聲學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)

.,聲學(xué)基礎(chǔ),.,2,1聲波描述,聲波：機(jī)械振動(dòng)狀態(tài)在介質(zhì)中傳播形成的波動(dòng)形式分類：20kHz聲波超聲20Hz20kHz聲波音頻聲流體介質(zhì)：縱波（壓縮波CompressionalWave）固體介質(zhì)：縱波、橫波（切變波ShearWave）,.,3,1聲波描述,聲壓（標(biāo)量）：聲波擾動(dòng)引起介質(zhì)壓強(qiáng)的變化量聲場(chǎng)：聲波所波及的空間位移（矢量）：介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)離開(kāi)其平衡位置的距離振速（矢量）：介質(zhì)流速或介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度的變化量,.,4,1聲波描述,密度改變量：壓縮量：介質(zhì)密度的相對(duì)變化量,描述聲場(chǎng)，通常采用上述各物理量的時(shí)空分布函數(shù)？,.,5,2波動(dòng)方程,假設(shè)條件1.介質(zhì)靜止、均勻、連續(xù)的：在波長(zhǎng)距離上，聲學(xué)特性保持不變。2.介質(zhì)是理想流體介質(zhì)：忽略粘滯性和熱傳導(dǎo)性。3.小振幅波：各聲學(xué)量是一階小量。,.,6,2波動(dòng)方程,連續(xù)性方程（質(zhì)量守恒定律）介質(zhì)流入體元的凈質(zhì)量等于密度變化引起的體元內(nèi)質(zhì)量的增加：,狀態(tài)方程（絕熱壓縮定律）介質(zhì)的壓縮和膨脹過(guò)程是絕熱過(guò)程：,絕熱壓縮系數(shù)：?jiǎn)挝粔簭?qiáng)變化引起體積相對(duì)變化。,.,7,2波動(dòng)方程,運(yùn)動(dòng)方程（牛頓第二定律）,波動(dòng)方程,.,8,速度勢(shì)介質(zhì)單位質(zhì)量具有的聲擾動(dòng)沖量：,聲壓、質(zhì)點(diǎn)振速與速度勢(shì)關(guān)系,2波動(dòng)方程,.,9,3聲場(chǎng)中能量,聲能：聲波傳播引起的介質(zhì)能量增量稱為聲能聲能密度,理想平面波的平均聲能密度處處相等，因此平面聲波聲能量具有無(wú)損耗、無(wú)擴(kuò)展的傳遞特性。,.,10,3聲場(chǎng)中能量,能流密度單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直聲傳播方向的單位面積的聲能,聲波強(qiáng)度或平均聲能流密度通過(guò)垂直聲傳播方向的單位面積的平均聲能流,.,11,4介質(zhì)聲阻抗和聲阻抗率,介質(zhì)特性阻抗,聲阻抗率聲場(chǎng)中某點(diǎn)聲壓與振速之比，它為一個(gè)復(fù)數(shù)（聲壓與振速存在相位差）,平面波,特點(diǎn)平面波聲壓和振速處處同相（正向波）或反向（反向波），聲強(qiáng)處處相等，其聲阻抗率與頻率無(wú)關(guān)。,.,12,4介質(zhì)聲阻抗和聲阻抗率,球面波,特點(diǎn)近距離，聲壓和振速的相位差很大；遠(yuǎn)距離，聲壓和振速的相位接近相等。,什么叫聲阻率和聲抗率？,.,13,4介質(zhì)聲阻抗和聲阻抗率,柱面波,特點(diǎn)具有與球面波相似的特點(diǎn)。,球面波和柱面波在遠(yuǎn)場(chǎng)近似為平面波。Why?,.,14,5相速度和群速度,相速度振動(dòng)狀態(tài)在介質(zhì)中傳播的速度,介質(zhì)的相速度與頻率無(wú)關(guān)，非頻散介質(zhì)；反之為頻散介質(zhì)。,.,15,5相速度和群速度,群速度聲能量傳播的速度（波群和波包的相速）,非頻散介質(zhì)頻散介質(zhì),.,16,6平面波在兩種不同均勻介質(zhì)界面上反射和折射,垂直入射在分界面上，由于兩介質(zhì)的特性阻抗不同，聲波分界面上會(huì)發(fā)生反射和折射。,邊界條件聲壓連續(xù)法向質(zhì)點(diǎn)振速連續(xù)聲壓反射系數(shù)聲壓透射系數(shù),.,17,6平面波在兩種不同均勻介質(zhì)界面上反射和折射,.,18,6平面波在兩種不同均勻介質(zhì)界面上反射和折射,透射損失TL：,例：聲波由空氣入射到水中，透射損失約29.5dB,.,19,6平面波在兩種不同均勻介質(zhì)界面上反射和折射,斜入射聲壓反射系數(shù)聲壓透射系數(shù)法向聲阻抗率,.,20,6平面波在兩種不同均勻介質(zhì)界面上反射和折射,斜入射,.,21,6平面波在兩種不同均勻介質(zhì)界面上反射和折射,斜入射,.,22,6平面波在兩種不同均勻介質(zhì)界面上反射和折射,全內(nèi)反射,發(fā)生全內(nèi)反射現(xiàn)象時(shí)，聲波反射時(shí)發(fā)生角的相位跳躍。,.,23,6平面波在兩種不同均勻介質(zhì)界面上反射和折射,非均勻平面波波陣面（等相位面）上振幅隨離分界面的距離增大作指數(shù)衰減。,低頻聲波深入海底的深度較大，高頻聲波只能在海底表面?zhèn)鞑ァ?.,24,6平面波在兩種不同均勻介質(zhì)界面上反射和折射,分界面上聲波反射時(shí)的能量關(guān)系垂直入射情況：斜入射情況：,兩種介質(zhì)的特性阻抗相差不大，功率透射系數(shù)接近1，例如換能器振子與透聲外殼中，往往充以蓖麻油或有機(jī)硅油。,.,25,7等間距均勻點(diǎn)源離散直線陣的聲輻射,輻射聲壓在遠(yuǎn)場(chǎng)，總聲壓為：,當(dāng)時(shí)，各點(diǎn)源同相疊加，合成聲壓最大：,.,26,7等間距均勻點(diǎn)源離散直線陣的聲輻射,聲場(chǎng)的方向性函數(shù),.,27,7等間距均勻點(diǎn)源離散直線陣的聲輻射,（1）當(dāng)時(shí)，聲壓振幅出現(xiàn)極大值1，對(duì)應(yīng)極大值的方向：,.,28,7等間距均勻點(diǎn)源離散直線陣的聲輻射,（2）當(dāng)時(shí)，聲壓振幅出現(xiàn)次極大值（旁瓣），對(duì)應(yīng)次極大值的方向：,各次極大聲壓與主極大聲壓比值為：注意：該值可得到主旁瓣比主極大與第一次極大比值的分貝數(shù),.,29,7等間距均勻點(diǎn)源離散直線陣的聲輻射,（3）當(dāng)、的整數(shù)倍時(shí)，聲壓振幅出現(xiàn)極小值（各點(diǎn)源聲場(chǎng)抵消，總聲壓為零），對(duì)應(yīng)極小值的方向：,方向銳角或主瓣束寬（全開(kāi)角）：主極大值兩旁第一個(gè)極小值之間的夾角,.,30,常識(shí)：陣孔徑越大，頻率越高，波束寬度越窄。-3dB束寬：由主極大的幅值下降0.707倍處兩邊的夾角或半功率輻射點(diǎn)之間的夾角。,注意：利用正弦函數(shù)的級(jí)數(shù)展開(kāi)，求得上式。,.,31,發(fā)射方向性因子：在遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)射陣最大響應(yīng)方向上聲強(qiáng)與同一距離處各方向聲強(qiáng)平均值之比。,發(fā)射指向性指數(shù)：發(fā)射陣的方向性因子的分貝數(shù)。,7等間距均勻點(diǎn)源離散直線陣的聲輻射,.,32,8均勻連續(xù)直線陣的聲輻射,輻射聲壓方向性圖令，則陣長(zhǎng)為L(zhǎng)的均勻連續(xù)直線陣的方向性函數(shù)為：,主瓣束寬和-3dB束寬：,.,33,注意：連續(xù)直線陣永遠(yuǎn)不會(huì)出現(xiàn)柵瓣。,8均勻連續(xù)直線陣的聲輻射,方向性函數(shù)：,方向性因子：,.,34,9無(wú)限大障板上平面輻射器的聲輻射,平面圓形活塞的輻射設(shè)半徑為a的圓形平面活塞鑲嵌在無(wú)限大障板上，如圖所示?；钊挥赬OY平面內(nèi)，向上半空間輻射聲波，聲場(chǎng)對(duì)稱于z軸?；钊砻娓鼽c(diǎn)的振幅和相位相同，則,.,35,9無(wú)限大障板上平面輻射器的聲輻射,軸線上聲壓變化注意：軸線聲壓隨距離起伏變化，呈現(xiàn)很強(qiáng)的相干效應(yīng)。,遠(yuǎn)場(chǎng)聲壓,注意：活塞遠(yuǎn)場(chǎng)聲壓與球面波一樣與距離成反比，聲場(chǎng)具有方向性。,.,36,方向性函數(shù)活塞輻射聲場(chǎng)方向性函數(shù)為：,波束寬度,注意：圓形活塞不會(huì)出現(xiàn)柵瓣。,9無(wú)限大障板上平面輻射器的聲輻射,.,37,9無(wú)限大障板上平面輻射器的聲輻射,方向性因子和方向性指數(shù),.,38,10聲波的接收方向特性,接收方向性函數(shù),根據(jù)互易原理，可逆換能器的接收方向性函數(shù)與它的發(fā)射方向性函數(shù)相同。,定義：設(shè)離接收系統(tǒng)參考中心的遠(yuǎn)場(chǎng)處球面上有一點(diǎn)源，接收系統(tǒng)的輸出電壓V