水声学典型条件下的声场1

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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十四讲第十四讲 均匀浅海声场均匀浅海声场 College of Underwater Acoustic Engineering HEU2本讲主要内容本讲主要内容 n浅海平均声强浅海平均声强n浅海传播损失浅海传播损失n浅海声场的虚源表示浅海声场的虚源表示n浅海表面声道浅海表面声道n声场计算大作业点评声场计算大作业点评n课堂作业点评课堂作业点评College of Underwater Acoustic Engineering HEU3n硬底、声速均匀浅海硬底、声速均匀浅海n海底有吸收的均匀浅海海底有吸收的均匀浅海q ：q ：一、浅海平均声强

2、一、浅海平均声强22316HrHmrerHzrI2,2/32,reHzrIr)16exp(4)(3222rHerkHrIrmrr College of Underwater Acoustic Engineering HEU4n传播损失分段表示传播损失分段表示q ，球面扩展：，球面扩展：q ，3/2次方衰减规律次方衰减规律+介质吸收介质吸收/Hr 21rrIrTLlg2022316HrH 232reHrIrerHrTLlg20lg5lg15二、浅海传播损失二、浅海传播损失College of Underwater Acoustic Engineering HEU5n传播损失分段表示传播损失分段表

3、示q ，柱面扩展，柱面扩展+介质吸收介质吸收+界面吸收：界面吸收：二、浅海传播损失二、浅海传播损失22316Hr )16exp(4)(3222rHerkHrIrerHkHrTLlg32204lg10lg10322College of Underwater Acoustic Engineering HEU6n浅海传播的浅海传播的Marsk和和Schulkin半经验公式半经验公式q近距离范围内：近距离范围内： q中等距离范围内：中等距离范围内：q远距离区域：远距离区域：Rr LkrrTL60lg20RrR8LTkHHrrrTL60lg51lg15二、浅海传播损失二、浅海传播损失Rr8LTkHHrr

4、rTL5 .64lg101lg10College of Underwater Acoustic Engineering HEU7三、浅海声场的虚源表示三、浅海声场的虚源表示n基本思想基本思想q将海面和海底的将海面和海底的反射声线反射声线视为由各自的视为由各自的虚源发出虚源发出的的声线声线，虚源虚源数目数目与考虑的声线反射与考虑的声线反射次数次数有关，数目趋于无穷，有关，数目趋于无穷，则可求得浅海总声场。则可求得浅海总声场。 College of Underwater Acoustic Engineering HEU8n硬底均匀浅海硬底均匀浅海q声场模型声场模型 假设浅海声速均匀层深为假设浅海声

5、速均匀层深为H，海面为平整自由界面，海面为平整自由界面，海底为平整硬界面。点源海底为平整硬界面。点源 位于坐标位于坐标 ，观察点位，观察点位于坐标于坐标 处。处。三、浅海声场的虚源表示三、浅海声场的虚源表示01O0,0 zzr ,College of Underwater Acoustic Engineering HEU9n硬底均匀浅海硬底均匀浅海q声场声压声场声压n直达波声压直达波声压：n海底反射波声压海底反射波声压：n直达波直达波+反射波声压：反射波声压：20201zzrR0110101jkReRp0210202jkReRp202022zzHrR三、浅海声场的虚源表示三、浅海声场的虚源表示

6、0201102101jkRjkReReRpCollege of Underwater Acoustic Engineering HEU10n硬底均匀浅海硬底均匀浅海q声场声压声场声压n四个点源合成声压四个点源合成声压： 考虑对称于海面的两个虚源考虑对称于海面的两个虚源 和和 （即（即海面一次反射海面一次反射波波），为：），为： 03O04O04030201104103102101jkRjkRjkRjkReReReReRp20203zzrR202042zzHrR三、浅海声场的虚源表示三、浅海声场的虚源表示College of Underwater Acoustic Engineering HEU

7、11n硬底均匀浅海硬底均匀浅海q声场声压声场声压n六个点源合成声压六个点源合成声压： 考虑海面上的两个虚源对称于海底又产生两个虚源，考虑海面上的两个虚源对称于海底又产生两个虚源，再叠加两个虚源再叠加两个虚源 和和 ：11O12O121104030201112111104103102101jkRjkRjkRjkRjkRjkReReReReReReRp202112zzHrR202124zzHrR三、浅海声场的虚源表示三、浅海声场的虚源表示College of Underwater Acoustic Engineering HEU12三、浅海声场的虚源表示三、浅海声场的虚源表示n硬底均匀浅海硬底均匀

8、浅海q声场声压声场声压n六点源关于海底界面对称，满足下界面的边界条件，六点源关于海底界面对称，满足下界面的边界条件，但破坏了上界面的对称性。因此，需继续增加虚源但破坏了上界面的对称性。因此，需继续增加虚源对数；对数；n每增加一对虚源，相应于多计入一次海面或海底的每增加一对虚源，相应于多计入一次海面或海底的反射声线；反射声线；n虚源阶数越高，声线经过海面和海底的反射次数越虚源阶数越高，声线经过海面和海底的反射次数越多，虚源离观察点距离越远，对合成声压贡献越小。多，虚源离观察点距离越远，对合成声压贡献越小。 College of Underwater Acoustic Engineering HE

9、U130142113212111214321njkRnjkRnjkRnjkRnnnnnneRVVeRVeRVeRVVp三、浅海声场的虚源表示三、浅海声场的虚源表示n硬底均匀浅海硬底均匀浅海q硬底均匀浅海声场硬底均匀浅海声场：q一般均匀浅海声场一般均匀浅海声场： q两者差别两者差别n反射系数不同反射系数不同01413121143211njkRnjkRnjkRnjkRnnnnnneReReReRpCollege of Underwater Acoustic Engineering HEU14三、浅海声场的虚源表示三、浅海声场的虚源表示n硬底均匀浅海硬底均匀浅海q声场计算：声场计算：College

10、of Underwater Acoustic Engineering HEU15三、浅海声场的虚源表示三、浅海声场的虚源表示n硬底均匀浅海硬底均匀浅海q浅海声场虚源表示分析浅海声场虚源表示分析n相同海底或海面反射次数的声线有四条：相同海底或海面反射次数的声线有四条：College of Underwater Acoustic Engineering HEU16三、浅海声场的虚源表示三、浅海声场的虚源表示n弹性海底均匀浅海弹性海底均匀浅海q球面波在平行边界上的反射球面波在平行边界上的反射 n反射声压反射声压：q引入坐标变换：引入坐标变换：yxzirdkdkkeVip Rk)(2k/ )(cose

11、ksincos ,sincossinsin ,sinsincos ,cosxryrzrkkxRkkyRkkzRCollege of Underwater Acoustic Engineering HEU17三、浅海声场的虚源表示三、浅海声场的虚源表示n弹性海底均匀浅海弹性海底均匀浅海q球面波在平行边界上的反射球面波在平行边界上的反射 n反射声压反射声压：q关键问题关键问题：1）入射角）入射角 的确定的确定2） 取值范围的确定取值范围的确定ddsin)(22020iireVikpRkCollege of Underwater Acoustic Engineering HEU18三、浅海声场的虚源

12、表示三、浅海声场的虚源表示n弹性海底均匀浅海弹性海底均匀浅海q声场的虚源表示声场的虚源表示： n单个虚源辐射声压：单个虚源辐射声压：01001)()(maxppRpRpnnnlnlw2 , 1 , 2, 1lddsin)() 1(22020iinnnleVikpsRkCollege of Underwater Acoustic Engineering HEU19三、浅海声场的虚源表示三、浅海声场的虚源表示n弹性海底均匀浅海弹性海底均匀浅海q声场计算声场计算： College of Underwater Acoustic Engineering HEU20三、浅海声场的虚源表示三、浅海声场的虚源

13、表示n弹性海底楔形海域弹性海底楔形海域(G. B. Deane and M. J. Buckingham. An analysis of the three-dimensional sound field in penetrable wedge with a stratified fluid or elastic basementJ. J. Acoust. Soc. Am., 1993,93(3):1319-1328P. )q虚源分布：虚源分布：圆周上圆周上College of Underwater Acoustic Engineering HEU21三、浅海声场的虚源表示三、浅海声场的虚源表

14、示n弹性海底楔形海域弹性海底楔形海域q声场虚源表示：声场虚源表示：n各个虚源贡献的总和各个虚源贡献的总和n各个虚源的坐标：各个虚源的坐标：nlsbsbsbsbnlnlnlnl 22212122,p RpRnllnnb()( )max0College of Underwater Acoustic Engineering HEU22三、浅海声场的虚源表示三、浅海声场的虚源表示n弹性海底楔形海域弹性海底楔形海域q单个虚源的辐射声压单个虚源的辐射声压n点源在倾斜界面上的反射声压点源在倾斜界面上的反射声压n单个虚源的辐射声压单个虚源的辐射声压yxzirdkdkkeVip Rk)(2k/ )(coseky

15、xzinbbnnldkdkkeVipnlbs Rk1)() 1(2College of Underwater Acoustic Engineering HEU23三、浅海声场的虚源表示三、浅海声场的虚源表示n弹性海底楔形海域弹性海底楔形海域q单个虚源的辐射声压单个虚源的辐射声压n单个虚源的辐射声压单个虚源的辐射声压bbbcoscoscossinsincoswbb) 12(College of Underwater Acoustic Engineering HEU24三、浅海声场的虚源表示三、浅海声场的虚源表示n弹性海底楔形海域弹性海底楔形海域q声场计算声场计算College of Underw

16、ater Acoustic Engineering HEU25四、浅海表面声道四、浅海表面声道n前面介绍的表面声道的有关计算适用于深海表面声道前面介绍的表面声道的有关计算适用于深海表面声道n在冬季，由于冷空气和风浪搅拌作用，浅海也经常形成表在冬季，由于冷空气和风浪搅拌作用，浅海也经常形成表面声道面声道n浅海表面声道中的两类声线：浅海表面声道中的两类声线：College of Underwater Acoustic Engineering HEU26n浅海表面声道的平滑平均声强：浅海表面声道的平滑平均声强： q ：反转声线的平均声强：反转声线的平均声强q ：海底反射声线的平均声强。：海底反射声线

17、的平均声强。q结论：结论：n由于计入海底反射的贡献，浅海表面声道的传播损由于计入海底反射的贡献，浅海表面声道的传播损失小于深海表面声道的传播损失。失小于深海表面声道的传播损失。zrIzrIzrI,21zrI,1zrI,2四、浅海表面声道四、浅海表面声道College of Underwater Acoustic Engineering HEU27nf=25;%Hznomega=2*pi*f;nH=100;%mnc0=1500;%m/snk=omega/c0;nN=k*H/pi+0.5-mod(k*H/pi+0.5,1)+50;%简正波阶数简正波阶数nzs=30;%mnn=1:N;nkzn=(n

18、-1/2)*pi/H;%垂直方向波数垂直方向波数nkxin=conj(sqrt(k*k-kzn.*kzn);%水平方向波数水平方向波数nrstep=10;%(c0/f)/8;步长选取步长选取nnRange=1000;%nzr=5:5:95;nnDepth=length(zr);nfor nz=1:nDepthn for nr=1:nRangen r=nr*rstep;n p (nz,nr)=(-i*2*pi/H*sum(sin(kzn*zr(nz).*sin(kzn*zs).*besselh(0,2,kxin*r);%声压声压n endnend五、声场计算大作业点评五、声场计算大作业点评College of Underwater Acoustic Engineering HEU28n声速分布下图，声源位于声速分布下图，声源位于 处，以处，以 出射的声线在出射的声线在 处处反转。已知反转。已知 ， ，求水平距离，求水平距离 。n声速分布如下图，已知声速分布如下图，已知 ， ，求水平，求水平距离距离 。六、课堂作业点评六、课堂作业点评11z0z210,zzzacsx0021,HzaacsxCsCHza1a2Hzz0 x0 x0a0, 021aaCollege of Underwater Acoustic Engineering HEU29