第三章水聲測量

1、第三章第三章 水聲測量水聲測量一、測量條件一、測量條件二、脈沖聲技術(shù)二、脈沖聲技術(shù)三、實驗三、實驗一、測量條件一、測量條件1.1.基本概念基本概念2.2.自由場的建立自由場的建立3.3.測量距離的確定測量距離的確定1.1.基本概念基本概念 （1 1）自由場）自由場 （2 2）遠(yuǎn)場）遠(yuǎn)場 （3 3）近場）近場（1 1）自由場）自由場 均勻各向同性的媒質(zhì)中，邊界影響可以不計時的聲場均勻各向同性的媒質(zhì)中，邊界影響可以不計時的聲場. .（2 2）遠(yuǎn)場）遠(yuǎn)場 自由聲場中，離聲源遠(yuǎn)處瞬時聲壓與瞬時質(zhì)點振速同自由聲場中，離聲源遠(yuǎn)處瞬時聲壓與瞬時質(zhì)點振速同相的聲場。相的聲場。（3 3）近場）近場 自由聲場中，

2、聲源附近瞬時聲壓與瞬時質(zhì)點振速不同自由聲場中，聲源附近瞬時聲壓與瞬時質(zhì)點振速不同相的聲場。相的聲場。2.2.自由場的建立自由場的建立 （1 1）天然水域）天然水域 （2 2）實驗室）實驗室（1 1）天然水域自由場條件）天然水域自由場條件水域應(yīng)有足夠的空間，以便從邊界反射回來的干擾能用水域應(yīng)有足夠的空間，以便從邊界反射回來的干擾能用脈沖聲技術(shù)、消聲邊界或長距離傳輸?shù)确椒ㄏ?；脈沖聲技術(shù)、消聲邊界或長距離傳輸?shù)确椒ㄏ?；?yīng)有很低的噪聲環(huán)境，以保證測量所需的信噪比；應(yīng)有很低的噪聲環(huán)境，以保證測量所需的信噪比；在水介質(zhì)中要避免有可能引起折射和散射的任何因素，在水介質(zhì)中要避免有可能引起折射和散射的任何因

3、素，諸如流、溫度梯度、海洋生物、氣泡和污物等；諸如流、溫度梯度、海洋生物、氣泡和污物等； 要有良好的氣候條件，以保證測量的順利進(jìn)行和便利；要有良好的氣候條件，以保證測量的順利進(jìn)行和便利； 在高頻和超聲頻范圍測量時，水深通常小于在高頻和超聲頻范圍測量時，水深通常小于20m20m；對；對1kHz1kHz以下的頻率，水深應(yīng)大于以下的頻率，水深應(yīng)大于20m20m。（2 2）實驗室自由場條件：）實驗室自由場條件： 消聲水池消聲水池 非消聲水池采用脈沖聲技術(shù)非消聲水池采用脈沖聲技術(shù)3.3.測量距離的確定測量距離的確定（1 1）遠(yuǎn)場判據(jù)）遠(yuǎn)場判據(jù)（2 2）等效聲中心的確定）等效聲中心的確定(1)(1)遠(yuǎn)場判

4、據(jù)遠(yuǎn)場判據(jù) 理論推導(dǎo)理論推導(dǎo) 以活塞發(fā)射器和點接收器組成的系統(tǒng)為例，推導(dǎo)遠(yuǎn)場距離判據(jù)。以活塞發(fā)射器和點接收器組成的系統(tǒng)為例，推導(dǎo)遠(yuǎn)場距離判據(jù)。skrtjdseurckjdpp02式中：0u 活塞發(fā)射器表面振動幅度活塞發(fā)射器表面振動幅度 r水中聲速水中聲速水的密度水的密度 活塞上面元到觀察點的距離活塞上面元到觀察點的距離c面元面積面元面積 ds r（i i）遠(yuǎn)場特性）遠(yuǎn)場特性 )(120sin)sin(22),(krtjekakaJraujtrp式中：a活塞發(fā)射器半徑； （ii）近場特性 rarkcup2202sin2a活塞面中心點處活塞面中心點處,r=0,r=0時時 0002sin2sin2k

5、aapcucu0002,2)12(0,22cupnapna圓面活塞中心點處聲壓圓面活塞中心點處聲壓根據(jù)根據(jù)a a與與之間關(guān)系之間關(guān)系可以確定可大可小。可以確定可大可小。 prb在活塞法線上聲壓幅值極大極小點處 nrark22221222nrark n=0,1,2 p=max n=0,1,2 p=0pr在法線上將會出現(xiàn)聲壓極大、極小值的交替分布現(xiàn)象在法線上將會出現(xiàn)聲壓極大、極小值的交替分布現(xiàn)象離發(fā)射面最遠(yuǎn)處聲壓極大值點對應(yīng)于離發(fā)射面最遠(yuǎn)處聲壓極大值點對應(yīng)于n=0n=0即420ar 這表明，最后一個最大值的位置恰好是邊緣聲線和這表明，最后一個最大值的位置恰好是邊緣聲線和軸向聲線程差為軸向聲線程差為

6、 的點，超過此點，活塞面上任何兩的點，超過此點，活塞面上任何兩個元波到達(dá)法線上點的程差都小于個元波到達(dá)法線上點的程差都小于 ，聲壓幅值變?yōu)椋晧悍底優(yōu)閱握{(diào)的減小，于是聲場逐漸進(jìn)入弗朗霍夫爾區(qū)。在此點單調(diào)的減小，于是聲場逐漸進(jìn)入弗朗霍夫爾區(qū)。在此點附近，聲壓幅值變化很緩慢，類似于平面波。附近，聲壓幅值變化很緩慢，類似于平面波。 22接近遠(yuǎn)場區(qū)（分析近場公式）ra 時，3422282rararar若時，即則racurkacup2sin24sin22020crarkcup2202sin2當(dāng)當(dāng)很小很小時，時，sin所以所以rkarka44sin22rkacup220若若racurkacup2sin2

7、4sin22020)(120sin)sin(22),(krtjekakaJraujtrp 聲壓幅值按照聲壓幅值按照 球面波規(guī)律衰減。球面波規(guī)律衰減。r1結(jié)論結(jié)論 活塞發(fā)射器和點接收器組成的系統(tǒng)的遠(yuǎn)場活塞發(fā)射器和點接收器組成的系統(tǒng)的遠(yuǎn)場距離判據(jù)為：距離判據(jù)為：經(jīng)驗公式經(jīng)驗公式對于均勻圓形活塞換能器對于均勻圓形活塞換能器2ar 代表一定誤差下對相位的要求；代表一定誤差下對相位的要求；（正弦函數(shù)用小角度代替）（正弦函數(shù)用小角度代替） ar 代表一定誤差下對幅度的要求；代表一定誤差下對幅度的要求；（二項式展開舍去高次項）（二項式展開舍去高次項） 近似于圓形或方形活塞近似于圓形或方形活塞 r面積面積/

8、/波長波長 r最大線度尺寸最大線度尺寸最大線度尺寸最大線度尺寸L L對于其他情況對于其他情況聲場誤差小于聲場誤差小于0.5dB0.5dBrrL2/（2 2）等效聲中心的確定）等效聲中心的確定問題的提出問題的提出d0ddpdd0ddpdddpdd0000000A/PdA/P2A/P1d1d2do p pd d遠(yuǎn)場中某處聲壓；遠(yuǎn)場中某處聲壓； d d以參考點為起點的測量距離；以參考點為起點的測量距離；dd參考點與實際聲中心的偏差。參考點與實際聲中心的偏差。確定方法 Od二、脈沖聲技術(shù)二、脈沖聲技術(shù)1 1、原理、原理2 2、實現(xiàn)方法、實現(xiàn)方法1 1、原理、原理 利用利用正弦填充矩形脈沖信號正弦填充矩

9、形脈沖信號或不同于連續(xù)單頻或不同于連續(xù)單頻信號的信號的短促脈沖信號短促脈沖信號激勵發(fā)射換能器，并控制接收激勵發(fā)射換能器，并控制接收系統(tǒng)使其只在脈沖聲信號從發(fā)射器系統(tǒng)使其只在脈沖聲信號從發(fā)射器直達(dá)直達(dá)水聽器的那水聽器的那一段一段時間內(nèi)接收和測量時間內(nèi)接收和測量（直達(dá)信號），而在此段時（直達(dá)信號），而在此段時間間之前之前到達(dá)的到達(dá)的脈沖電信號脈沖電信號（電串漏信號）或此段時（電串漏信號）或此段時間間之后之后到達(dá)的到達(dá)的脈沖聲信號脈沖聲信號（反射信號）將被接收系（反射信號）將被接收系統(tǒng)統(tǒng)拒絕接收拒絕接收，這樣即可將被測有用信號與不希望的，這樣即可將被測有用信號與不希望的噪聲信號在噪聲信號在時域上分離

10、時域上分離開來，從而形成時間域上的開來，從而形成時間域上的自由場。自由場。 （1 1）電串漏信號：）電串漏信號： 電或電磁的信號，經(jīng)非聲學(xué)途徑傳播，是發(fā)電或電磁的信號，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 電耦合所至，可能是接地電耦合所至，可能是接地線不妥當(dāng)或水聽器屏蔽不好。線不妥當(dāng)或水聽器屏蔽不好。（2 2）直達(dá)信號：）直達(dá)信號： 經(jīng)聲傳播時間延遲后到達(dá)，由于電子設(shè)備和經(jīng)聲傳播時間延遲后到達(dá)，由于電子設(shè)備和換能器濾波特性，致使直達(dá)脈沖信號形狀產(chǎn)生畸換能器濾波特性，致使直達(dá)脈沖信號形狀產(chǎn)生畸變。變。（3 3）反射信號：）反射信號： 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)。工作原理工作原理ttttt221dHdc221dBdc1Ldc2 2、實現(xiàn)方法、實現(xiàn)方法 （1 1）脈沖寬度（）脈沖寬度（）的選擇）的選擇 2dc（）換能器尺寸大于聲波長時，避免換能器之間的反射）換能器尺寸大于聲波長時，避免換能器之間的反射影響影響0fQ（）為與連續(xù)信號測量相比擬，使換能器達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件）為與連續(xù)信號測量相比擬，使換能器達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件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)射換能器的諧振頻率。發(fā)射換能器的諧振頻率。（）為保證聲信號不發(fā)生畸變，測試設(shè)