水聲學(xué)-聲波在目標(biāo)上的反射和散射(3)ppt課件

1、第六章第六章 聲波在目的上的反射和散射聲波在目的上的反射和散射第十七講第十七講 剛性和彈性球體的聲散射剛性和彈性球體的聲散射本講主要內(nèi)容本講主要內(nèi)容n剛性球體的散射聲場剛性球體的散射聲場n剛性不動球體的聲散射剛性不動球體的聲散射n剛性不動微小球粒子對平面波的散射剛性不動微小球粒子對平面波的散射n聲波在彈性物體上的散射聲波在彈性物體上的散射n平面聲波在彈性球體上的散射平面聲波在彈性球體上的散射n球面聲波在彈性球體上的散射球面聲波在彈性球體上的散射n彈性物體散射聲場的普通特征彈性物體散射聲場的普通特征一、剛性球體的散射聲場一、剛性球體的散射聲場n剛性不動球體的聲散射剛性不動球體的聲散射n目的強(qiáng)度值

2、目的強(qiáng)度值n經(jīng)過實(shí)驗(yàn)丈量獲得經(jīng)過實(shí)驗(yàn)丈量獲得n經(jīng)過實(shí)際計(jì)算獲得經(jīng)過實(shí)際計(jì)算獲得n提示：常見聲納目的的幾何外形根本接近于球形或柱形。提示：常見聲納目的的幾何外形根本接近于球形或柱形。n剛性：在入射聲波作用下球體不發(fā)生變形，聲波透不到球剛性：在入射聲波作用下球體不發(fā)生變形，聲波透不到球體內(nèi)部，激不起球體內(nèi)部運(yùn)動。體內(nèi)部，激不起球體內(nèi)部運(yùn)動。n不動：球體不參與周圍流體介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動。不動：球體不參與周圍流體介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動。一、剛性球體的散射聲場一、剛性球體的散射聲場n剛性不動球體的聲散射剛性不動球體的聲散射n散射場計(jì)算散射場計(jì)算n 取坐標(biāo)系的原點(diǎn)和剛性球的球心重合，并取取坐標(biāo)系的原點(diǎn)和剛性球的球心重

3、合，并取 軸與軸與入射平面波的傳播方向一致，設(shè)剛性球的半徑為入射平面波的傳播方向一致，設(shè)剛性球的半徑為 ，如，如下圖。下圖。axn剛性不動球體的聲散射剛性不動球體的聲散射n散射場計(jì)算散射場計(jì)算n 取入射平面波聲壓為：取入射平面波聲壓為：n設(shè)散射波聲壓為設(shè)散射波聲壓為 ，它滿足動搖方程：，它滿足動搖方程：tkriiePpcos0sp0sin1sinsin1122222222sssspkprprrprrr一、剛性球體的散射聲場一、剛性球體的散射聲場n剛性不動球體的聲散射剛性不動球體的聲散射n散射場計(jì)算散射場計(jì)算n 由于入射聲波關(guān)于由于入射聲波關(guān)于 軸對稱，散射波也關(guān)于軸對稱，散射波也關(guān)于 軸軸對稱

4、，那么有：對稱，那么有：n 利用分別變量法，設(shè)：利用分別變量法，設(shè)：0sinsin112222ssspkprrprrr rRpsxx一、剛性球體的散射聲場一、剛性球體的散射聲場n剛性不動球體的聲散射剛性不動球體的聲散射n散射場計(jì)算散射場計(jì)算n 運(yùn)用分別變量法，動搖方程可化為：運(yùn)用分別變量法，動搖方程可化為：n提示：上式為球貝塞爾方程，下式為勒讓德方程，其解的提示：上式為球貝塞爾方程，下式為勒讓德方程，其解的方式都知。方式都知。012222mrkrRrrRmsinsin1一、剛性球體的散射聲場一、剛性球體的散射聲場n剛性不動球體的聲散射剛性不動球體的聲散射n散射場計(jì)算散射場計(jì)算n勒讓德方程的解：

5、勒讓德方程的解：n球貝塞爾方程的解：球貝塞爾方程的解：n 由無窮遠(yuǎn)輻射條件：由無窮遠(yuǎn)輻射條件： cosmmmPa krhckrhbRmmmmm21一、剛性球體的散射聲場一、剛性球體的散射聲場0mc )2/)1(2/2vkrivekrkrhn剛性不動球體的聲散射剛性不動球體的聲散射n散射場計(jì)算散射場計(jì)算n散射波聲壓：散射波聲壓： n問題：問題： 常數(shù)常數(shù) 確實(shí)定根據(jù)邊境條件確實(shí)定根據(jù)邊境條件n剛性球體邊境條件：剛性球體邊境條件： 01cosmmmmskrhPap一、剛性球體的散射聲場一、剛性球體的散射聲場ma00arsiarrrppiun剛性不動球體的聲散射剛性不動球體的聲散射n散射場計(jì)算散射場

6、計(jì)算n分析：散射場聲壓為貝塞爾函數(shù)和勒讓德函數(shù)的級數(shù)和方分析：散射場聲壓為貝塞爾函數(shù)和勒讓德函數(shù)的級數(shù)和方式，固將入射波聲壓展開為一樣的方式。式，固將入射波聲壓展開為一樣的方式。n待定系數(shù)：待定系數(shù)：n散射波聲壓：散射波聲壓： armmmmrkrhrkrjPmia1012 0110cosdddd12mtimmmmmsekrhPkakahkakajPmip一、剛性球體的散射聲場一、剛性球體的散射聲場n剛性不動球體的聲散射剛性不動球體的聲散射n散射場計(jì)算散射場計(jì)算n遠(yuǎn)場散射波聲壓：遠(yuǎn)場散射波聲壓： n ，n 其中：其中：tkriseDraPp)(0 0212cos1mmmimPebkaD1kr k

7、akahkakajmibmmmmdddd121一、剛性球體的散射聲場一、剛性球體的散射聲場一、剛性球體的散射聲場一、剛性球體的散射聲場n剛性不動球體的聲散射剛性不動球體的聲散射n散射場特點(diǎn)散射場特點(diǎn)n散射波振幅正比于入射波振幅；散射波振幅正比于入射波振幅；n散射波是各階球面波的迭加，具有球面波的某些特征，如散射波是各階球面波的迭加，具有球面波的某些特征，如振幅隨間隔一次方衰減；振幅隨間隔一次方衰減；n散射波具有明顯的指向性；散射波具有明顯的指向性； n隨頻率的變化：隨頻率的變化：n 1低頻，球前向散射較均勻，隨頻率增大，指向性變低頻，球前向散射較均勻，隨頻率增大，指向性變得復(fù)雜；得復(fù)雜；2低頻

8、時(shí)，剛球反面散射波很弱，隨著頻率的低頻時(shí)，剛球反面散射波很弱，隨著頻率的添加，背部散射波逐漸加強(qiáng)。添加，背部散射波逐漸加強(qiáng)。n剛性不動球體的聲散射剛性不動球體的聲散射n剛球遠(yuǎn)場散射波強(qiáng)度：剛球遠(yuǎn)場散射波強(qiáng)度：n剛球目的強(qiáng)度剛球目的強(qiáng)度(收發(fā)合置收發(fā)合置)：一、剛性球體的散射聲場一、剛性球體的散射聲場 222DraIIis 22lg10lg10DaIITSisn剛性不動微小球粒子對平面波的散射剛性不動微小球粒子對平面波的散射n微小粒子：是指微小粒子：是指 ，即或頻率甚低或者粒子半徑極小。，即或頻率甚低或者粒子半徑極小。n提示：微小粒子的散射波聲壓依然可以運(yùn)用上述剛性不動提示：微小粒子的散射波聲壓

9、依然可以運(yùn)用上述剛性不動球體的散射場聲壓表示。球體的散射場聲壓表示。n 在在 條件下，求和項(xiàng)中只需前兩項(xiàng)起主要作用，條件下，求和項(xiàng)中只需前兩項(xiàng)起主要作用，微小粒子的散射波聲壓：微小粒子的散射波聲壓：)(cos)(cos1111020)(0PebPebkaeraPpiitkris1ka1ka一、剛性球體的散射聲場一、剛性球體的散射聲場tkriseDraPp)(0 0212cos1mmmimPebkaDn剛性不動微小球粒子對平面波的散射剛性不動微小球粒子對平面波的散射n散射波聲壓：散射波聲壓：n散射波聲強(qiáng)：散射波聲強(qiáng)：n目的強(qiáng)度目的強(qiáng)度(收發(fā)合置收發(fā)合置)：n ：具有明顯的指向性和劇烈的頻率特性。

10、：具有明顯的指向性和劇烈的頻率特性。cos2313)(3)(0kaekrPptkris2642cos2319akrIIis643625lg10akTS 一、剛性球體的散射聲場一、剛性球體的散射聲場二、聲波在彈性物體上的散射二、聲波在彈性物體上的散射n平面聲波在彈性球體上的散射平面聲波在彈性球體上的散射n對于常見的聲納目的，都是由金屬資料制成的彈性體對于常見的聲納目的，都是由金屬資料制成的彈性體 n彈性體：入射聲波能透入物體內(nèi)部，并激發(fā)內(nèi)部聲場彈性體：入射聲波能透入物體內(nèi)部，并激發(fā)內(nèi)部聲場n與剛性體比較：與剛性體比較：n彈性球體散射波強(qiáng)度隨頻率變化會出現(xiàn)極大、極小變化；彈性球體散射波強(qiáng)度隨頻率變

11、化會出現(xiàn)極大、極小變化；n剛性球體散射波強(qiáng)度不存在明顯的頻率效應(yīng)剛性球體散射波強(qiáng)度不存在明顯的頻率效應(yīng) ；n還存在其他方面的差別，研討這些差別，有助于聲納目的還存在其他方面的差別，研討這些差別，有助于聲納目的的檢測和識別。的檢測和識別。 0212cos1mmmimPebkaD 222DraIIis2642cos2319akrIIis二、聲波在彈性物體上的散射二、聲波在彈性物體上的散射n平面聲波在彈性球體上的散射平面聲波在彈性球體上的散射n散射場計(jì)算散射場計(jì)算n與剛性球體的散射場計(jì)算過程作對比：與剛性球體的散射場計(jì)算過程作對比：n 1一樣點(diǎn)：散射波聲壓滿足一樣的動搖方程，解法一一樣點(diǎn)：散射波聲壓

12、滿足一樣的動搖方程，解法一樣，方式解一樣樣，方式解一樣n 2不同點(diǎn)：邊境條件不同不同點(diǎn)：邊境條件不同n邊境條件：邊境條件：n 1法向應(yīng)力延續(xù)法向應(yīng)力延續(xù) n 2法向位移延續(xù)或法向質(zhì)點(diǎn)振速延續(xù)法向位移延續(xù)或法向質(zhì)點(diǎn)振速延續(xù) n 3切向應(yīng)力為零切向應(yīng)力為零 xnxFxnxj xFxjnnnnnnntan 2222222221111121222222211111222221222xjxxjnnxjxxjnnxjxjxxjxjxxjxxjnnxjnnxjxjxxjxxFnnnnnnnnnnnnnnsn tinnninnsePkrheinPpncossin120110二、聲波在彈性物體上的散射二、聲波在

13、彈性物體上的散射n平面聲波在彈性球體上的散射平面聲波在彈性球體上的散射n散射場計(jì)算散射場計(jì)算n彈性球體散射波聲壓：彈性球體散射波聲壓：n球面聲波在彈性球體上的散射球面聲波在彈性球體上的散射n散射場計(jì)算散射場計(jì)算n 思索點(diǎn)聲源置于思索點(diǎn)聲源置于S處，它距球心的間隔為處，它距球心的間隔為 ，空間，空間恣意點(diǎn)恣意點(diǎn)P處入射聲場為：處入射聲場為： 0r二、聲波在彈性物體上的散射二、聲波在彈性物體上的散射 tinnnnntkDiiePkrhkrjnikPeDPpcos112101000n球面聲波在彈性球體上的散射球面聲波在彈性球體上的散射n散射場計(jì)算散射場計(jì)算n 假設(shè)點(diǎn)源離彈性球較遠(yuǎn)，那么根據(jù)漢克爾函數(shù)

14、的漸假設(shè)點(diǎn)源離彈性球較遠(yuǎn)，那么根據(jù)漢克爾函數(shù)的漸近展開式有：近展開式有： n入射波聲壓：入射波聲壓：n n散射波聲壓：散射波聲壓： tinnnnikriePkrjinerPpcos120000 tinnnninnsePkrhkrhenkPpncossin112010100kr二、聲波在彈性物體上的散射二、聲波在彈性物體上的散射n球面聲波在彈性球體上的散射球面聲波在彈性球體上的散射n散射場計(jì)算散射場計(jì)算n收發(fā)合置情況下的回波：收發(fā)合置情況下的回波：n遠(yuǎn)場條件下的回波表達(dá)式：遠(yuǎn)場條件下的回波表達(dá)式：n形狀函數(shù)：形狀函數(shù)： tiinnnseekrhnkPpn00210sin12tkriinnnsee

15、nxraPpn0201200sin1212221,xxxf二、聲波在彈性物體上的散射二、聲波在彈性物體上的散射n球面聲波在彈性球體上的散射球面聲波在彈性球體上的散射n散射場計(jì)算散射場計(jì)算n形狀函數(shù)：形狀函數(shù)： 為水中波數(shù)；為水中波數(shù)； 、 為縱波和橫波波數(shù)。為縱波和橫波波數(shù)。n 1結(jié)論：彈性球體散射聲場比剛性球體復(fù)雜，與球體結(jié)論：彈性球體散射聲場比剛性球體復(fù)雜，與球體組成資料的彈性參數(shù)有關(guān)。組成資料的彈性參數(shù)有關(guān)。n 2形狀函數(shù)是形狀函數(shù)是Hickling在上世紀(jì)在上世紀(jì)60年代引入來討論散年代引入來討論散射聲場與頻率的關(guān)系的。射聲場與頻率的關(guān)系的。n散射聲場：散射聲場：x1x2x二、聲波在彈

16、性物體上的散射二、聲波在彈性物體上的散射tkrisexxxfraPp0221200,2二、聲波在彈性物體上的散射二、聲波在彈性物體上的散射n球面聲波在彈性球體上的散射球面聲波在彈性球體上的散射n形狀函數(shù)比較形狀函數(shù)比較n剛性球、聲學(xué)軟球、鋼球和鋁球：剛性球、聲學(xué)軟球、鋼球和鋁球：二、聲波在彈性物體上的散射二、聲波在彈性物體上的散射n彈性物體散射聲場的普通特征彈性物體散射聲場的普通特征n形狀函數(shù)比較：形狀函數(shù)比較：n剛性球、聲學(xué)軟球、鋼球和鋁球：剛性球、聲學(xué)軟球、鋼球和鋁球：n 1彈性球剛球和鋁球形狀函數(shù)隨頻率有極大、極彈性球剛球和鋁球形狀函數(shù)隨頻率有極大、極小急劇變化；小急劇變化；n 2剛性球

17、形狀函數(shù)在低頻段起伏振蕩，隨著頻率的增剛性球形狀函數(shù)在低頻段起伏振蕩，隨著頻率的增高，逐漸趨于高，逐漸趨于1；n 3聲學(xué)軟球形狀函數(shù)在很低頻段大于聲學(xué)軟球形狀函數(shù)在很低頻段大于1，隨著頻率的，隨著頻率的添加很快降至添加很快降至1。二、聲波在彈性物體上的散射二、聲波在彈性物體上的散射n彈性物體散射聲場的普通特征彈性物體散射聲場的普通特征n頻率特性：頻率特性： n寬脈沖入射：散射強(qiáng)度隨頻率作極大、極小急劇變化，回寬脈沖入射：散射強(qiáng)度隨頻率作極大、極小急劇變化，回波波形產(chǎn)生嚴(yán)重畸變。波波形產(chǎn)生嚴(yán)重畸變。n窄脈沖入射：回波為一脈沖串，每個(gè)脈沖之間的間隔根本窄脈沖入射：回波為一脈沖串，每個(gè)脈沖之間的間隔

18、根本相等，脈沖幅度逐漸衰減，波形根本不變。相等，脈沖幅度逐漸衰減，波形根本不變。n上述景象的解釋：上述景象的解釋：n 1回波來自物體外表的散射波、透入物體內(nèi)部經(jīng)內(nèi)外回波來自物體外表的散射波、透入物體內(nèi)部經(jīng)內(nèi)外表反射、透射到達(dá)的波，入射波鼓勵(lì)下的再輻射波；表反射、透射到達(dá)的波，入射波鼓勵(lì)下的再輻射波；二、聲波在彈性物體上的散射二、聲波在彈性物體上的散射n彈性物體散射聲場的普通特征彈性物體散射聲場的普通特征n頻率特性：頻率特性：n上述景象的解釋：上述景象的解釋：n 2長脈沖時(shí)，水聽器可在同一時(shí)辰接納上述各種波迭長脈沖時(shí)，水聽器可在同一時(shí)辰接納上述各種波迭加而成，它們經(jīng)由不同途徑到達(dá)接納點(diǎn)相位不同，

19、迭加而成，它們經(jīng)由不同途徑到達(dá)接納點(diǎn)相位不同，迭加結(jié)果使得回波波形產(chǎn)生嚴(yán)重畸變；加結(jié)果使得回波波形產(chǎn)生嚴(yán)重畸變；n 3短脈沖時(shí)，上述各種波不會在同一時(shí)辰到達(dá)接納點(diǎn)，短脈沖時(shí)，上述各種波不會在同一時(shí)辰到達(dá)接納點(diǎn)，所以接納到的是一個(gè)脈沖串。由于各個(gè)脈沖到達(dá)接納點(diǎn)的所以接納到的是一個(gè)脈沖串。由于各個(gè)脈沖到達(dá)接納點(diǎn)的時(shí)間不同，它們之間不會發(fā)生干涉迭加，不產(chǎn)生大的畸變。時(shí)間不同，它們之間不會發(fā)生干涉迭加，不產(chǎn)生大的畸變。n彈性物體散射聲場的普通特征彈性物體散射聲場的普通特征n頻率特性頻率特性n上述景象的解釋：上述景象的解釋：n 設(shè)入射波的頻譜為設(shè)入射波的頻譜為 ，那么有：，那么有：n 根據(jù)遠(yuǎn)場回波表達(dá)式有：根據(jù)遠(yuǎn)場回波表達(dá)式有： dkekgDcPptkDii20 kg dxexxxfkgrcPptaxris0221200,22二、聲波在彈性物體上的散射二、聲波在彈性物體上的散射n彈性物體散射聲場的普通特征彈性物體散射聲場的普通特征n頻率特性：頻率特性：n上述景象的解釋：上述景象的解釋：n 4入射波為長脈沖時(shí)，其頻譜較窄，頻率稍許變化時(shí)，入射波為長脈沖時(shí)，其頻譜較窄，頻率稍許變化時(shí)， 和和 的相對位置能夠發(fā)生很大的變化，它們的乘積也相的相對位置能夠發(fā)生很大的