第07章散射_水声学.ppt

理论声学(2) 第七章 第七章 声波的接收和散射 与声波接收有关，声学的经典内容 声波与障碍物相互作用 障碍物受声波的作用，振动 障碍物会改变原来的传播，产生散射波 散射，反射，折射，衍射，绕射 声学主动检测的基础 声波的接收 压强式传声器，圆形 振膜表面受力 指向性函数 活塞声源辐射的远场指向性 声学互易性 压差式传声器 入射声波 膜受的力 指向性为 与偶极子一样 增加了近场的低频成分 灵敏度比较低 多声道干涉传声器 指向性 接收阵列波束形成 声强计 圆球和圆柱对声波的散射 单个目标对平面入射波的散射 入射波遇到散射物产生散射波 入射与散射波叠加形成总的声场 满足散射物表面的边界条件 散射问题与辐射问题有密切的关系 二次声源 刚性圆球对平面波的散射 入射波 散射波 总声场 边界条件 平面波展开为球函数的级数 入射波在界面上的法向速度 散射波 散射场 远场 声强 总散射功率 频率很低 高频时趋于球截面积入射功率的两倍 球表面的声压幅度的平方 平面声波在球面上产生的声压分布与球面上点源产生的远场声场指向性是一样的。 散射截面 立体角 立体角内的散射功率 微分散射截面 散射波的远场声强 背向散射截面，单站散射截面 双站散射截面 总散射功率 目标总散射功率等于入射声强与散射截面的乘积，相当于正入射到散射截面上的入声波功率 瞬态的散射声场 爬波 流体中的气泡散射 软边界问题 不同介质圆球散射，弹性散射体 圆球表面边界条件 声压和法向振动速度连续 刚性圆柱的散射 边界条件 圆柱表面法向位移为零 入射场 散射场 散射和辐射的关系 散射场可以看作散射体表面的二次声源产生的辐射声场 圆柱体或球体表面不均匀振动产生的辐射问题 多普勒效应 当接收器相对声源运动 或散射物相对声源或接收器运动 接收的声波的频率与声源的频率不一定一样 多普勒效应 运动星体发出的光波 火车汽车等许多高速声源 声纳测量海流，超声测量血流 运动声源的多普勒效应 多普勒方程 脉冲多普勒现象 发射波形压缩或伸长，得到接收波形 声源速度随时间变化 取 时的速度 得到 点在 时间的瞬时频率 线性的时不变系统，频率不变 运动声源，系统是时变的 时变系统会改变频率 波数和频率的伽利略变换 两个坐标满足伽利略变换 介质中有一个平面波 波矢和频率的变换规律 不同的惯性系中，波矢不变 传播方向和波长不变 频率是不同的 运动坐标系中的相速度 第一个坐标系相对介质静止 运动坐标中相速度是声速与坐标系速度的合成 与平面波的传播方向有关 声源运动 第一个坐标系静止 第二个坐标系随声源运动 接收器运动 第一个坐标系静止 第二个坐标系随接收器运动 声源、接收器运动 第一个坐标系随声源运动 第二个坐标系随接收器运动 第三个坐标系静止 声源和接收器的速度都小，多普勒频移由声源和接收器的相对速度决定 运动目标的散射 第一个坐标系静止,入射波 第二个坐标系随散射物运动 散射波 第一个坐标系中 前向散射 目标的运动速度比声速小 背向散射 非均匀介质的散射 介质的非均匀性产生散射 海洋、大气和生物组织 声速和密度都是位置的函数 非均匀介质声波方程 波函数 不均匀介质的散射 波恩近似 散射比较弱 例 超声层析成像 反问题，逆问题 已知入射波散射波 确定介质或散射物 波恩近似 声吸收成像 声速成像 射线理论 逆投影重建法 按照射线在网格中的长度加权 赋值给各个网格 对每个网格叠加，即得 代数重建法 每个格点有一个未知数 未知数的线性方程组 在地球物理中有应用 信息利用不充分 应用并不广泛 球面波在平界面上的反射和透射 当声源与散射物的距离比较近 入射波不能近似为平面波 球面波在平面界面上的反射和透射 声源发出球面波 反射波 透射波 声场轴对称 高频远场近似 鞍点法 镜面反射 侧面波 相位延迟 算例 反射波形 透射波形 衍射 散射物比波长大得多 大量声波被反射 散射物背后形成影区 部分入射波从侧面绕到影区，称为衍射 散射物的前面和侧面是入射波和反射波叠加形成的声场 影区边缘的声场十分复杂 衍射波比入射波和反射波弱，远场更弱 时间 声源的位置是 相位 左边是 声源运动，接收频率与声源的频率不同 多普勒频移 忽略密度的变化 * 用球截面积的入射功率