華北理工水聲學(xué)課件06海洋中的混響-1海水中氣泡的聲學(xué)特性、海面混響

第6章海洋中的混響第十七講海水中氣泡的聲學(xué)特性、海面混響

2本講主要內(nèi)容海水中氣泡的聲學(xué)特性海面表層內(nèi)的空氣泡小氣泡對聲波的吸收作用小氣泡的共振頻率單個(gè)氣泡的散射截面、吸收截面和消聲界面衰減系數(shù)含氣泡水介質(zhì)中的聲速海面混響海面散射的理論處理3本講主要內(nèi)容海面混響海面散射強(qiáng)度關(guān)于海面散射的理論4海水中氣泡的聲學(xué)特性海面表層內(nèi)的空氣泡海面的不平整性及波浪產(chǎn)生的小氣泡對聲波的散射形成海面混響海面混響的特性與水中氣泡的聲學(xué)特性密切相關(guān)小氣泡對聲波的吸收作用小氣泡不屬于吸聲材料；小氣泡群的吸收和散射作用使得聲波通過這種氣泡群后會(huì)產(chǎn)生很大衰減。衰減的原因1）氣泡散射—?dú)馀莸拇嬖谑菇橘|(zhì)出現(xiàn)不連續(xù)性；5海水中氣泡的聲學(xué)特性小氣泡對聲波的吸收作用衰減的原因2）氣泡再輻射——在入射聲波作用下，氣泡作受迫振動(dòng)，向周圍介質(zhì)輻射聲能；3）氣泡熱傳導(dǎo)——?dú)馀莸膲嚎s、膨脹產(chǎn)生熱傳導(dǎo)；流體粘滯作用——水介質(zhì)與氣泡的磨擦產(chǎn)生熱能。結(jié)論：氣泡對聲波的衰減來自氣泡的吸收作用和散射作用

6海水中氣泡的聲學(xué)特性小氣泡的共振頻率小氣泡類似于諧振腔，在聲波的作用下，其振動(dòng)機(jī)理類比電路如下：等效彈性系數(shù)—共振質(zhì)量—輻射聲阻—總壓力—7海水中氣泡的聲學(xué)特性小氣泡的共振頻率其中，

為氣泡半徑；

為氣泡的表面積；

為小氣泡的體積；

為作用氣泡的壓力；是氣體等壓比熱和等容比熱的比值，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，由上圖可知小氣泡作受迫振動(dòng)時(shí)的等效機(jī)械阻抗：氣泡的共振頻率：8海水中氣泡的聲學(xué)特性小氣泡的共振頻率例：對于水中的氣泡，取，空氣的設(shè)氣泡在水面附近，則為1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，據(jù)此可得諧振頻率：單位：kHz，a的單位為cm。結(jié)論1）半徑在（0.1~0.01）cm數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)的氣泡的共振頻率為（3.3~33）kHz，而聲納的工作頻率恰好在此范圍，所以該半徑范圍的氣泡對聲納工作影響最大。9海水中氣泡的聲學(xué)特性小氣泡的共振頻率結(jié)論

2）海水中壓力P0與海水深度d有關(guān)，則深度d處的空氣泡的共振頻率為單位：kHz，a的單位為cm；d的單位為m。單個(gè)氣泡的散射截面、吸收截面和消聲截面根據(jù)機(jī)電類比，小氣泡的散射功率就是消耗在電阻上的功率：10海水中氣泡的聲學(xué)特性單個(gè)氣泡的散射截面、吸收截面和消聲截面

式中，是入射聲的強(qiáng)度。定義散射截面，則單個(gè)氣泡的散射截面：11海水中氣泡的聲學(xué)特性單個(gè)氣泡的散射截面、吸收截面和消聲截面以上兩式表明：聲波頻率與散射功率、散射截面有關(guān)；當(dāng)時(shí)，氣泡處于共振狀態(tài)，散射功率、散射截面達(dá)到最大，分別為：單個(gè)氣泡的的消聲截面＝散射截面＋吸收截面（因?yàn)闅馀莸南曌饔檬怯缮⑸渥饔煤臀兆饔脴?gòu)成）。

12海水中氣泡的聲學(xué)特性衰減系數(shù)定義：平面聲波在含氣泡水中傳播時(shí)的聲強(qiáng)度衰減式中，和分別為聲波傳播方向上相距單位距離的兩點(diǎn)聲強(qiáng)。設(shè)每個(gè)氣泡的消聲截面為，每水介質(zhì)中含有

個(gè)共振氣泡，則衰減系數(shù)為：

dB/m

注意：上式忽略氣泡間的多次散射，僅適用于氣泡濃度不大的情況。13海水中氣泡的聲學(xué)特性含氣泡水介質(zhì)中的聲速含氣泡水中的聲速與氣泡含量、聲波頻率有關(guān)；當(dāng)聲波頻率低于氣泡共振頻率，氣泡的存在使聲速明顯減??；相反，當(dāng)聲波頻率遠(yuǎn)高于共振頻率，氣泡對聲速不產(chǎn)生明顯影響；若聲波頻率就在共振頻率附近，則隨著頻率的變化，聲速發(fā)生劇烈改變。

14海面混響海面混響的理論處理設(shè)收發(fā)合置換能器位于O點(diǎn)，離海面散射層的距離為；收發(fā)換能器指向性分別為、聲源在散射層上的投影點(diǎn)到圓環(huán)內(nèi)側(cè)距離為聲源到圓環(huán)內(nèi)側(cè)的斜距為。

15海面混響海面混響的理論處理海面對混響有貢獻(xiàn)的區(qū)域是厚度為H，寬為的球臺(tái)狀圓環(huán)，如圖所示。對于海面混響，也可以像體積混響一樣來推導(dǎo)等效平面波混響級(jí)表達(dá)式，不同的是積分體積改變了，散射強(qiáng)度采用界面散射強(qiáng)度

。

16海面混響海面混響的理論處理類似體積混響的理論處理，對混響有貢獻(xiàn)的散射聲強(qiáng)：

提示：只有工作在近海面的聲納才可能受到海面混響的嚴(yán)重干擾，因此可假設(shè)，，，在上述假設(shè)條件下，收發(fā)換能器垂直指向性不起作用，只有水平指向性才起作用，這樣散射面近似在平面內(nèi)，所以有：17海面混響海面混響的理論處理則散射聲強(qiáng)為：

同體積混響一樣，用一個(gè)理想指向性替代發(fā)-收組合指向性束寬：最終，散射聲強(qiáng)為：18海面混響海面混響的理論處理特點(diǎn)1）散射聲強(qiáng)度正比于發(fā)射聲強(qiáng)、發(fā)射聲信號(hào)脈沖寬度、發(fā)-收換能器組合指向性束角；2）與距離的三次方成反比，即隨時(shí)間的三次方衰減。海面混響的等效平面波混響級(jí)表達(dá)式：19海面混響海面混響的理論處理海面混響等效平面波混響級(jí)1）若散射層內(nèi)是均勻的，則恰好就是界面散射強(qiáng)度；則海面混響的等效平面波混響級(jí)表達(dá)式：2）若散射層內(nèi)是不均勻的，則20海面混響海面散射強(qiáng)度計(jì)算海面混響的RL，必須知道，因此，對海面混響的研究實(shí)際是對的研究。海上測量結(jié)果表明：海面散射強(qiáng)度與掠射角、工作頻率和海面上風(fēng)速有關(guān)，見右圖（60kHz）。海面散射強(qiáng)度與掠射角、風(fēng)速的關(guān)系分成三個(gè)區(qū)域：21海面混響海面散射強(qiáng)度與掠射角關(guān)系1）掠射角小于300，散射強(qiáng)度幾乎不隨掠射角而變，但隨風(fēng)速增加而增加。原因：氣泡散射，氣泡密度變大。2）掠射角在300~700范圍，散射強(qiáng)度值隨風(fēng)速的增長逐漸變慢。原因：海表面的反向散射是主要原因。3）掠射角在700~900范圍，尤其是在接近正投射情況下，散射強(qiáng)度值反而隨風(fēng)速增加而減小。22海面混響海面散射強(qiáng)度與掠射角關(guān)系3）原因：鏡反射減小，海面破碎程度嚴(yán)重。結(jié)論：在不同掠射角范圍內(nèi)，海面混響產(chǎn)生機(jī)理有所不同。與頻率關(guān)系1）小掠射角角度時(shí)，散射強(qiáng)度為3dB/倍頻程關(guān)系；2）垂直入射時(shí)，此關(guān)系不明顯。23海面混響海面散射強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式Chapman和Harris等人得到了計(jì)算海面反向散射強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)公式（風(fēng)速：0~30節(jié)，頻率：0.4kHz~6.4kHz）關(guān)于海面散射的理論Echart理論將海面看作隨機(jī)不平整表面，混響為海面上次級(jí)輻射聲源的貢獻(xiàn)和