声学基础知识.ppt

1、a,1,声学基础,a,2,1 声波描述,声波：机械振动状态在介质中传播形成的波动形式 分类： 20kHz声波超声 20Hz20kHz声波音频声 流体介质：纵波（压缩波 Compressional Wave） 固体介质：纵波、横波（切变波 Shear Wave）,a,3,1 声波描述,声压（标量）：声波扰动引起介质压强的变化量 声场：声波所波及的空间 位移（矢量）：介质质点离开其平衡位置的距离 振速（矢量）：介质流速或介质质点运动速度的变化量,a,4,1 声波描述,密度改变量： 压缩量：介质密度的相对变化量,描述声场，通常采用上述各物理量的时空分布函数？,a,5,2 波动方程,假设条件 1. 介

2、质静止、均匀、连续的：在波长距离上，声学特性保持不变。 2. 介质是理想流体介质：忽略粘滞性和热传导性。 3. 小振幅波：各声学量是一阶小量。,a,6,2 波动方程,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：,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 ：,绝热压缩系数：单位压强变化引起体积相对变化。,a,7,2 波动方程,运动方程（牛顿第二定律）,波动方程,a,8,速度势 介质单位质量具有的声扰动冲量 ：,声压、质点振速与速度势关系,2 波动方程,a,9,3 声场中能量,声能：声波传播引起的介质能量增量称为声能 声能密度,理想平面波的平

3、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。,a,10,3 声场中能量,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,声波强度或平均声能流密度 通过垂直声传播方向的单位面积的平均声能流,a,11,4 介质声阻抗和声阻抗率,介质特性阻抗,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,特点 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。,a,12,4 介质声阻抗和声阻抗率,球面波,特点 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。,什么叫声阻率和声抗率？,a,13

4、,4 介质声阻抗和声阻抗率,柱面波,特点 具有与球面波相似的特点。,球面波和柱面波在远场近似为平面波。Why?,a,14,5 相速度和群速度,相速度 振动状态在介质中传播的速度,介质的相速度与频率无关，非频散介质；反之为频散介质。,a,15,5 相速度和群速度,群速度 声能量传播的速度（波群和波包的相速）,非频散介质 频散介质,a,16,6 平面波在两种不同均匀介质界面上反射和折射,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。,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,a,17,6 平面波在两种不同均匀介质界面上反射和折射,a,18,6

5、 平面波在两种不同均匀介质界面上反射和折射,透射损失TL：,例：声波由空气入射到水中，透射损失约29.5dB,a,19,6 平面波在两种不同均匀介质界面上反射和折射,斜入射 声压反射系数 声压透射系数 法向声阻抗率,a,20,6 平面波在两种不同均匀介质界面上反射和折射,斜入射,a,21,6 平面波在两种不同均匀介质界面上反射和折射,斜入射,a,22,6 平面波在两种不同均匀介质界面上反射和折射,全内反射,发生全内反射现象时，声波反射时发生 角的相位跳跃。,a,23,6 平面波在两种不同均匀介质界面上反射和折射,非均匀平面波 波阵面（等相位面）上振幅随离分界面的距离增大作指数衰减。,低频声波深

6、入海底的深度较大，高频声波只能在海底表面传播。,a,24,6 平面波在两种不同均匀介质界面上反射和折射,分界面上声波反射时的能量关系 垂直入射情况： 斜入射情况：,两种介质的特性阻抗相差不大，功率透射系数接近1，例如换能器振子与透声外壳中，往往充以蓖麻油或有机硅油。,a,25,7 等间距均匀点源离散直线阵的声辐射,辐射声压 在远场，总声压为：,当 时，各点源同相叠加，合成声压最大：,a,26,7 等间距均匀点源离散直线阵的声辐射,声场的方向性函数,a,27,7 等间距均匀点源离散直线阵的声辐射,（1）当 时，声压振幅出现极大值1，对应极大值的方向：,a,28,7 等间距均匀点源离散直线阵的声辐

7、射,（2）当 时，声压振幅出现次极大值（旁瓣），对应次极大值的方向：,各次极大声压与主极大声压比值为： 注意：该值可得到主旁瓣比主极大与第一次极大比值的分贝数,a,29,7 等间距均匀点源离散直线阵的声辐射,（3）当 、 的整数倍时， 声压振幅出现极小值（各点源声场抵消，总声压为零），对应极小值的方向：,方向锐角或主瓣束宽（全开角）： 主极大值两旁第一个极小值之间的夹角,a,30,常识：阵孔径越大，频率越高，波束宽度越窄。 -3dB束宽：由主极大的幅值下降0.707倍处两边的夹角或半功率辐射点之间的夹角。,注意：利用正弦函数的级数展开，求得上式。,a,31,发射方向性因子：在远场发射阵最大响应

8、方向上声强与同一距离处各方向声强平均值之比。,发射指向性指数：发射阵的方向性因子的分贝数。,7 等间距均匀点源离散直线阵的声辐射,a,32,8 均匀连续直线阵的声辐射,辐射声压方向性图 令 ， ， ，则阵长为L的均匀连续直线阵的方向性函数为：,主瓣束宽和-3dB束宽：,a,33,注意：连续直线阵永远不会出现栅瓣。,8 均匀连续直线阵的声辐射,方向性函数：,方向性因子：,a,34,9 无限大障板上平面辐射器的声辐射,平面圆形活塞的辐射 设半径为a的圆形平面活塞镶嵌在无限大障板上，如图所示。 活塞位于XOY平面内，向上半空间辐射声波，声场对称于z轴。活塞表面各点的振幅和相位相同，则,a,35,9 无限大障板上平面辐射器的声辐射,轴线上声压变化 注意：轴线声压随距离起伏变化，呈现很强的相干效应。,远场声压,注意：活塞远场声压与球面波一样与距离成反比，声场具有方向性。,a,36,方向性函数 活塞辐射声场方向性函数为：,波束宽度,注意：圆形活塞不会出现栅瓣。,9 无限大障板上平面辐射器的声辐射,a,37,9 无限大障板上平面辐射器的声辐射,方向性因子和方向性指数,a,38,10 声波的接收方向特性,接收方向性函数,根据互易原理，可逆换能器的接收方向性函数与它的发射方向性函数相同。,定义：设离接收系统参考中心的远场处球面上有一点源，接收系统的输出