水声学-海洋中的混响2

国内经典的水声学课件。PPT格式

第七章 海洋中的混响

第二十讲 气泡的声学特性与海面混响

国内经典的水声学课件。PPT格式

本讲主要内容海水中气泡的声学特性 海面表层内的空气泡 小气泡对声波的吸收作用 小气泡的共振频率 单个气泡的散射截面、 单个气泡的散射截面、吸收截面和消声界面 衰减系数 含气泡水介质中的声速 海面混响 海面散射的理论处理

College of Underwater Acoustic Engineering HEU

国内经典的水声学课件。PPT格式

本讲主要内容海面混响 海面散射强度 关于海面散射的理论

College of Underwater Acoustic Engineering HEU

国内经典的水声学课件。PPT格式

一、海水中气泡的声学特性海面表层内的空气泡 海面的不平整性及波浪产生的小气泡对声波的散射形成 海面混响 海面混响的特性与水中气泡的声学特性密切相关 小气泡对声波的吸收作用 小气泡不属于吸声材料； 小气泡不属于吸声材料； 小气泡群的吸收和散射作用使得声波通过这种气泡群后 会产生很大衰减。 会产生很大衰减。 衰减的原因： 衰减的原因： 气泡散射—气泡的存在使介质出现不连续性 气泡的存在使介质出现不连续性； 气泡散射 气泡的存在使介质出现不连续性；College of Underwater Acoustic Engineering HEU 4

国内经典的水声学课件。PPT格式

一、海水中气泡的声学特性小气泡对声波的吸收作用 衰减的原因 气泡再辐射——在入射声波作用下，气泡作受迫振 在入射声波作用下， 气泡再辐射 在入射声波作用下 向周围介质辐射声能； 动，向周围介质辐射声能； 气泡热传导——气泡的压缩、膨胀产生热传导；流 气泡的压缩、 气泡热传导 气泡的压缩 膨胀产生热传导； 体粘滞作用——水介质与气泡的磨擦产生热能。 水介质与气泡的磨擦产生热能。 体粘滞作用 水介质与气泡的磨擦产生热能 结论：气泡对声波的衰减来自气泡的吸收作用 吸收作用和 结论：气泡对声波的衰减来自气泡的吸收作用和散射作 用

College of Underwater Acoustic Engineering HEU

国内经典的水声学课件。PPT格式

一、海水中气泡的声学特性小气泡的共振频率 小气泡类似于谐振腔，在声波的作用下， 小气泡类似于谐振腔，在声波的作用下，其振动机理 类比电路如下： 类比电路如下：Rs ms

F等效弹性系数— 等效弹性系数 辐射声阻— 辐射声阻D=γ 0S0 /V P 2 0 R ≈ρ S0(ka 2 c ) s

D

共振质量— 共振质量 总压力— 总压力

m ≈ρ S0 ka ω c s F=PS0 06

College of Underwater Acoustic Engineering HEU

国内经典的水声学课件。PPT格式

一、海水中气泡的声学特性小气泡的共振频率 标准状态下： 标准状态下：

γ =14 .1小气泡作受迫振动时等效机械阻抗： 小气泡作受迫振动时等效机械阻抗：

3 P γ0 Z =ρ S ka+i 1 2 2 ka c0 m ω a ρ 气泡的共振频率： 气泡的共振频率：

γ0 1 3P f0 = 2a ρ πCollege of Underwater Acoustic Engineering HEU 7

国内经典的水声学课件。PPT格式

一、

海水中气泡的声学特性小气泡的共振频率 3 g 对于水中的气泡， 例：对于水中的气泡，取 ρ =1 /cm ,空气的 γ =1.41设 气泡在水面附近， 标准大气压， 气泡在水面附近，则 P 为1标准大气压，据此可得谐振 标准大气压 0 频率： 频率：

f0 =03 / a .3的单位为cm。 :kHz,a的单位为 。 , 的单位为 结论： 结论： 半径在( 半径在(0.1~0.01)cm数量级范围内的气泡的共振 ) 数量级范围内的气泡的共振 频率为( 频率为(3.3~33)kHz,而声纳的工作频率恰好在此 ) , 范围，所以该半径范围的气泡对声纳工作影响最大。 范围，所以该半径范围的气泡对声纳工作影响最大。College of Underwater Acoustic Engineering HEU 8

国内经典的水声学课件。PPT格式

一、海水中气泡的声学特性小气泡的共振频率 结论： 结论： 海水中压力P 与海水深度d有关 则深度d处的空气 有关， 海水中压力 0与海水深度 有关，则深度 处的空气 泡的共振频率为 03 .3 f0 = 1+01 .d a 的单位为cm; 的单位为 的单位为m。 :kHz,a的单位为 ；d的单位为 。 , 的单位为 单个气泡的散射截面、 单个气泡的散射截面、吸收截面和消声截面 根据机电类比， 根据机电类比，小气泡的散射功率 阻上的功率： 阻上的功率：College of Underwater Acoustic Engineering HEU

W s

就是消耗在电

国内经典的水声学课件。PPT格式

一、海水中气泡的声学特性单个气泡的散射截面、 单个气泡的散射截面、吸收截面和消声截面

W= s

(PS )2R 0 0 s 2Z m2

=

4 a2I0 π f (ka + 1 ) f2 2 2 0 2

散射截面定义： 散射截面定义： σs =W /I0 s

单个气泡的散射截面： 单个气泡的散射截面：

σs =

4 a2 π f (ka + 1 ) f2 2 2 0 2

College of Underwater Acoustic Engineering HEU

国内经典的水声学课件。PPT格式

一、海水中气泡的声学特性单个气泡的散射截面、 单个气泡的散射截面、吸收截面和消声截面 以上两式表明：声波频率与散射功率、散射截面有关； 以上两式表明：声波频率与散射功率、散射截面有关； 气泡处于共振状态，散射功率、 当 f = f0 时，气泡处于共振状态，散射功率、散射截 面达到最大，分别为： 面达到最大，分别为：

( s )mx = W a

2 I0λ

π

σ a ( s )mx

2 λ = π

单个气泡的的消声截面=散射截面+吸收截面( 单个气泡的的消声截面=散射截面+吸收截面(因为气 泡的消声作用是由散射作用和吸收作用构成)。 泡的消声作用是由散射作用和吸收作用构成)。

σe =σs +σεCollege of Underwater Acoustic Engineering HEU 11

国内经典的水声学课件。PPT格式

一、海水中气泡的声学特性衰减系数 定义： 定义：平面声波在含气泡水中传播时的声强度衰减

α=1 l I1 / I2 0g2 设每个气泡的消声截面为 σe m ,每 个共振气泡，则衰减系数为： 有 n 个共振气

泡，则衰减系数为：

3 m

水介质中含

α =43 n e . 4σ

dB/m

:上式忽略气泡间的多次散射，仅适用于气泡浓度不大 上式忽略气泡间的多次散射， 的情况。 的情况。College of Underwater Acoustic Engineering HEU 12

国内经典的水声学课件。PPT格式

一、海水中气泡的声学特性含气泡水介质中的声速 含气泡水中的声速与气泡含量、声波频率有关； 含气泡水中的声速与气泡含量、声波频率有关； 当声波频率低于气泡共振频率， 低于气泡共振频率 当声波频率低于气泡共振频率，气泡的存在使声速明显 减小； 减小； 相反，当声波频率远高 相反，当声波频率远高 共振频率， 于共振频率，气泡对声 不产生明显影响； 速不产生明显影响； 若声波频率就在共振频 若声波频率就在共振频 率附近， 率附近，则随着频率的 变化，声速发生剧烈改变 剧烈改变。 变化，声速发生剧烈改变。College of Underwater Acoustic Engineering HEU 13

国内经典的水声学课件。PPT格式

二、海面混响海面混响的理论处理 设收发合置换能器位于O点 设收发合置换能器位于 点，离海面散射层的距离 b 为 h ;收发换能器指向性分别为 b(θ, ) 、′(θ, ) ,声源在散 ′ 射层上的投影点 O 到圆环内侧距离为 R ,声源到圆环内 侧的斜距为 r 。

College of Underwater Acoustic Engineering HEU

国内经典的水声学课件。PPT格式

二、海面混响海面混响的理论处理 海面对混响有贡献的区域是厚度为H, 海面对混响有贡献的区域是厚度为 ，宽为 cτ /2 的球 台状圆环，如图所示。对于海面混响， 台状圆环，如图所示。对于海面混响，也可以像体积混响 一样来推导等效平面波混响级表达式， 一样来推导等效平面波混响级表达式，不同的是积分体积 改变了， 改变了，散射强度采用界面散射强度 Ss 。

College of Underwater Acoustic Engineering HEU

国内经典的水声学课件。PPT格式

二、海面混响海面混响的理论处理 散射声强： 散射声强：

Iscat

1 ′ =∫I0S 4 b θ, b( , d ( ) ′θ ) V V r

提示： 提示：只有工作在近海面的声纳才可能受到海面混响的 严重干扰。 严重干扰。R> h > r> h >co α ≈0 s

r> H >

College of Underwater Acoustic Engineering HEU

国内经典的水声学课件。PPT格式

二、海面混响海面混响的理论处理 在上述假设条件下，收发换能器垂直指向性不起作用， 在上述假设条件下，收发换能器垂直指向性不起作用， 只有水平指向性才起作用， 只有水平指向性才起作用，这样散射面近似在 θ =0 平面 所以有： 内，所以有：

c τ d V=H rd 2College of Underwater Acoustic Engineering HEU 17

国内经典的水声学课件。PPT格式

二、海面混响海面混响的理论处理 散射声强： 散射声强：2 π I0 c τ Iscat = 3 H V ∫ b 0 b(0 d S′ (, )′ , ) 0 r 2

同体积混响一样， 替代发-收组 同体积混响一样，用一个理想指向性 Φ替代发 收组 合指向性束宽：

合指向性束宽：

∫

2 π

0

b 0 b(0 d =∫ 1× d =Φ (, )′ , ) 1 0

Φ

I0 c τ Iscat = 3 H ′ Φ S V r 2College of Underwater Acoustic Engineering HEU 18

国内经典的水声学课件。PPT格式

二、海面混响海面混响的理论处理 特点： 特点： 散射声强度正比于发射声强、发射声信号脉冲宽度、 散射声强度正比于发射声强、发射声信号脉冲宽度、 收换能器组合指向性束角； 发-收换能器组合指向性束角； 收换能器组合指向性束角 与距离的三次方成反比，即随时间的三次方衰减。 与距离的三次方成反比，即随时间的三次方衰减。 海面混响的等效平面波混响级： 海面混响的等效平面波混响级：

τ c R =S +S 4 l r +1 l H+1 l rΦ L L V 0g 0g 0g 2

College of Underwater Acoustic Engineering HEU

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/jgum.html