水声学原理第二章.ppt

College of Underwater Acoustic Engineering 第二章 声学基础 第三讲 理想流体介质中的小振幅波 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+TS NL-DI+DT RL+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 2、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； 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 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： 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？ 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） 1、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（Compressional Wave），即纵波 在固体中既有纵波也有横波（切变波-Shear Wave） 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： 2、波动方程导出 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 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： 直角坐标系： 球坐标系： 柱坐标系： 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： 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。 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 5、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： 6、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： 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： 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