds r（i i）远场特性）远场特性 )(120sin)sin(22),(krtjekakaJraujtrp式中：a活塞发射器半径； （ii）近场特性 rarkcup2202sin2a活塞面中心点处活塞面中心点处,r=0,r=0时时 0002sin2sin2k

5、aapcucu0002,2)12(0,22cupnapna圆面活塞中心点处声压圆面活塞中心点处声压根据根据a a与与之间关系之间关系可以确定可大可小。可以确定可大可小。 prb在活塞法线上声压幅值极大极小点处 nrark22221222nrark n=0,1,2 p=max n=0,1,2 p=0pr在法线上将会出现声压极大、极小值的交替分布现象在法线上将会出现声压极大、极小值的交替分布现象离发射面最远处声压极大值点对应于离发射面最远处声压极大值点对应于n=0n=0即420ar 这表明，最后一个最大值的位置恰好是边缘声线和这表明，最后一个最大值的位置恰好是边缘声线和轴向声线程差为轴向声线程差为

6、 的点，超过此点，活塞面上任何两的点，超过此点，活塞面上任何两个元波到达法线上点的程差都小于个元波到达法线上点的程差都小于 ，声压幅值变为，声压幅值变为单调的减小，于是声场逐渐进入弗朗霍夫尔区。在此点单调的减小，于是声场逐渐进入弗朗霍夫尔区。在此点附近，声压幅值变化很缓慢，类似于平面波。附近，声压幅值变化很缓慢，类似于平面波。 22接近远场区（分析近场公式）ra 时，3422282rararar若时，即则racurkacup2sin24sin22020crarkcup2202sin2当当很小很小时，时，sin所以所以rkarka44sin22rkacup220若若racurkacup2sin2

7、4sin22020)(120sin)sin(22),(krtjekakaJraujtrp 声压幅值按照声压幅值按照 球面波规律衰减。球面波规律衰减。r1结论结论 活塞发射器和点接收器组成的系统的远场活塞发射器和点接收器组成的系统的远场距离判据为：距离判据为：经验公式经验公式对于均匀圆形活塞换能器对于均匀圆形活塞换能器2ar 代表一定误差下对相位的要求；代表一定误差下对相位的要求；（正弦函数用小角度代替）（正弦函数用小角度代替） ar 代表一定误差下对幅度的要求；代表一定误差下对幅度的要求；（二项式展开舍去高次项）（二项式展开舍去高次项） 近似于圆形或方形活塞近似于圆形或方形活塞 r面积面积/

8、/波长波长 r最大线度尺寸最大线度尺寸最大线度尺寸最大线度尺寸L L对于其他情况对于其他情况声场误差小于声场误差小于0.5dB0.5dBrrL2/（2 2）等效声中心的确定）等效声中心的确定问题的提出问题的提出d0ddpdd0ddpdddpdd0000000A/PdA/P2A/P1d1d2do p pd d远场中某处声压；远场中某处声压； d d以参考点为起点的测量距离；以参考点为起点的测量距离；dd参考点与实际声中心的偏差。参考点与实际声中心的偏差。确定方法 Od二、脉冲声技术二、脉冲声技术1 1、原理、原理2 2、实现方法、实现方法1 1、原理、原理 利用利用正弦填充矩形脉冲信号正弦填充矩

9、形脉冲信号或不同于连续单频或不同于连续单频信号的信号的短促脉冲信号短促脉冲信号激励发射换能器，并控制接收激励发射换能器，并控制接收系统使其只在脉冲声信号从发射器系统使其只在脉冲声信号从发射器直达直达水听器的那水听器的那一段一段时间内接收和测量时间内接收和测量（直达信号），而在此段时（直达信号），而在此段时间间之前之前到达的到达的脉冲电信号脉冲电信号（电串漏信号）或此段时（电串漏信号）或此段时间间之后之后到达的到达的脉冲声信号脉冲声信号（反射信号）将被接收系（反射信号）将被接收系统统拒绝接收拒绝接收，这样即可将被测有用信号与不希望的，这样即可将被测有用信号与不希望的噪声信号在噪声信号在时域上分离

10、时域上分离开来，从而形成时间域上的开来，从而形成时间域上的自由场。自由场。 （1 1）电串漏信号：）电串漏信号： 电或电磁的信号，经非声学途径传播，是发电或电磁的信号，经非声学途径传播，是发射与接收系统直接射与接收系统直接 电耦合所至，可能是接地电耦合所至，可能是接地线不妥当或水听器屏蔽不好。线不妥当或水听器屏蔽不好。（2 2）直达信号：）直达信号： 经声传播时间延迟后到达，由于电子设备和经声传播时间延迟后到达，由于电子设备和换能器滤波特性，致使直达脉冲信号形状产生畸换能器滤波特性，致使直达脉冲信号形状产生畸变。变。（3 3）反射信号：）反射信号： 由于各种反射途径均比直达声程远，因此各由于各种反射途径均比直达声程远，因此各种反射波均在直达声后面出现。种反射波均在直达声后面出现。工作原理工作原理ttttt221dHdc221dBdc1Ldc2 2、实现方法、实现方法 （1 1）脉冲宽度（）脉冲宽度（）的选择）的选择 2dc（）换能器尺寸大于声波长时，避免换能器之间的反射）换能器尺寸大于声波长时，避免换能器之间的反射影响影响0fQ（）为与连续信号测量相比拟，使换能器达到稳态条件）为与连续信号测量相比拟，使换能器达到稳态条件Q发射换能器的品质因数；发射换能器的品质因数；fo发射换能器的谐振频率。发射换能器的谐振频率。（）为保证声信号不发生畸变，测试设