水声学-典型条件下的声场课件

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1、水声学-典型条件下的声场1第五章第五章 典型传播条件下的声场典型传播条件下的声场第十一讲第十一讲 邻近海面的水下点源声场及表面声道邻近海面的水下点源声场及表面声道水声学-典型条件下的声场2本讲主要内容本讲主要内容 n第四章小结第四章小结n邻近海面的水下点源声场邻近海面的水下点源声场n表面声道声线参数表面声道声线参数水声学-典型条件下的声场30、第四章小结、第四章小结n定解条件定解条件q第一类齐次边界条件（第一类齐次边界条件（绝对软绝对软）q第二类齐次边界条件（第二类齐次边界条件（绝对硬绝对硬）q边界上密度或声速的有限间断（边界上密度或声速的有限间断（压力和法向振速连续压力和法向振速连续）n波动

2、声学波动声学q简正波临界频率简正波临界频率q波导截止频率波导截止频率q简正波的特征简正波的特征q简正波相速度简正波相速度q简正波群速度简正波群速度水声学-典型条件下的声场40、第四章小结、第四章小结n射线声学射线声学q基本物理量的描述基本物理量的描述n射线声学射线声学n声线、声线的传播时间、传播距离、声能量声线、声线的传播时间、传播距离、声能量n平面波、球面波的声线图平面波、球面波的声线图q程函方程程函方程q声线声学的应用条件声线声学的应用条件qSnell折射定律折射定律q恒定声速梯度下声线轨迹方程求解恒定声速梯度下声线轨迹方程求解n一般采用曲率半径，结合平面几何的方法一般采用曲率半径，结合平

3、面几何的方法水声学-典型条件下的声场50、第四章小结、第四章小结n射线声学射线声学q恒定声速梯度下声线水平传播距离求解恒定声速梯度下声线水平传播距离求解q曲率半径和平面几何法曲率半径和平面几何法q已知掠射角时的传播距离公式已知掠射角时的传播距离公式q已知深度时的传播距离公式已知深度时的传播距离公式q声线图绘制声线图绘制q聚焦因子物理意义聚焦因子物理意义水声学-典型条件下的声场6一、邻近海面的水下点源声场一、邻近海面的水下点源声场n解的表示解的表示 靠近海面有一点源在靠近海面有一点源在S点，接收点在点，接收点在P点，求接收点点，求接收点P处的声压。将海面视为绝对软的平面，根据镜反射原理处的声压。

4、将海面视为绝对软的平面，根据镜反射原理引入一个虚源引入一个虚源S1水声学-典型条件下的声场7n解的表示解的表示 ：这里利用平面声波的反射系数代替球面波的反射系这里利用平面声波的反射系数代替球面波的反射系 数，对于平整海面来说是正确的。数，对于平整海面来说是正确的。q声压振幅随距离的变化声压振幅随距离的变化212111jkRjkReReRp21221212121RzzRzRzzRR21221212221RzzRzRzzRRnznnzz!) 1() 1(1)1 (一、邻近海面的水下点源声场一、邻近海面的水下点源声场水声学-典型条件下的声场8n解的表示解的表示q声压振幅随距离的变化声压振幅随距离的变

5、化则：则：声压振幅近似为：声压振幅近似为：RzjjkRRjkzzRjkzzeeeRzzRzeRzzRzRp22122121221211121211jkReRzzkjRzzkRzzRp1121sincos2RzzkRp1sin2一、邻近海面的水下点源声场一、邻近海面的水下点源声场水声学-典型条件下的声场9n解的表示解的表示q声压振幅随距离的变化声压振幅随距离的变化n当当 ， 时，声压取极大时，声压取极大值，且幅度为单个点源的两倍。值，且幅度为单个点源的两倍。 ：直达声与海面反射声同相叠加。直达声与海面反射声同相叠加。211NkzzRN,2,1,0NNRp/2max一、邻近海面的水下点源声场一、邻

6、近海面的水下点源声场RzzkRp1sin2水声学-典型条件下的声场10n解的表示解的表示q声压振幅随距离的变化声压振幅随距离的变化n当当 ， 时，声压取极小值时，声压取极小值 ：直达声与海面反射声反相叠加。直达声与海面反射声反相叠加。MkzzRM1,2,1M31min/2MRzzp一、邻近海面的水下点源声场一、邻近海面的水下点源声场jkReRzzkjRzzkRzzRp1121sincos2RzzkRp1sin2水声学-典型条件下的声场11n解的表示解的表示q声压振幅随距离的变化声压振幅随距离的变化n近场菲涅耳（近场菲涅耳（Fresnel）干涉区向远场夫朗和费）干涉区向远场夫朗和费（Fraunh

7、ofer）区过渡点，即）区过渡点，即 ：n当当 时，声压振幅为时，声压振幅为 102kzzR 12kzzR 212Rkzzp ),max(MNRR一、邻近海面的水下点源声场一、邻近海面的水下点源声场jkReRzzkjRzzkRzzRp1121sincos2RzzkRp1sin2水声学-典型条件下的声场12一、邻近海面的水下点源声场一、邻近海面的水下点源声场n解的表示解的表示q声压振幅随距离的变化声压振幅随距离的变化 ： 菲涅耳区菲涅耳区 夫朗和费区夫朗和费区n近场菲涅耳区声压振幅起伏变化，远场夫朗和费区近场菲涅耳区声压振幅起伏变化，远场夫朗和费区声压振幅单调变化；声压振幅单调变化；n对于非均匀

8、声速分布，上述干涉现象仍然存在。对于非均匀声速分布，上述干涉现象仍然存在。102kzzR 水声学-典型条件下的声场13n传播损失传播损失q定义定义：q近场近场n当当 时：时：n当当 时：时：q远场远场RkzzRTL1sinlg20lg20RTLlg60RTLlg4012kzzR 一、邻近海面的水下点源声场一、邻近海面的水下点源声场)/(1MkzzR )21(/1NkzzRRTLlg20水声学-典型条件下的声场14n非绝对反射海面下的声场非绝对反射海面下的声场q解的表示解的表示q声压振幅：声压振幅：q传播损失：传播损失：RzzRjkRzzRjkeReRp11121122cos211RkzzRpR

9、kzzRTL122cos21lg10lg20此处不是此处不是1而是而是一、邻近海面的水下点源声场一、邻近海面的水下点源声场水声学-典型条件下的声场15二、表面声道二、表面声道n表面声道声线参数表面声道声线参数 ：表面声道如何形成？有何特征？表面声道如何形成？有何特征？水声学-典型条件下的声场16 0,0,1aHzazczcsHHsscccccoscoscoscos00001azccsaHccsH1二、表面声道二、表面声道n声道的声道的“线性线性”模型和声传播模型和声传播q声速模型声速模型 由由Snell定律知：定律知：水声学-典型条件下的声场17二、表面声道二、表面声道n反转深度反转深度q概念

10、概念：在表面声道中传播的声线发生反转的深度：在表面声道中传播的声线发生反转的深度q反转深度处声线的特点：反转深度处声线的特点：声线的掠射角为零声线的掠射角为零 水声学-典型条件下的声场18n反转深度反转深度 同理：同理： 声线掠射角是小量，声线掠射角是小量，反转深度反转深度可近似为可近似为：002000cos2sin2111cosaazzazazmmssmazcos2sin22azzm2200azsm22二、表面声道二、表面声道水声学-典型条件下的声场19二、表面声道二、表面声道n临界角临界角q概念概念：在表面声道下边界发生反转的声线，其声源处和：在表面声道下边界发生反转的声线，其声源处和海面

11、处的掠射角都达到极大值，该角称为海面处的掠射角都达到极大值，该角称为临界角临界角；该声；该声线称为线称为临界声线临界声线水声学-典型条件下的声场20n临界角临界角q声源处的声源处的临界角：临界角：q海面处的海面处的临界角：临界角：1)声源处掠射角声源处掠射角 或海面处掠射角或海面处掠射角 的声线的声线被束缚在声道内传播，称为被束缚在声道内传播，称为“声道声线声道声线”；2)未被束缚的声线越出表面声道，进入深度未被束缚的声线越出表面声道，进入深度 的水的水域中，在传播时经历海底反射，有较强的衰减，在域中，在传播时经历海底反射，有较强的衰减，在较远距离上可被忽略。较远距离上可被忽略。 002zHa

12、m aHsm2m0smHz 二、表面声道二、表面声道水声学-典型条件下的声场21二、表面声道二、表面声道n跨度跨度q概念概念：声线在海面：声线在海面相邻两次反射点相邻两次反射点之间的水平距离之间的水平距离水声学-典型条件下的声场22n跨度跨度q已知海面掠射角已知海面掠射角 时时：q已知反转深度已知反转深度 时：时： ：海面处掠射角越大，跨度也越大海面处掠射角越大，跨度也越大aaDsss/tan2cossinsin2)(s)(mz22smctgzD二、表面声道二、表面声道水声学-典型条件下的声场23海面处最大掠射角：海面处最大掠射角：n跨度跨度q最大跨度最大跨度：q最小跨度最小跨度：q举例举例：

13、 由乌德公式可求由乌德公式可求 ， ，当混合层深度当混合层深度 时，临界声线海面掠射角和最时，临界声线海面掠射角和最大跨度分别为：大跨度分别为：海面处最小掠射角：海面处最小掠射角：aHD/8max0min2azsazD/80minsmcs145015102 . 1mamH500度弧度3 . 611. 0maxskmD3 .18max二、表面声道二、表面声道aaDsss/tan2cossinsin2aHsm2水声学-典型条件下的声场24n循环数循环数N q概念概念：在声源与接收点之间所容纳的不同掠射角声线跨：在声源与接收点之间所容纳的不同掠射角声线跨度的数目，称为度的数目，称为循环数循环数。 假

14、设声源和接收器位于海面附近，相距为假设声源和接收器位于海面附近，相距为r，有许多不，有许多不同循环次数的声线（同循环次数的声线（信道的多途信道的多途）可以到达接收点（）可以到达接收点（特征特征声线声线），它们在海面处的掠射角满足方程：），它们在海面处的掠射角满足方程： 特征声线对应的掠射角为：特征声线对应的掠射角为：aNNDrsNsNtan2,2,1,NNarsN2arctan二、表面声道二、表面声道水声学-典型条件下的声场25n循环数循环数N q循环数循环数N越大，声线越接近海面，越大，声线越接近海面， 相应于沿海相应于沿海面传播的声线。面传播的声线。q循环数循环数N越大，相邻声线的掠射角越接近，声线越密越大，相邻声线的掠射角越接近，声线越密集，声能越集中。集，声能越集中。q声源辐射到层厚声源辐射到层厚 内的声能量内的声能量W与掠射角有如下关系与掠射角有如下关系q声源辐射声能主要集中在海表面层附近，类似于声源辐射声能主要集中在海表面层附近，类似于“北北京天坛的回音壁京天坛的回音壁”。NmzsmzW1二、表面声道二、表面声道azsm22sW水声学-典型条件下的声场26