第三章水聲測(cè)量

1、第三章第三章 水聲測(cè)量水聲測(cè)量一、測(cè)量條件一、測(cè)量條件二、脈沖聲技術(shù)二、脈沖聲技術(shù)三、實(shí)驗(yàn)三、實(shí)驗(yàn)一、測(cè)量條件一、測(cè)量條件1.1.基本概念基本概念2.2.自由場(chǎng)的建立自由場(chǎng)的建立3.3.測(cè)量距離的確定測(cè)量距離的確定1.1.基本概念基本概念 （1 1）自由場(chǎng)）自由場(chǎng) （2 2）遠(yuǎn)場(chǎng)）遠(yuǎn)場(chǎng) （3 3）近場(chǎng)）近場(chǎng)（1 1）自由場(chǎng)）自由場(chǎng) 均勻各向同性的媒質(zhì)中，邊界影響可以不計(jì)時(shí)的聲場(chǎng)均勻各向同性的媒質(zhì)中，邊界影響可以不計(jì)時(shí)的聲場(chǎng). .（2 2）遠(yuǎn)場(chǎng)）遠(yuǎn)場(chǎng) 自由聲場(chǎng)中，離聲源遠(yuǎn)處瞬時(shí)聲壓與瞬時(shí)質(zhì)點(diǎn)振速同自由聲場(chǎng)中，離聲源遠(yuǎn)處瞬時(shí)聲壓與瞬時(shí)質(zhì)點(diǎn)振速同相的聲場(chǎng)。相的聲場(chǎng)。（3 3）近場(chǎng)）近場(chǎng) 自由聲場(chǎng)中，

2、聲源附近瞬時(shí)聲壓與瞬時(shí)質(zhì)點(diǎn)振速不同自由聲場(chǎng)中，聲源附近瞬時(shí)聲壓與瞬時(shí)質(zhì)點(diǎn)振速不同相的聲場(chǎng)。相的聲場(chǎng)。2.2.自由場(chǎng)的建立自由場(chǎng)的建立 （1 1）天然水域）天然水域 （2 2）實(shí)驗(yàn)室）實(shí)驗(yàn)室（1 1）天然水域自由場(chǎng)條件）天然水域自由場(chǎng)條件水域應(yīng)有足夠的空間，以便從邊界反射回來的干擾能用水域應(yīng)有足夠的空間，以便從邊界反射回來的干擾能用脈沖聲技術(shù)、消聲邊界或長(zhǎng)距離傳輸?shù)确椒ㄏ?；脈沖聲技術(shù)、消聲邊界或長(zhǎng)距離傳輸?shù)确椒ㄏ?；?yīng)有很低的噪聲環(huán)境，以保證測(cè)量所需的信噪比；應(yīng)有很低的噪聲環(huán)境，以保證測(cè)量所需的信噪比；在水介質(zhì)中要避免有可能引起折射和散射的任何因素，在水介質(zhì)中要避免有可能引起折射和散射的任何因

3、素，諸如流、溫度梯度、海洋生物、氣泡和污物等；諸如流、溫度梯度、海洋生物、氣泡和污物等； 要有良好的氣候條件，以保證測(cè)量的順利進(jìn)行和便利；要有良好的氣候條件，以保證測(cè)量的順利進(jìn)行和便利； 在高頻和超聲頻范圍測(cè)量時(shí)，水深通常小于在高頻和超聲頻范圍測(cè)量時(shí)，水深通常小于20m20m；對(duì)；對(duì)1kHz1kHz以下的頻率，水深應(yīng)大于以下的頻率，水深應(yīng)大于20m20m。（2 2）實(shí)驗(yàn)室自由場(chǎng)條件：）實(shí)驗(yàn)室自由場(chǎng)條件： 消聲水池消聲水池 非消聲水池采用脈沖聲技術(shù)非消聲水池采用脈沖聲技術(shù)3.3.測(cè)量距離的確定測(cè)量距離的確定（1 1）遠(yuǎn)場(chǎng)判據(jù)）遠(yuǎn)場(chǎng)判據(jù)（2 2）等效聲中心的確定）等效聲中心的確定(1)(1)遠(yuǎn)場(chǎng)判

4、據(jù)遠(yuǎn)場(chǎng)判據(jù) 理論推導(dǎo)理論推導(dǎo) 以活塞發(fā)射器和點(diǎn)接收器組成的系統(tǒng)為例，推導(dǎo)遠(yuǎn)場(chǎng)距離判據(jù)。以活塞發(fā)射器和點(diǎn)接收器組成的系統(tǒng)為例，推導(dǎo)遠(yuǎn)場(chǎng)距離判據(jù)。skrtjdseurckjdpp02式中：0u 活塞發(fā)射器表面振動(dòng)幅度活塞發(fā)射器表面振動(dòng)幅度 r水中聲速水中聲速水的密度水的密度 活塞上面元到觀察點(diǎn)的距離活塞上面元到觀察點(diǎn)的距離c面元面積面元面積 ds r（i i）遠(yuǎn)場(chǎng)特性）遠(yuǎn)場(chǎng)特性 )(120sin)sin(22),(krtjekakaJraujtrp式中：a活塞發(fā)射器半徑； （ii）近場(chǎng)特性 rarkcup2202sin2a活塞面中心點(diǎn)處活塞面中心點(diǎn)處,r=0,r=0時(shí)時(shí) 0002sin2sin2k

5、aapcucu0002,2)12(0,22cupnapna圓面活塞中心點(diǎn)處聲壓圓面活塞中心點(diǎn)處聲壓根據(jù)根據(jù)a a與與之間關(guān)系之間關(guān)系可以確定可大可小。可以確定可大可小。 prb在活塞法線上聲壓幅值極大極小點(diǎn)處 nrark22221222nrark n=0,1,2 p=max n=0,1,2 p=0pr在法線上將會(huì)出現(xiàn)聲壓極大、極小值的交替分布現(xiàn)象在法線上將會(huì)出現(xiàn)聲壓極大、極小值的交替分布現(xiàn)象離發(fā)射面最遠(yuǎn)處聲壓極大值點(diǎn)對(duì)應(yīng)于離發(fā)射面最遠(yuǎn)處聲壓極大值點(diǎn)對(duì)應(yīng)于n=0n=0即420ar 這表明，最后一個(gè)最大值的位置恰好是邊緣聲線和這表明，最后一個(gè)最大值的位置恰好是邊緣聲線和軸向聲線程差為軸向聲線程差為

6、 的點(diǎn)，超過此點(diǎn)，活塞面上任何兩的點(diǎn)，超過此點(diǎn)，活塞面上任何兩個(gè)元波到達(dá)法線上點(diǎn)的程差都小于個(gè)元波到達(dá)法線上點(diǎn)的程差都小于 ，聲壓幅值變?yōu)?，聲壓幅值變?yōu)閱握{(diào)的減小，于是聲場(chǎng)逐漸進(jìn)入弗朗霍夫爾區(qū)。在此點(diǎn)單調(diào)的減小，于是聲場(chǎng)逐漸進(jìn)入弗朗霍夫爾區(qū)。在此點(diǎn)附近，聲壓幅值變化很緩慢，類似于平面波。附近，聲壓幅值變化很緩慢，類似于平面波。 22接近遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)（分析近場(chǎng)公式）ra 時(shí)，3422282rararar若時(shí)，即則racurkacup2sin24sin22020crarkcup2202sin2當(dāng)當(dāng)很小很小時(shí)，時(shí)，sin所以所以rkarka44sin22rkacup220若若racurkacup2sin2

7、4sin22020)(120sin)sin(22),(krtjekakaJraujtrp 聲壓幅值按照聲壓幅值按照 球面波規(guī)律衰減。球面波規(guī)律衰減。r1結(jié)論結(jié)論 活塞發(fā)射器和點(diǎn)接收器組成的系統(tǒng)的遠(yuǎn)場(chǎng)活塞發(fā)射器和點(diǎn)接收器組成的系統(tǒng)的遠(yuǎn)場(chǎng)距離判據(jù)為：距離判據(jù)為：經(jīng)驗(yàn)公式經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)于均勻圓形活塞換能器對(duì)于均勻圓形活塞換能器2ar 代表一定誤差下對(duì)相位的要求；代表一定誤差下對(duì)相位的要求；（正弦函數(shù)用小角度代替）（正弦函數(shù)用小角度代替） ar 代表一定誤差下對(duì)幅度的要求；代表一定誤差下對(duì)幅度的要求；（二項(xiàng)式展開舍去高次項(xiàng)）（二項(xiàng)式展開舍去高次項(xiàng)） 近似于圓形或方形活塞近似于圓形或方形活塞 r面積面積/

8、/波長(zhǎng)波長(zhǎng) r最大線度尺寸最大線度尺寸最大線度尺寸最大線度尺寸L L對(duì)于其他情況對(duì)于其他情況聲場(chǎng)誤差小于聲場(chǎng)誤差小于0.5dB0.5dBrrL2/（2 2）等效聲中心的確定）等效聲中心的確定問題的提出問題的提出d0ddpdd0ddpdddpdd0000000A/PdA/P2A/P1d1d2do p pd d遠(yuǎn)場(chǎng)中某處聲壓；遠(yuǎn)場(chǎng)中某處聲壓； d d以參考點(diǎn)為起點(diǎn)的測(cè)量距離；以參考點(diǎn)為起點(diǎn)的測(cè)量距離；dd參考點(diǎn)與實(shí)際聲中心的偏差。參考點(diǎn)與實(shí)際聲中心的偏差。確定方法 Od二、脈沖聲技術(shù)二、脈沖聲技術(shù)1 1、原理、原理2 2、實(shí)現(xiàn)方法、實(shí)現(xiàn)方法1 1、原理、原理 利用利用正弦填充矩形脈沖信號(hào)正弦填充矩

9、形脈沖信號(hào)或不同于連續(xù)單頻或不同于連續(xù)單頻信號(hào)的信號(hào)的短促脈沖信號(hào)短促脈沖信號(hào)激勵(lì)發(fā)射換能器，并控制接收激勵(lì)發(fā)射換能器，并控制接收系統(tǒng)使其只在脈沖聲信號(hào)從發(fā)射器系統(tǒng)使其只在脈沖聲信號(hào)從發(fā)射器直達(dá)直達(dá)水聽器的那水聽器的那一段一段時(shí)間內(nèi)接收和測(cè)量時(shí)間內(nèi)接收和測(cè)量（直達(dá)信號(hào)），而在此段時(shí)（直達(dá)信號(hào)），而在此段時(shí)間間之前之前到達(dá)的到達(dá)的脈沖電信號(hào)脈沖電信號(hào)（電串漏信號(hào)）或此段時(shí)（電串漏信號(hào)）或此段時(shí)間間之后之后到達(dá)的到達(dá)的脈沖聲信號(hào)脈沖聲信號(hào)（反射信號(hào)）將被接收系（反射信號(hào)）將被接收系統(tǒng)統(tǒng)拒絕接收拒絕接收，這樣即可將被測(cè)有用信號(hào)與不希望的，這樣即可將被測(cè)有用信號(hào)與不希望的噪聲信號(hào)在噪聲信號(hào)在時(shí)域上分離

10、時(shí)域上分離開來，從而形成時(shí)間域上的開來，從而形成時(shí)間域上的自由場(chǎng)。自由場(chǎng)。 （1 1）電串漏信號(hào)：）電串漏信號(hào)： 電或電磁的信號(hào)，經(jīng)非聲學(xué)途徑傳播，是發(fā)電或電磁的信號(hào)，經(jīng)非聲學(xué)途徑傳播，是發(fā)射與接收系統(tǒng)直接射與接收系統(tǒng)直接 電耦合所至，可能是接地電耦合所至，可能是接地線不妥當(dāng)或水聽器屏蔽不好。線不妥當(dāng)或水聽器屏蔽不好。（2 2）直達(dá)信號(hào)：）直達(dá)信號(hào)： 經(jīng)聲傳播時(shí)間延遲后到達(dá)，由于電子設(shè)備和經(jīng)聲傳播時(shí)間延遲后到達(dá)，由于電子設(shè)備和換能器濾波特性，致使直達(dá)脈沖信號(hào)形狀產(chǎn)生畸換能器濾波特性，致使直達(dá)脈沖信號(hào)形狀產(chǎn)生畸變。變。（3 3）反射信號(hào)：）反射信號(hào)： 由于各種反射途徑均比直達(dá)聲程遠(yuǎn)，因此各由于各種反射途徑均比直達(dá)聲程遠(yuǎn)，因此各種反射波均在直達(dá)聲后面出現(xiàn)。種反射波均在直達(dá)聲后面出現(xiàn)。工作原理工作原理ttttt221dHdc221dBdc1Ldc2 2、實(shí)現(xiàn)方法、實(shí)現(xiàn)方法 （1 1）脈沖寬度（）脈沖寬度（）的選擇）的選擇 2dc（）換能器尺寸大于聲波長(zhǎng)時(shí)，避免換能器之間的反射）換能器尺寸大于聲波長(zhǎng)時(shí)，避免換能器之間的反射影響影響0fQ（）為與連續(xù)信號(hào)測(cè)量相比擬，使換能器達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件）為與連續(xù)信號(hào)測(cè)量相比擬，使換能器達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件Q發(fā)射換能器的品質(zhì)因數(shù)；發(fā)射換能器的品質(zhì)因數(shù)；fo發(fā)射換能器的諧振頻率。發(fā)射換能器的諧振頻率。（）為保證聲信號(hào)不發(fā)生畸變，測(cè)試設(shè)