水声学原理课件

第二章声学基础第三讲理想流体介质中的小振幅波1CollegeofUnderwaterAcousticEngineering第二章声学基础第三讲理想流体介质中的小振幅波1Colle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+TSNL-DI+DTRL+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2CollegeofUnderwaterAcousticEngineering第一章知识要点声纳参数的定义、物理意义2Collegeof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）3CollegeofUnderwaterAcousticEngineering解：第一章思考题：3CollegeofUnderwate2、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；4CollegeofUnderwaterAcousticEngineering2、取下列声压作为参考级，1微帕声压的大小为：（1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:

dB

5CollegeofUnderwaterAcousticEngineering给定水下声压为，那么声强发射换能器发射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：6CollegeofUnderwaterAcousticEngineering发射换能器发射40kW的声功率，且方向性指数为15dB，其声第一章作业什么是声纳？声纳可以完成哪些任务？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？声纳方程的两个重要的基本用途是什么？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？7CollegeofUnderwaterAcousticEngineering第一章作业7CollegeofUnderwaterAc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）8CollegeofUnderwaterAcousticEngineering本讲主要内容声学基础知识（了解）8CollegeofUn1、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）9CollegeofUnderwaterAcousticEngineering1、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：10CollegeofUnderwaterAcousticEngineering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2、波动方程导出11CollegeofUnderwaterAcousticEngineering假设条件：2、波动方程导出11CollegeofUnde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：式中，为绝热压缩系数——单位压强变化引起的体积相对变化。12CollegeofUnderwaterAcousticEngineering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③运动方程——牛顿第二定律波动方程连立方程：可得：13CollegeofUnderwaterAcousticEngineering③运动方程——牛顿第二定律波动方程连立方程：可得：13Co直角坐标系：球坐标系：柱坐标系：拉普拉斯算符14CollegeofUnderwaterAcousticEngineering直角坐标系：拉普拉斯算符14CollegeofUnder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：

Caution：声压：振速：15CollegeofUnderwaterAcousticEngineering速度势——介质单位质量具有的声扰动冲量Caution：声压：3、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：单位体积内的瞬时声能密度为：平均声能密度：16CollegeofUnderwaterAcousticEngineering3、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17CollegeofUnderwaterAcousticEngineering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4、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。

18CollegeofUnderwaterAcousticEngineering4、介质特性阻抗和声阻抗率介质的特性阻抗:18Colle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，19CollegeofUnderwaterAcousticEngineering球面波，19CollegeofUnderwaterAc5、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：

20CollegeofUnderwaterAcousticEngineering5、相速度和群速度相速度：20CollegeofUn6、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：21CollegeofUnderwaterAcousticEngineering6、平面波在两种不同均匀介质界面上的反射和折射21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：

22CollegeofUnderwaterAcousticEngineering在介质2中：22CollegeofUnd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

23CollegeofUnderwaterAcousticEngineering声压反射系数：23CollegeofUnderwater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：例：声波由空气入射到水中，透射损失约29.5dB24CollegeofUnderwaterAcousticEngineering例：声波由空气入射到水中，透射损失约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

26CollegeofUnderwaterAcousticEngineering26CollegeofUnderwaterAcous取，，则由折射定律得讨论：，有正常意义下的折射波

折射率密度比27CollegeofUnderwaterAcousticEngineering取，，当