水聲測(cè)量學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1水聲測(cè)量水聲測(cè)量(cling)第一頁(yè)，共33頁(yè)。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)第2頁(yè)/共33頁(yè)第二頁(yè)，共33頁(yè)。（1 1）自由場(chǎng)）自由場(chǎng) 均勻各向同性的媒質(zhì)中，邊界影響均勻各向同性的媒質(zhì)中，邊界影響(yngxing)(yngxing)可以不計(jì)可以不計(jì)時(shí)的聲場(chǎng)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)振速同相的自由聲場(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)。聲場(chǎng)。（3 3）近場(chǎng)）近場(chǎng) 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

2、聲場(chǎng)。聲場(chǎng)。第3頁(yè)/共33頁(yè)第三頁(yè)，共33頁(yè)。2.2.自由場(chǎng)的建立自由場(chǎng)的建立 （1 1）天然）天然(tinrn)(tinrn)水域水域 （2 2）實(shí)驗(yàn)室）實(shí)驗(yàn)室第4頁(yè)/共33頁(yè)第四頁(yè)，共33頁(yè)。（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(lái)的干擾能水域應(yīng)有足夠的空間，以便從邊界反射回來(lái)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?；用脈沖聲技術(shù)、消聲邊界或長(zhǎng)距離傳輸?shù)确椒ㄏ粦?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在水介質(zhì)中要避免有可能引起折射和散射(snsh)

3、(snsh)的任何因素，諸如流、溫度梯度、海洋生物、氣泡和污的任何因素，諸如流、溫度梯度、海洋生物、氣泡和污物等；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。第5頁(yè)/共33頁(yè)第五頁(yè)，共33頁(yè)。（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 非消聲水池采用非消聲水池采用(ciyng)(ciyng)脈沖脈沖聲技術(shù)聲技術(shù)第6頁(yè)/共33頁(yè)第六頁(yè)，共33頁(yè)

4、。第7頁(yè)/共33頁(yè)第七頁(yè)，共33頁(yè)。(1)(1)遠(yuǎn)場(chǎng)判據(jù)遠(yuǎn)場(chǎng)判據(jù) 理論理論(lln)(lln)推導(dǎo)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)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)。場(chǎng)距離判據(jù)。skrtjdseurckjdpp02式中：0u 活塞發(fā)射器表面(biomin)振動(dòng)幅度 r水中聲速水中聲速(shn s)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第8頁(yè)/共33頁(yè)第八頁(yè)，共33頁(yè)。（i）遠(yuǎn)場(chǎng)特性）遠(yuǎn)場(chǎng)特性(txng) )(120sin)sin(22),(krtjekakaJraujtrp式中：a活塞(husi)發(fā)射

5、器半徑； 第9頁(yè)/共33頁(yè)第九頁(yè)，共33頁(yè)。（ii）近場(chǎng)特性(txng) rarkcup2202sin2第10頁(yè)/共33頁(yè)第十頁(yè)，共33頁(yè)。a活塞活塞(husi)(husi)面中心點(diǎn)面中心點(diǎn)處處,r=0,r=0時(shí)時(shí) 0002sin2sin2kaapcucu0002,2)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)(gnj)a(gnj)a與與之間關(guān)之間關(guān)系系可以確定可大可小?？梢源_定可大可小。 pr第11頁(yè)/共33頁(yè)第十一頁(yè)，共33頁(yè)。b在活塞法線上聲壓(shn y)幅值極大極小點(diǎn)處 nrark22221222nrark n=0,1,2 p=max n=0,1,

6、2 p=0pr在法線上將會(huì)出現(xiàn)聲壓極大、極小值的交替在法線上將會(huì)出現(xiàn)聲壓極大、極小值的交替(jiot)分布現(xiàn)象分布現(xiàn)象第12頁(yè)/共33頁(yè)第十二頁(yè)，共33頁(yè)。離發(fā)射離發(fā)射(fsh)(fsh)面最遠(yuǎn)處聲壓極大值點(diǎn)面最遠(yuǎn)處聲壓極大值點(diǎn)對(duì)應(yīng)于對(duì)應(yīng)于n=0n=0即420ar 這表明(biomng)，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 的點(diǎn)，超過(guò)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 ，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)附近，聲壓幅值變化很緩慢，類似于平面波。 22第13頁(yè)/共33頁(yè)第十三頁(yè)，共33頁(yè)。接近(jijn)遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)（分析近場(chǎng)公式）ra 時(shí)，3

7、422282rararar若時(shí)，即則racurkacup2sin24sin22020crarkcup2202sin2第14頁(yè)/共33頁(yè)第十四頁(yè)，共33頁(yè)。當(dāng)當(dāng)很小時(shí)很小時(shí)(xiosh)，sin所以所以(suy)rkarka44sin22rkacup220若若racurkacup2sin24sin22020)(120sin)sin(22),(krtjekakaJraujtrp 聲壓幅值按照 球面波規(guī)律(gul)衰減。r1第15頁(yè)/共33頁(yè)第十五頁(yè)，共33頁(yè)。結(jié)論結(jié)論 活塞活塞(husi)(husi)發(fā)射器和點(diǎn)接收器組成的系統(tǒng)的發(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：遠(yuǎn)場(chǎng)距離判據(jù)為：第16頁(yè)/

8、共33頁(yè)第十六頁(yè)，共33頁(yè)。經(jīng)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)(jngyn)(jngyn)公式公式對(duì)于對(duì)于(duy)均勻圓形活塞換能器均勻圓形活塞換能器2ar 代表一定誤差下對(duì)相位代表一定誤差下對(duì)相位(xingwi)(xingwi)的要求；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)） 第17頁(yè)/共33頁(yè)第十七頁(yè)，共33頁(yè)。近似于圓形或方形活塞近似于圓形或方形活塞(husi) r面積面積(min j)/(min j)/波長(zhǎng)波長(zhǎng) r最大線度尺寸最大線度尺寸(ch cun)第18頁(yè)/共33頁(yè)第十八頁(yè)，共

9、33頁(yè)。最大線度尺寸最大線度尺寸(ch cun)L(ch cun)L對(duì)于其他對(duì)于其他(qt)情況情況聲場(chǎng)聲場(chǎng)(shn(shn chn chn) )誤差小于誤差小于0.5dB0.5dBrrL2/第19頁(yè)/共33頁(yè)第十九頁(yè)，共33頁(yè)。d0ddpdd0ddpdddpdd0000000第20頁(yè)/共33頁(yè)第二十頁(yè)，共33頁(yè)。A/PdA/P2A/P1d1d2do pd遠(yuǎn)場(chǎng)中某處聲壓；遠(yuǎn)場(chǎng)中某處聲壓； 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；d參考點(diǎn)與實(shí)際聲中心參考點(diǎn)與實(shí)際聲中心(zhngxn)的偏差。的偏差。確定(qudng)方法 Od第21頁(yè)/共33頁(yè)第二十一頁(yè)，共33頁(yè)。二、脈沖二、脈沖

10、(michng)聲技術(shù)聲技術(shù)1 1、原理、原理2 2、實(shí)現(xiàn)、實(shí)現(xiàn)(shxin)(shxin)方法方法第22頁(yè)/共33頁(yè)第二十二頁(yè)，共33頁(yè)。1 1、原理、原理 利用正弦填充矩形脈沖信號(hào)或不利用正弦填充矩形脈沖信號(hào)或不同于連續(xù)單頻信號(hào)的短促脈沖信號(hào)激同于連續(xù)單頻信號(hào)的短促脈沖信號(hào)激勵(lì)發(fā)射換能器，并控制接收系統(tǒng)使其勵(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)射器直達(dá)水聽器只在脈沖聲信號(hào)從發(fā)射器直達(dá)水聽器的那一段時(shí)間內(nèi)接收和測(cè)量（直達(dá)信的那一段時(shí)間內(nèi)接收和測(cè)量（直達(dá)信號(hào)），而在此段時(shí)間之前到達(dá)的脈沖號(hào)），而在此段時(shí)間之前到達(dá)的脈沖電信號(hào)（電串漏信號(hào)）或此段時(shí)間之電信號(hào)（電串漏信號(hào)）或此段時(shí)間之

11、后到達(dá)的脈沖聲信號(hào)（反射信號(hào)）將后到達(dá)的脈沖聲信號(hào)（反射信號(hào)）將被接收系統(tǒng)拒絕接收，這樣即可將被被接收系統(tǒng)拒絕接收，這樣即可將被測(cè)有用信號(hào)與不希望的噪聲信號(hào)在時(shí)測(cè)有用信號(hào)與不希望的噪聲信號(hào)在時(shí)域上分離開來(lái)，從而形成域上分離開來(lái)，從而形成(xngchng)(xngchng)時(shí)間域上的自由場(chǎng)。時(shí)間域上的自由場(chǎng)。 第23頁(yè)/共33頁(yè)第二十三頁(yè)，共33頁(yè)。（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(zhji) (zhji) 電耦合所至，電耦合所至，可能是接地線不妥當(dāng)或水聽器屏蔽不好。可能是接地線不妥

12、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)。第24頁(yè)/共33頁(yè)第二十四頁(yè)，共33頁(yè)。工作工作(gngzu)原理原理t第25頁(yè)/共33頁(yè)第二十五頁(yè)，共33頁(yè)。t第26頁(yè)/共33頁(yè)第二十六頁(yè)，共33頁(yè)。tt第27頁(yè)/共33頁(yè)第二十七頁(yè)，共33頁(yè)。t第28頁(yè)/共

13、33頁(yè)第二十八頁(yè)，共33頁(yè)。221dHdc221dBdc1Ldc2 2、實(shí)現(xiàn)方法、實(shí)現(xiàn)方法(fngf)(fngf) （1 1）脈沖寬度（）脈沖寬度（）的選）的選擇擇 第29頁(yè)/共33頁(yè)第二十九頁(yè)，共33頁(yè)。2dc（）換能器尺寸大于聲波長(zhǎng)時(shí)，避免）換能器尺寸大于聲波長(zhǎng)時(shí)，避免(bmin)換能器之間換能器之間的反射影響的反射影響0fQ（）為與連續(xù)信號(hào)）為與連續(xù)信號(hào)(xnho)測(cè)量相比擬，使換能器達(dá)到穩(wěn)態(tài)條測(cè)量相比擬，使換能器達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件件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)射換能器的諧振發(fā)射換能器的諧振(xizhn)頻率。頻率。第30頁(yè)/共33頁(yè)第三十頁(yè)，共33頁(yè)。（）為保證聲信號(hào)不發(fā)生畸變，測(cè)試設(shè)備）為保證聲信號(hào)不發(fā)生畸變，測(cè)試設(shè)備(shbi)等帶等帶寬應(yīng)為寬應(yīng)為2f （）為與連續(xù)）為與連續(xù)(linx)信號(hào)測(cè)量相比擬，使換能器各部分之間完信號(hào)測(cè)量相比