水声实验

主瓣的幅值相同，则此旁瓣称为栅瓣或副瓣，旁瓣中幅值最大的称为
最大旁瓣，一般连续声源的指向性图的第一旁瓣就是它们的最大旁
瓣，而基阵则不一定。最大旁瓣级是最大旁瓣与主瓣的幅值之比取对
数、用 dB 表示。
在自由球面波声场中，沿球半径方向，声压的振幅值满足关系
p(r) A r
式中， A 为常数，其值相当于 r 1m 处的声压幅值，因此水听器的输 出信号幅度在球面波声场中随它离球心的距离成反比衰减。对上式可 以取对数，得到声压级随距离对数值的关系：
% All frequency values are in Hz. Fs = 10000; % Sampling Frequency
Fpass = 500;
% Passband Frequency
Fstop = 2500;
% Stopband Frequency
Apass = 1;
% Passband Ripple (dB)
负分贝数。换能器的发射指向性图会随发射信号频率的改变而变化， 就是说，同一换能器当发射不同频率的信号时，其辐射声能在空间分 布是不同的。
对于一个水听器或基阵，它的接收指向性图是表示自由场远场传 来的平面波入射到水听器接收面上的平均声压随入射方向变化的曲 线图。或者说，它是水听器在远场平面波作用下，所产生的开路输出 电压随入射方向变化的曲线图，其函数表示式可记作：
传播损失关系图
指向性
角度
vpp
60
0.9
50
1.4
40
1.6
30
2.4
25
2.8
20
3.2
10
3.8
0
4
-10
3.4
-15
2.8
-20
2.4
-30
1.6
-40
0.9
-45
0.7
Vpp/vpp 0.225 0.35 0.4 0.6 0.7 0.8 0.95 1 0.85 0.7 0.6 0.4 0.225 0.175
根据声压随球面波衰减及 SL 的定义式可得到 SL 的测量式如下 SL(R) PL(R) 20lg(R)
20 lg(电压有效值 ) 203 - 20lg(测放) 20lg(R)
其中测量放大器的放大倍数为 40dB，即 20 lg(测放) 40dB
测量距离 R （cm） 20 30 34.2 40 45 50 55 60 65 70
描述一个水声换能器的自由场远场的指向性响应的特性参量有： 指向性图、指向性因数和指向性指数等。
1．指向性图 （1）基本概念 发射换能器或其基阵的发射指向性图是表示它在自由场中辐射 声波时，在其远场中声能的空间分布图像。通常用 D(, ) 表示归一化 的指向性图函数，定义式如下：
D(, ) p(, ) p(0,0)
连接好实验仪器分别完成以下两个实验
（1）将发射换能器调到相应的谐振频率上，将水听器与放射换能器放
入同一深度并且对齐，水听器与发射换能器之间满足远场条件，但尽可能靠
近。
调好功放测放将计算好的循环数、幅度输入信号源，并记录各数值。
然后将水听器逐渐拉离发射换能器，记录下各位置声压幅值。
（2）将待测水听器安装在测量回转杆上,回转杆必须通过换能器的有效声中
-20
ຫໍສະໝຸດ Baidu
-30
-40
-45
-15
2.4
1.6
0.9
0.7
2.8
TL
距离 20
30
34.2 40
45
50
55
60
65
Vp（V） 5
4
4
3
2.6
2.4
2.2
2
1.8
距离 70
Vp（V） 1.6
L=151.4cm B=121.7cm H=88.7cm D=34.2cm Q=15 τ≤min()
声源级和传播损失
射器形状和尺寸与波长比 x / 。
指向性图可以用直角坐标，也可用极坐标表示，用极坐标表示的
方向特性曲线很直观，表现为比较复杂的“花瓣”形式，具有一些极
大值和极小值（在直角坐标下也可看到），称主极大所在的那个花瓣
为“主瓣”，其它极大值所在的花瓣为“旁瓣”，紧挨着主瓣的旁瓣
称第一旁瓣，旁瓣的幅值一般小于等于主瓣的幅值，若旁瓣的幅值与
实验报告
课程名称
水声学实验
实验项目名称
实验类型
实验学时
班级
20130532
学号
姓名
邓方舟
指导教师
实验室名称
实验成绩
预习部分
实验过程 表现
实验时间
实验报告 部分
教师签字
日期
03 总成绩
哈尔滨工程大学教务处 制
实验名称：水声换能器声源级 传播指向性 传播损失的测量 实验内容：测量换能器的指向性和传播损失 实验原理：
b(, ) I (, ) / I (0,0) P2 (, ) / P2 (0,0) D2(, )
我们称 b(, ) 为声强指向性图函数，称 D(, ) 为声压指向性图函 数，两者若用分贝表示时，其分贝值是相同的。
由上述可知，一个完整的指向性图应是一个三维空间图案，但使 用时，通常都使用二维极坐标图来表示换能器的指向性。
% MATLAB Code % Generated by MATLAB(R) 8.3 and the Signal Processing Toolbox 6.21. % Generated on: 15-Dec-2015 12:30:37
% Butterworth Lowpass filter designed using FDESIGN.LOWPASS.
模型）
） figure; plot(x,y);(原白噪声时域图) figure; plot(x,n2);（滤波后的时域图） figure; noverlap=20; nfft=100000; range='onesided'; [pxx,f]=pwelch(n2,window,noverlap,nfft,fs,range); plotpxx=10*log10(pxx);（将功率谱的纵坐标取化为谱级） plot(f,plotpxx)（画出噪声谱） t1=1:100000; m=fft(n2,100000);（进行傅里叶变换） mag1=abs(m); f=t1/10; figure; plot(f(1:50000),mag1(1:50000));（画出频域图） 滤波器程序： function Hd = lbq1 %LBQ1 Returns a discrete-time filter object.
对于声呐换能器或其基阵来讲，它们的指向性图的特性参量有： 波束宽度和最大旁瓣级两个。所谓波束宽度就是指主瓣或主波束两侧 的两个方向之间的夹角，此两方向上的声压级相对于轴向声压级下降
3（或 6、10）分贝的声级，分别称之为下降 3 分贝（或 6、10 分贝）
的波束宽度。通常记作 23dB、26dB、210dB ，如果指向性图的主瓣在声 轴两侧是对称的，则也可用半波束宽度来表示，记作3dB ，即半波束 宽度是指声轴与指定声压级方向之间的夹角，一般波束宽度取决于辐
其中： 表示考察方向与极轴（通常为 Z 轴）的夹角； 表示考察方向在 XOY 平面上的投影线与 x 轴的夹角； p(, ) 表示各考察方向 (, ) 上自由场声压的有效值； p(0,0) 表示声轴方向（或选定方向）上自由场远场电压的有效
值，通常 p(0,0) 方向就选定为有效值声压为最大值的方向。 D(, ) 是个不大于 1 的正值，若取分贝表示，则 20lg D(, ) 恒为
心,否则发射器和接收器间距必须比有效声中心和转轴间距大 100 倍。发射器和
接收器的间距要满足远场条件。
将频率为待测水听器相应工作频率 f 的电信号加到辅助发射器上,且保持发
射声场恒定不变。转动待测水听器,记下各个方向上水听器的输出电压。
信号源
示波器
功率放大器
测量放大器
发射换能器
实验水槽 水听器
图 1 测量系统连接示意图
实验图片
实验数据和处理：
SL： 34.2cm Vp=4V M=-220dB，前置放大：40dB，%输入 Vpp=5V，放大 Vpp=4V%
DI 角度 0 Vp（V） 4 角度 -10 Vp（V） 3.4
+10 +20 +30 +40 +50 +60 +25
3.8
3.2
2.4
1.6
0.9
0.5
2.8
由此得出的指向性图
实验误差分析
1.读取示波器上的峰峰值读数存在一定误差。 2.测量距离 R 时卷尺未完全伸直存在误差。 3.发射换能器和接收水听器在入水深度上有偏差，不能完全到达同一高度。 4.水箱受到外界干扰而产生误差。 5.改变距离后未等到水听器完全静止，造成读数存在误差。 实验总结 1.通过该实验，我掌握了测量声压级的方法：水听器将声信号转化为电信号再通 过测量放大器放大，再由具体公式还原成声信号。总之，本次实验让我很好的将 理论和实际联系起来，培养了我的动手能力，提高了我的实验技巧
p(r) SL 20 log
P0
A
r
20 log 20 log
P0r0
r0
式中 P0 1Pa , r0 1m 。由上式可见，右边第一项为常数，它表示声源 强度等于离源中心 1m 处得声压级。可见，在声压和距离的双对数坐
标系统中，上式为一直线，并且距离每增加一倍，声压级减少 6dB。
一、实验内容：
实验名称：标准海况下的海洋环境噪声级仿真 实验目的：从课本中和网上查到标准海况下的海洋环境噪声级的曲线，用 matlab 的白噪声函数进行建模。然后对其进行功率谱分析，得到其各频段内的噪声级。 实验原理：海水介质中，存在着大量的噪声源，他们各自发出的声波构成了海洋 环境噪声，这种噪声对声呐设备的工作是一种干扰，我们用环境噪声级 NL 来度 量环境噪声的强弱，它的定义是 NL=10，其中是参考声强，IN 是测试带宽内的 噪声强度。
而当测试带宽为 1HZ 则这样的 NL 称为环境噪声谱级。在书上找到的 深海环境噪声谱级的图谱如下。
仿真程序： 主程序
fs=10000; y=sqrt(10^12)*randn(1,100000);(模拟一个正态分布白噪声) x=(0:100000-1)/fs; n1=lbq;（定义滤波器） n2=filter(n1,y);（调用滤波器，利用滤波器使500HZ以下噪声信号衰减以建立噪声
% [EOF]
仿真图片： 1.原始噪声图
幅值 （V） PL(dB)
2.5
170.9588002
2
169.0205999
2
169.0205999
1.5 166.5218252
1.3 165.278867
1.2 164.5836249
1.1 163.8278537
1
163
0.9 162.0848502
0.8 161.0617997
SLdB 156.9794001 158.563025 159.701122 158.563025 158.3431173 158.563025 158.6351075 158.563025 158.3431173 157.9637605
20lgR -13.979 40009 -10.457 57491 -9.3194 77879 -7.9588 00178 -6.9357 49724 -6.0205 99913 -5.1927 4621 -4.4369 74992 -3.7417 32867 -3.0980 392
Vpp 峰峰值 （V） 5 4 4 3 2.6 2.4 2.2 2 1.8 1.6
D(, ) F(, ) / A M (, ) F (0,0) / A M (0,0)
其中： F(, ) ， F(0,0) 分别表示任意方向和最大值方向入射的平面波 在水听器接收面上所产生的作用力；
A 为水听器接收面的有效面积； M (, ) ，M (0,0) 分别表示任意方向和最大值方向上的自由场电压 灵敏度。 可见，水听器的接收指向性图也就是它的相对灵敏度的曲线图， 所以其 D(, ) 也小于 1，即 20lg D(, ) 也为负的分贝数。 指向性图函数，也有利用任意方向上的声强 I (, ) 与最大值方向 （或声轴方向）声强 I(0,0) 之比来定义的，以符号 b(, ) 表之，即：
Astop = 100;
% Stopband Attenuation (dB)
match = 'stopband'; % Band to match exactly
% Construct an FDESIGN object and call its BUTTER method. h = fdesign.lowpass(Fpass, Fstop, Apass, Astop, Fs); Hd = design(h, 'butter', 'MatchExactly', match);