水声学原理第一章2.ppt

College of Underwater Acoustic Engineering 第七章 海洋中的混响 第廿十讲 海水中气泡的声学特性、海面混响 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、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 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 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。 衰减的原因 1）气泡散射—气泡的存在使介质出现不连续性； 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 2）气泡再辐射——在入射声波作用下，气泡作受迫振动，向周围介质辐射声能； 3）气泡热传导——气泡的压缩、膨胀产生热传导；流体粘滞作用——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和散射作用 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，其振动机理类比电路如下： 等效弹性系数— 共振质量— 辐射声阻— 总压力— 海水中气泡的声学特性 小气泡的共振频率 其中， 为气泡半径； 为气泡的表面积； 为小气泡的体积； 为作用气泡的压力； 是气体等压比热和等容比热的比值，标准状态下， 由上图可知小气泡作受迫振动时的等效机械阻抗： 气泡的共振频率： 海水中气泡的声学特性 小气泡的共振频率 例：对于水中的气泡，取 ，空气的 设气泡在水面附近，则 为1标准大气压，据此可得谐振频率： 单位：kHz，a的单位为cm。 结论 1）半径在（0.1~0.01）cm数量级范围内的气泡的共振频率为（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。 海水中气泡的声学特性 小气泡的共振频率 结论 2）海水中压力P0与海水深度d有关，则深度d处的空气泡的共振频率为 单位：kHz，a的单位为cm；d的单位为m。 单个气泡的散射截面、吸收截面和消声截面 根据机电类比，小气泡的散射功率 就是消耗在电阻 上的功率： 海水中气泡的声学特性 单个气泡的散射截面、吸收截面和消声截面 式中， 是入射声的强度。 定义散射截面 ，则单个气泡的散射截面： 海水中气泡的声学特性 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； 当 时，气泡处于共振状态，散射功率、散射截面达到最大，分别为： 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）。 海水中气泡的声学特性 衰减系数 定义：平面声波在含气泡水中传播时的声强度衰减 式中， 和 分别为声波传播方向上相距单位距离的两点声强。 设每个气泡的消声截面为 ，每 水介质中含有 个共振气泡，则衰减系数为： dB/m 注意：上式忽略气泡间的多次散射，仅适用于气泡浓度不大的情况。 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； 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； 相反，当声波频率远高 于共振频率，气泡对声 速不产生明显影响； 若声波频率就在共振频 率附近，则随着频率的 变化，声速发生剧烈改变。 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，离海面散射层的距离为 ；收发换能器指向性分别为 、 声源在散射层上的投影点 到圆环内侧距离为 声源到圆环内侧的斜距为