水声学-海洋中的混响2.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,*,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,1,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,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,2,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,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,3,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,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：,气泡散射,气泡的存在使介质出现不连续性；,4,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,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,5,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,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，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,6,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,小气泡的共振频率,结论,：,海水中压力,P,0,与海水深度,d,有关，则深度,d,处的空气泡的共振频率为,：,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：,一、海水中气泡的声学特性,9,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,单个气泡的散射截面、吸收截面和消声截面,散射截面定义：,单个气泡的散射截面：,一、海水中气泡的声学特性,10,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,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）。,一、海水中气泡的声学特性,11,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,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,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,：,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。,一、海水中气泡的声学特性,12,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,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；,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,。,13,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,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，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 。,14,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,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,，宽为 的球台状圆环，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，不同的是积分体积改变了，散射强度采用界面散射强度,。,15,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,海面混响的理论处理,散射声强：,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。,二、海面混响,16,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,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，只有水平指向性才起作用，这样散射面近似在 平面内，所以有：,二、海面混响,17,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,海面混响的理论处理,散射声强：,同体积混响一样，用一个理想指向性 替代发,-,收组合指向性束宽：,二、海面混响,18,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,二、海面混响,海面混响的理论处理,特点,：,散射声强度正比于发射声强、发射声信号脉冲宽度、发,-,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。,海面混响的等效平面波混响级,：,19,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,海面混响的理论处理,海面混响等效平面波混响级,若散射层内 是均匀的，则 恰好就是界面散射强度 ；则海面混响的等效平面波混响级表达式：,若散射层内 是不均匀的，则,二、海面混响,20,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,海面散射强度,计算海面混响的,RL,，必须知道 ，因此，对海面混响的研究实际是对 的研究。,海上测量结果表明：海面散射强度与,掠射角,、,工作频率,和海面上,风速,有关，,见右图（,60kHz,）。,海面散射强度与掠射角、,风速的关系分成三个区,域：,二、海面混响,21,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,二、海面混响,海面散射强度,与掠射角关系,：,掠射角,小于,30,0,，散射强度几乎不随掠射角而变，但随风速增加而增加。,原因,：气泡散射，气泡密度变大。,掠射角在,30,0,70,0,范围，散射强度值随风速的增长逐渐变慢。,原因,：海表面的反向散射是主要原因。,22,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,二、海面混响,海面散射强度,与掠射角关系,：,掠射角在,70,0,90,0,范围，尤其是在接近正投射情况下，散射强度值反而随风速增加而减小。,原因,：镜反射减小，海面破碎程度严重。,结论,：在不同掠射角范围内，海面混响产生机理有所不同。,与频率关系,：,小掠射角角度时，散射强度为,3dB/,倍频程关系；,垂直入射时，此关系不明显。,23,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,海面散射强度,经验公式,Chapman,和,Harris,等人得到了计算海面反向散射强度的经验公式（风速：,030,节，频率：,0.4kHz6.4kHz,）,关于海面散射的理论,Echart,理论：将海面看作随机不平整表面，混响为海面上次级辐射声源的贡献和：,二、海面混响,24,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,关于海面散射的理论,光栅理论：,Marsh,等人提出的理论：,提示,：不涉及风速、声波频率，不符合海面散射的实际物理过程。用粗糙度、波长和角度描述,注意,：由于海面散射的复杂性及易变性，以上介绍的理论都只在一定的范围内才能解释海上实际测量结果。,二、海面混响,25,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,THE END,26,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,