水聲學(xué)-聲波在目標(biāo)上的反射和散射2課件

第六章聲波在目標(biāo)上的反射和散射第十七講剛性和彈性球體的聲散射1CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU本講主要內(nèi)容剛性球體的散射聲場(chǎng)剛性不動(dòng)球體的聲散射剛性不動(dòng)微小球粒子對(duì)平面波的散射聲波在彈性物體上的散射平面聲波在彈性球體上的散射球面聲波在彈性球體上的散射彈性物體散射聲場(chǎng)的一般特征2CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU一、剛性球體的散射聲場(chǎng)剛性不動(dòng)球體的聲散射目標(biāo)強(qiáng)度值通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量獲得通過(guò)理論計(jì)算獲得提示：常見(jiàn)聲納目標(biāo)的幾何形狀基本接近于球形或柱形。剛性：在入射聲波作用下球體不發(fā)生變形，聲波透不到球體內(nèi)部，激不起球體內(nèi)部運(yùn)動(dòng)。不動(dòng)：球體不參與周圍流體介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。3CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU剛性不動(dòng)球體的聲散射散射場(chǎng)計(jì)算取入射平面波聲壓為：設(shè)散射波聲壓為，它滿足波動(dòng)方程：一、剛性球體的散射聲場(chǎng)5CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU剛性不動(dòng)球體的聲散射散射場(chǎng)計(jì)算由于入射聲波關(guān)于

軸對(duì)稱，散射波也關(guān)于

軸對(duì)稱，則有：利用分離變量法，設(shè)：一、剛性球體的散射聲場(chǎng)6CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU剛性不動(dòng)球體的聲散射散射場(chǎng)計(jì)算應(yīng)用分離變量法，波動(dòng)方程可化為：提示：上式為球貝塞爾方程，下式為勒讓德方程，其解的形式都已知。一、剛性球體的散射聲場(chǎng)7CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU剛性不動(dòng)球體的聲散射散射場(chǎng)計(jì)算散射波聲壓：?jiǎn)栴}：常數(shù)的確定（根據(jù)邊界條件）剛性球體邊界條件：一、剛性球體的散射聲場(chǎng)9CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU剛性不動(dòng)球體的聲散射散射場(chǎng)計(jì)算分析：散射場(chǎng)聲壓為貝塞爾函數(shù)和勒讓德函數(shù)的級(jí)數(shù)和形式，固將入射波聲壓展開(kāi)為相同的形式。待定系數(shù)：散射波聲壓：一、剛性球體的散射聲場(chǎng)10CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU剛性不動(dòng)球體的聲散射散射場(chǎng)計(jì)算遠(yuǎn)場(chǎng)散射波聲壓：，其中：一、剛性球體的散射聲場(chǎng)11CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU剛性不動(dòng)球體的聲散射剛球遠(yuǎn)場(chǎng)散射波強(qiáng)度：剛球目標(biāo)強(qiáng)度(收發(fā)合置)：一、剛性球體的散射聲場(chǎng)13CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU剛性不動(dòng)微小球粒子對(duì)平面波的散射微小粒子：是指，即或頻率甚低或者粒子半徑極小。提示：微小粒子的散射波聲壓依然可以應(yīng)用上述剛性不動(dòng)球體的散射場(chǎng)聲壓表示。在條件下，求和項(xiàng)中只有前兩項(xiàng)起主要作用，微小粒子的散射波聲壓：一、剛性球體的散射聲場(chǎng)14CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU剛性不動(dòng)微小球粒子對(duì)平面波的散射散射波聲壓：散射波聲強(qiáng)：目標(biāo)強(qiáng)度(收發(fā)合置)：：具有明顯的指向性和強(qiáng)烈的頻率特性。一、剛性球體的散射聲場(chǎng)15CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU二、聲波在彈性物體上的散射平面聲波在彈性球體上的散射散射場(chǎng)計(jì)算與剛性球體的散射場(chǎng)計(jì)算過(guò)程作對(duì)比：1）相同點(diǎn)：散射波聲壓滿足相同的波動(dòng)方程，解法相同，形式解相同2）不同點(diǎn)：邊界條件不同邊界條件：

1）法向應(yīng)力連續(xù)

2）法向位移連續(xù)或法向質(zhì)點(diǎn)振速連續(xù)

3）切向應(yīng)力為零17CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU二、聲波在彈性物體上的散射平面聲波在彈性球體上的散射散射場(chǎng)計(jì)算彈性球體散射波聲壓：18CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU球面聲波在彈性球體上的散射散射場(chǎng)計(jì)算考慮點(diǎn)聲源置于S處，它距球心的距離為，空間任意點(diǎn)P處入射聲場(chǎng)為：二、聲波在彈性物體上的散射19CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU球面聲波在彈性球體上的散射散射場(chǎng)計(jì)算收發(fā)合置情況下的回波：遠(yuǎn)場(chǎng)條件下的回波表達(dá)式：形態(tài)函數(shù)：二、聲波在彈性物體上的散射21CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU球面聲波在彈性球體上的散射散射場(chǎng)計(jì)算形態(tài)函數(shù)：為水中波數(shù)；、為縱波和橫波波數(shù)。1）結(jié)論：彈性球體散射聲場(chǎng)比剛性球體復(fù)雜，與球體組成材料的彈性參數(shù)有關(guān)。

2）形態(tài)函數(shù)是Hickling在上世紀(jì)60年代引入來(lái)討論散射聲場(chǎng)與頻率的關(guān)系的。散射聲場(chǎng)：二、聲波在彈性物體上的散射22CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU二、聲波在彈性物體上的散射球面聲波在彈性球體上的散射形態(tài)函數(shù)比較剛性球、聲學(xué)軟球、鋼球和鋁球：23CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU二、聲波在彈性物體上的散射彈性物體散射聲場(chǎng)的一般特征頻率特性：寬脈沖入射：散射強(qiáng)度隨頻率作極大、極小急劇變化，回波波形產(chǎn)生嚴(yán)重畸變。窄脈沖入射：回波為一脈沖串，每個(gè)脈沖之間的間隔基本相等，脈沖幅度逐漸衰減，波形基本不變。上述現(xiàn)象的解釋：

1）回波來(lái)自物體表面的散射波、透入物體內(nèi)部經(jīng)內(nèi)表面反射、透射到達(dá)的波，入射波激勵(lì)下的再輻射波；25CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU二、聲波在彈性物體上的散射彈性物體散射聲場(chǎng)的一般特征頻率特性：上述現(xiàn)象的解釋：

2）長(zhǎng)脈沖時(shí)，水聽(tīng)器可在同一時(shí)刻接收上述各種波迭加而成，它們經(jīng)由不同途徑到達(dá)接收點(diǎn)（相位不同），迭加結(jié)果使得回波波形產(chǎn)生嚴(yán)重畸變；

3）短脈沖時(shí)，上述各種波不會(huì)在同一時(shí)刻到達(dá)接收點(diǎn)，所以接收到的是一個(gè)脈沖串。由于各個(gè)脈沖到達(dá)接收點(diǎn)的時(shí)間不同，它們之間不會(huì)發(fā)生干涉迭加，不產(chǎn)生大的畸變。26CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU彈性物體散射聲場(chǎng)的一般特征非鏡反射效應(yīng)：

1）Finney在實(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于浸在水中彈性薄板，在聲波入射角滿足如下關(guān)系：在入射方向上有強(qiáng)烈反射，它不滿足鏡反射規(guī)律，稱為“非鏡反射”。為板中彎曲波(反對(duì)稱蘭姆波)速度2）當(dāng)聲波入射角滿足如下關(guān)系時(shí)也發(fā)生非鏡反射，為板中縱波速度。二、聲波在彈性物體上的散射29CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU