聲波在目標(biāo)上的反射和散射.ppt

1、聲波在目標(biāo)上的反射和散射,目標(biāo)回波：聲波在傳播途中遇到障礙物時產(chǎn)生散射聲波中，返回聲源方向那部分聲波。 目標(biāo)回波是散射波的一部分，是入射波與目標(biāo)相互作用產(chǎn)生的，它攜帶目標(biāo)的某些特征信息 。 測量回波信號分析處理提取目標(biāo)特征（先驗(yàn)知識）目標(biāo)檢測和識別。 回顧 大目標(biāo)：目標(biāo)前方次級聲波反射波；目標(biāo)后方次級聲波繞射波。 小目標(biāo)：向空間各方向輻射次級聲波散射波。 與波長相當(dāng)目標(biāo)：反射、繞射、散射均起作用。 在聲學(xué)中，近場次級聲波衍射波；遠(yuǎn)場次級聲波散射波。在這里，統(tǒng)稱為散射波。,5.5 目標(biāo)回波,5.5 目標(biāo)回波,回波信號的形成 目標(biāo)鏡反射 鏡反射是幾何反射過程，服從反射定律。曲率半徑大于波長的目標(biāo)，

2、回波基本由鏡反射過程產(chǎn)生，與垂直入射點(diǎn)相鄰的目標(biāo)表面產(chǎn)生相干反射回聲。 目標(biāo)散射 目標(biāo)表面不規(guī)則性，如棱角、邊緣和小凸起物，其曲率半徑小于波長，回波由散射過程產(chǎn)生。,5.5 目標(biāo)回波,回波信號的形成,5.5 目標(biāo)回波,回波信號的形成,5.5 目標(biāo)回波,回波信號的形成 目標(biāo)再輻射 一般聲納目標(biāo)為彈性物體，在入射聲波的激勵下，目標(biāo)某些固有振動模式被激發(fā)，向周圍介質(zhì)輻射聲波，它是目標(biāo)回聲組成部分，稱為非鏡反射回波。 它與目標(biāo)力學(xué)參數(shù)、狀態(tài)以及與入射聲波相對位置等因素有關(guān)。如下圖所示，窄平面波脈沖入射到鋁球上接收到的回波脈沖串。,5.5 目標(biāo)回波,回波信號的形成 回音廊式回聲（環(huán)繞波） 聲波入射到A點(diǎn)

3、除產(chǎn)生鏡反射波外，還有折射波投射到目標(biāo)內(nèi)部。折射波在目標(biāo)內(nèi)部傳播，在B、C、上同樣產(chǎn)生反射和折射，到達(dá)G點(diǎn)時，折射波恰好在返回聲源的方向上，它是回波的一部分。,5.5 目標(biāo)回波,回波信號的形成,彈性散射波圓柱傾斜入射時彈性散射波（湯渭霖、陳德智首先發(fā)現(xiàn)）,5.5 目標(biāo)回波,回波信號的形成,彈性散射波圓柱斜入射螺旋環(huán)繞波（鮑小玲首先發(fā)現(xiàn)）,5.5 目標(biāo)回波,回波信號的形成,彈性散射波的作用高分辨率聲吶的有限長圓柱聲圖像,5.6 剛性球體的散射聲場,回波信號的一般特征 回波與入射波的差異 多普勒頻移 運(yùn)動目標(biāo)回波頻率和入射波產(chǎn)生差異，這種差異的大小 與入射波頻率 f 及目標(biāo)與聲源之間距離變化率V有

4、關(guān)，滿足如下關(guān)系： 式中，c是海水中的聲速?？梢怨烙?jì)目標(biāo)的速度。,目標(biāo)接近聲源時，取正號；目標(biāo)遠(yuǎn)離聲源時，取負(fù)號。舉例：聲納工作頻率10 kHz，聲源以10節(jié)（5 .15m/s）的相對速度趨近目標(biāo)時，回波頻移為69Hz 。,5.5 目標(biāo)回波, 脈沖展寬 目標(biāo)回聲是由整個目標(biāo)表面上的反射體和散射體產(chǎn)生，整個物體表面都對回波有貢獻(xiàn)。由于傳播路徑不同，目標(biāo)表面不同部分產(chǎn)生回波到達(dá)接收點(diǎn)在時間上有先有后，加寬了回聲信號的脈沖寬度。,平面波以掠射角入射到長為L的目標(biāo)上，在收發(fā)合置條件下，回波脈沖將比入射脈沖展寬：,在窄脈沖入射下，目標(biāo)為許多散射體組成復(fù)雜目標(biāo)，回聲脈沖展寬明顯；若回聲主要過程是鏡反射，回

5、聲脈沖展寬可以忽略。舉例：潛艇目標(biāo)，在正橫方向，回波展寬僅為10ms，在首尾方位，回波展寬為100ms。,5.5 目標(biāo)回波, 包絡(luò)不規(guī)則性 回聲包絡(luò)是不規(guī)則的，特別當(dāng)鏡反射不起主要作用時更是如此。 原因：目標(biāo)上各散射體的散射波互相迭加干涉引起的。另外，在目標(biāo)回聲中，還可能有個別的亮點(diǎn)，是由目標(biāo)上某些部位的產(chǎn)生鏡反射引起的。例如，潛艇的指揮臺，幾何亮點(diǎn)和彈性亮點(diǎn)。 調(diào)制效應(yīng) 產(chǎn)生原因： 螺旋槳旋轉(zhuǎn)引起目標(biāo)的散射截面產(chǎn)生周期性變化，引起回聲幅度周期性變化。 運(yùn)動船體與其尾流產(chǎn)生的兩種回波干涉引起的調(diào)制效應(yīng)。,5.6 剛性球體散射聲場,上節(jié)講述通過實(shí)驗(yàn)測量聲納目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度值； 本節(jié)講述通過理論計(jì)算

6、目標(biāo)強(qiáng)度值及其物理特性。 常見聲納目標(biāo)幾何形狀基本接近于球形或柱形，將其視為球體或圓柱體，簡化數(shù)學(xué)運(yùn)算，結(jié)果也適用于實(shí)際聲納目標(biāo)。 剛性不動球體物理含義： 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，激不起球內(nèi)部運(yùn)動； 不動：球體不參與周圍流體介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動。,5.6 剛性球體散射聲場,取坐標(biāo)系的原點(diǎn)和剛性球的球心重合，并取x軸與入射平面波的傳播方向一致，設(shè)剛性球的半徑為a。入射平面波聲壓為：,為書寫方便，將時間因子 省略。,設(shè)散射波聲壓為 ，它滿足波動方程：,5.6 剛性球體散射聲場,考慮入射波對x軸對稱性，散射波也關(guān)于x軸對稱，則它與變量 無關(guān)，則：,利用分離變量法，有：,根

7、據(jù)勒讓德方程的解有：,根據(jù)貝塞爾方程的解有：,根據(jù)輻射條件,5.6 剛性球體散射聲場,散射波聲壓的解為：,待定常數(shù)，由邊界條件確定,對于剛性球體有：,為了確定待定系數(shù) ，需要將入射波展開：,5.6 剛性球體散射聲場,根據(jù)邊界條件，可確定待定系數(shù) ：,對于散射波的遠(yuǎn)場，利用球漢克爾函數(shù)在大宗量條件下近似展開：,散射波聲壓表達(dá)式為：,5.6 剛性球體散射聲場,遠(yuǎn)場散射波聲壓為：,遠(yuǎn)場散射波聲壓為：,記：,5.6 剛性球體散射聲場,在低頻，球前向散射較均勻，隨頻率增大，指向性變得復(fù)雜；低頻時，剛球背面散射波很弱，隨著頻率的增加，背部散射波逐漸增強(qiáng)。 剛球遠(yuǎn)場散射波強(qiáng)度：,散射波振幅正比于入射波振幅；

8、散射波是各階球面波的迭加，具有球面波的某些特征，如振幅隨距離的衰減；散射波具有明顯的指向性。,剛性不動球的目標(biāo)強(qiáng)度表達(dá)式,5.7 彈性物體散射聲場及其特性,常見聲納目標(biāo)是由金屬材料制成的，均為彈性體； 對于彈性體，入射聲波能透入物體內(nèi)部，并激發(fā)內(nèi)部聲場。 彈性球體散射波強(qiáng)度隨頻率變化出現(xiàn)極大、極小變化；剛性球體散射波強(qiáng)度不存在明顯的頻率效應(yīng)。 研究剛性物體與彈性物體差別，有助于聲納目標(biāo)的檢測和識別。,5.7 彈性物體散射聲場及其特性,彈性球體的聲散射,考慮點(diǎn)聲源置于S處，它距球心的距離為r0，空間任意點(diǎn)P處入射聲場為：,將球坐標(biāo)系原點(diǎn)置于球心處，則：,5.7 彈性物體散射聲場及其特性,彈性球體

9、的聲散射,5.7 彈性物體散射聲場及其特性,彈性球體的聲散射,入射聲波表達(dá)式為：,在遠(yuǎn)場條件下，則有：,沿x軸入射平面波球函數(shù)展開式,5.7 彈性物體散射聲場及其特性,彈性球體的聲散射,彈性球體散射聲場表達(dá)式為：,考慮收發(fā)合置情況下的回波：,切向應(yīng)力為零 法向應(yīng)力連續(xù),5.7 彈性物體散射聲場及其特性,彈性球體的聲散射,遠(yuǎn)場條件下回波表達(dá)式為：,彈性球體散射聲場比剛性球體復(fù)雜，與球體組成材料的彈性參數(shù)有關(guān)。,5.7 彈性物體散射聲場及其特性,彈性球體的聲散射,上世紀(jì)60年代，Hickling引入形態(tài)函數(shù)來討論散射聲場與頻率的關(guān)系，彈性球的形態(tài)函數(shù)定義為：,散射聲場為：,5.7 彈性物體散射聲場

10、及其特性,結(jié)論：彈性球（鋼球和鋁球）形態(tài)函數(shù)隨頻率有極大、極小變化；剛性球形態(tài)函數(shù)在低頻段起伏振蕩，隨著頻率的增高，逐漸趨于1；聲學(xué)軟球形態(tài)函數(shù)在很低頻段大于1，隨著頻率的增加很快降至1 。,5.7 彈性物體散射聲場及其特性,彈性物體散射聲場的一般特征,具有明顯頻率特性 （1）寬脈沖入射信號 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。 （2）窄脈沖入射信號 回波為一脈沖串，每個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。,5.7 彈性物體散射聲場及其特性,彈性物體散射聲場的一般特征,以彈性球?yàn)槔f明回波強(qiáng)度隨頻率急劇起伏的原因： 設(shè)入射波頻譜為 ，則有：,回波可表示

11、為,5.7 彈性物體散射聲場及其特性,彈性物體散射聲場的一般特征,5.7 彈性物體散射聲場及其特性,彈性物體散射聲場的一般特征,“非鏡”反射效應(yīng) Finney在實(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)，對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”。 進(jìn)一步研究表明，當(dāng)聲波入射角滿足如下關(guān)系：,也同樣發(fā)生非鏡反射。,水中聲速,板中彎曲波波速,板中縱波波速,5.7 彈性物體散射聲場及其特性,殼體目標(biāo)上的回波信號,穩(wěn)定回波信號 殼體目標(biāo)的形態(tài)函數(shù) 隨ka值的變化比實(shí)心球更為劇烈，也具有空間指向性特性。 短脈沖入射回波信號 脈沖寬度大小對回聲脈沖結(jié)構(gòu)有明顯影響；

12、當(dāng) 時，脈沖中心頻率稍有變化，回波脈沖結(jié)構(gòu)改變不明顯； 當(dāng) 時，脈沖中心頻率細(xì)微變化，回波脈沖結(jié)構(gòu)改變明顯； 在短脈沖入射時，殼體目標(biāo)回波由一串脈沖構(gòu)成，第一個回波脈沖為殼面的鏡反射回波。 原因： 波形與入射脈沖波形相同； 傳播時間恰好等于聲信號從聲源傳到殼面上鏡反射點(diǎn)所需的時間。,5.8 用Helmholtz積分方法求解散射聲場,分離變量法求解散射聲場： 形狀規(guī)則物體（正交曲線坐標(biāo)）邊界條件簡單（硬或軟邊界）嚴(yán)格解析解 赫姆霍茨積分方法求解散射聲場： 形狀不規(guī)則物體邊界條件復(fù)雜數(shù)值解（數(shù)值積分方法）,5.8 用Helmholtz積分方法求解散射聲場,赫姆霍茨積分解,設(shè)物體位于無限聲場中，物體

13、外表面為封閉曲面S，它外法線方向?yàn)閚；點(diǎn)源位于點(diǎn)A，計(jì)算聲場中點(diǎn)B散射聲場。則由赫姆霍茨積分公式得散射聲場解：,散射聲場勢函數(shù),5.8 用Helmholtz積分方法求解散射聲場,赫姆霍茨積分解,利用邊界條件，將被積函數(shù)中未知量用已知量表示。設(shè)物體表面S是剛性的，則：,入射波勢函數(shù),考慮遠(yuǎn)場條件 ，則：,5.8 用Helmholtz積分方法求解散射聲場,赫姆霍茨積分解,作為近似，在剛性物體表面上散射聲場等于入射聲場，則 ：,同理， ，有：,5.8 用Helmholtz積分方法求解散射聲場,赫姆霍茨積分解,代入散射聲場積分公式：,如果考慮反向散射（收發(fā)合置）：,剛性物體散射聲場積分解。,5.8 用

14、Helmholtz積分方法求解散射聲場,費(fèi)涅爾半波帶近似法,赫姆霍茨積分解需要知道物體表面曲面方程，運(yùn)算繁瑣。下面討論費(fèi)涅爾半波帶方法，它是一種近似，簡化運(yùn)算量。,赫姆霍茨積分解物理意義： 物體表面上各點(diǎn)在入射聲波的激勵下，作為次級聲源輻射次級聲波，它們在接收點(diǎn)迭加成為散射聲波，次級聲波的相位為 ，即聲波往返路程。,5.8 用Helmholtz積分方法求解散射聲場,費(fèi)涅爾半波帶近似法,費(fèi)涅爾半波帶方法： 考慮收發(fā)合置情況，它位于B點(diǎn)，設(shè)物體表面距B點(diǎn)最近的點(diǎn)為C，距離為r0。以B點(diǎn)為球心，以r0半徑，它與物體相切于點(diǎn)C，然后半徑每次增加1/4波長，將物體表面分割成許多環(huán)帶，稱為費(fèi)涅爾半波帶。相

15、鄰半波帶的散射波在B點(diǎn)聲程差為 ，相位相差 。,5.8 用Helmholtz積分方法求解散射聲場,費(fèi)涅爾半波帶近似法,第i半波帶散射聲場為：,若物體表面上共分為N波帶，則總散射聲場為：,當(dāng)物體比波長大很多，且物體曲率半徑較大，則N很大，相鄰波帶的 變化不大，面積也很接近。,5.8 用Helmholtz積分方法求解散射聲場,費(fèi)涅爾半波帶近似法,第i波帶產(chǎn)生的反射聲波絕對值等于相鄰兩個波帶散射波絕對值的平均值：,則總散射聲場為：,散射聲場等于第一個和最后一個費(fèi)涅爾半波帶所產(chǎn)生的散射聲場之和的一半。,5.8 用Helmholtz積分方法求解散射聲場,費(fèi)涅爾半波帶近似法,當(dāng)物體很大時，最后一個費(fèi)涅爾帶

16、有：,而第一個費(fèi)涅爾波帶有：,費(fèi)涅爾半波帶近似法得到的散射波表達(dá)式為：,1一般在實(shí)驗(yàn)室水池中測量水下目標(biāo)目標(biāo)強(qiáng)度方法有哪些？實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)注意哪些事項(xiàng)？ 2在非消聲水池中測量目標(biāo)回聲信號時，應(yīng)注意些什么？設(shè)目標(biāo)強(qiáng)度TS0的目標(biāo)在入射聲波照射下產(chǎn)生的回聲強(qiáng)度為Ir0，若其余條件不變，將目標(biāo)強(qiáng)度未知的目標(biāo)替代原目標(biāo)，測得回波強(qiáng)度為Ir，求該目標(biāo)TS值。,作業(yè),3簡述實(shí)驗(yàn)測量水下物體目標(biāo)強(qiáng)度（TS值）的“應(yīng)答器法”，給出有關(guān)計(jì)算式，測量中應(yīng)注意哪些問題才能保證測量的準(zhǔn)確？若直接測量法布置為：在開闊水域，點(diǎn)聲源輻射器，無指向性接收器和被測物體依次排列，間距分別為R1，R2；（R2d2/；d：被測物體最大線度；：聲波波長）。接收器接收的點(diǎn)聲源輻射聲壓幅值為