水声学第二章 声学基础[精]
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p 1 P ie i t k 1 x P r e i t k 1 x
pi
pt
u1P 1c i1eitk1xP 1r c1eitk1x
pr
1c1
o
2c2
x
13
在介质2中：
p2P teitk2x
边界条件：
u2
Pt
2c2
eitk2x
• 界面上声压连续： p 1 x ,tx 0 p 2 x ,tx 0
第二章 声学基础
第一章知识要点
声纳参数的定义、物理意义
SL、TL、TS、NL、DI、DT、RL、DIT
组合声纳参数的物理意义
SL-2TL+TS NL-DI+DT RL+DT (SL-2TL+TS)-(NL-DI+DT)
主动声纳方程的选择问题（如何判断干扰） 声纳方程的两个重要的基本用途
声学基础知识（了解） 介质的特性阻抗与声阻抗率（了解） 平面波在两种不同均匀介质界面上的反射和折
射（了解） 等间距均匀点源离散直线阵的声辐射（了解） 均匀连续直线阵的声辐射（了解） 无限大障板上平面辐射器的声辐射（了解） 声波的接收方向特性（了解）
8
1、声学基础知识
声波：机械振动状态在介质中传播 形成的一种波动形式
• 平面波：Z0c 说明：平面波声压和振速处处同相（正向波）
或反向（反向波），声强处处相等，其声阻抗 率与频率无关。
11
球面波
Z 0 c1 k k 2 r 2 r i0 c1 k kr 2 r1 0 c kk 2 re i r
tg 1
kr
说明：近距离，声压和振速的相位差很大；
远距离，声压和振速的相位接近相等。
4
3、发射换能器发射40kW的声功率，且方向性指数
为15dB，其声源级SL为多少？
解：声源级定义：
SL10log I
无指向性声源的声强：
I ND
Pa
4
I0
无指向性声源的声源级：SLND10logIIN0D
1l0oP ag 17 .70 721dB7
设指向性声源的轴向声强为： I D
5
主要内容
由上述各式可知，声波在分界面上反射和透射 的大小决定于媒质的特性阻抗，具体分析如下：
当
时，有
， ，全部透射
Z1 Z2
R0 D1
当
时，有
，
，硬边界，反射波
声压Z1和Z入2射波声压R同0相 D0
15
当 Z1 Z2时，有 R0 ，D0 ，软边界，反射
波声压和入射波声压反相
当 Z1Z2时，有 R1 ， D2 ，绝对硬，反射
分类：Βιβλιοθήκη Baidu
20Hz以下的振动称为次声 高于20kHz的振动称为超声 20Hz至20kHz的声振称为音频声
流体介质中，声波表现为压缩波 （Compressional Wave），即纵波
在固体中既有纵波也有横波（切变 波-Shear Wave）
9
声速：振动在介质中传播有时间滞后，即声波 在介质中传播有一定速度，称为声速
即：
Pi Pr Pt
• 界面上法向振速即连：续：u P 1 i x ,tPrx 0 Ptu 2x ,tx 0
1c1 1c1 2c2
14
声压反射系数： RP P ri 2 2c c2 2 1 1c c1 1Z Z2 2 Z Z1 1
声压透射系数：
D P t 22c2 2Z2 P i 2c21c1 Z2Z1
注意：声阻率， 和声抗率
柱面波： Zi0cH H1022kkrr
说明：具有与球面波声阻抗率相似的性质。
注意：柱面波和球面波在远场近似为平面波，即
Z 0c
12
3、平面波在两种不同均匀介质界面上 的反射和折射
垂直入射
在分界面上，由于两介质的特性阻抗不同，声波分界面上 会发生反射和折射。
在介质1中：
波声压和入射波声压大小相等，相位相同，所以在 分界面上合成声压为入射声压的两倍，实际上发生 的是全反射。
透射损失TL：
T L 1l0 g I Iti 1l0 g Z Z 1 2D 1 2 1l0 g Z Z 1 2 2l0 g D
例：声波由空气入射到水中，透射损失约29.5dB
16
斜入射
pi
i
1c1
o
pr
x
t
pt
2c2
斜入射平面波在分界面上的反射和折射
17
边界条件
声压连续 法向质点振速连续
声压反射系数：R P r2 c 2 co i s 1 c 1 co t s Z 2 n Z 1 n P i 2 c 2 co i s 1 c 1 co t s Z 2 n Z 1 n
声场：声波所及的区域 声压：由于声波扰动引起介质质点压强的变化，
这种变化量称为声压： pPP0 质点振速：由于声波扰动引起的介质质点运动
速度的变化量：uU U 0
10
2、介质的特性阻抗与声阻抗率
介质的特性阻抗: 0c
声阻抗率：声场中某点声压与振速之比 Z p u
，它为一个复数（表明声压与振速存在相位差）。
2
第一章思考题：
1、取下列声压作为参考级， 1微帕声压的大小 为： （10-5达因/厘米2 =1微帕）
取参考声压为1微帕时，其大小为 0dB； 取参考声压为0.0002达因/厘米2 时，其大小
为-26dB； 取参考声压为1达因/厘米2 时，其大小为
-100dB ；
3
2、给定水下声压 p为100Pa，那么声强 I 是多大，
声压透射系数：D P t 22 c 2 co i s2 Z 2 n P i 2 c 2 co i s 1 c 1 co t s Z 2 n Z 1 n
注意：法向声阻抗率：声压与法向振速之比
Z1n1c1cois Z2n2c2co ts
18
取nc1 c2，m2 1，则由折射定律得
折射 率
ncots n2si2n i
密度比
Rmcosi n2sin2i mcosi n2sin2i
D
2mcois
mcois n2si2ni
讨论：
nc1 c21，有正常意义下的折射波
19
当 nc1 c21 时，且 iic arn c s airn c 1c s 2i
与参考声强 比较I 0 ，以分贝表示的声强级是多 少？（取声速C=1500m/s，密度为1000kg/m3）
解：声强： W/m2
I pc 2(1 10 0 1 0 1 00 60 5 )2 06.0 6 710 15
声强级: dB
SI1 Ll0 oII0 g1l0 o6 6..g 6 6 7 7 1 1 1 1 0 09 5 40
pi
pt
u1P 1c i1eitk1xP 1r c1eitk1x
pr
1c1
o
2c2
x
13
在介质2中：
p2P teitk2x
边界条件：
u2
Pt
2c2
eitk2x
• 界面上声压连续： p 1 x ,tx 0 p 2 x ,tx 0
第二章 声学基础
第一章知识要点
声纳参数的定义、物理意义
SL、TL、TS、NL、DI、DT、RL、DIT
组合声纳参数的物理意义
SL-2TL+TS NL-DI+DT RL+DT (SL-2TL+TS)-(NL-DI+DT)
主动声纳方程的选择问题（如何判断干扰） 声纳方程的两个重要的基本用途
声学基础知识（了解） 介质的特性阻抗与声阻抗率（了解） 平面波在两种不同均匀介质界面上的反射和折
射（了解） 等间距均匀点源离散直线阵的声辐射（了解） 均匀连续直线阵的声辐射（了解） 无限大障板上平面辐射器的声辐射（了解） 声波的接收方向特性（了解）
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1、声学基础知识
声波：机械振动状态在介质中传播 形成的一种波动形式
• 平面波：Z0c 说明：平面波声压和振速处处同相（正向波）
或反向（反向波），声强处处相等，其声阻抗 率与频率无关。
11
球面波
Z 0 c1 k k 2 r 2 r i0 c1 k kr 2 r1 0 c kk 2 re i r
tg 1
kr
说明：近距离，声压和振速的相位差很大；
远距离，声压和振速的相位接近相等。
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3、发射换能器发射40kW的声功率，且方向性指数
为15dB，其声源级SL为多少？
解：声源级定义：
SL10log I
无指向性声源的声强：
I ND
Pa
4
I0
无指向性声源的声源级：SLND10logIIN0D
1l0oP ag 17 .70 721dB7
设指向性声源的轴向声强为： I D
5
主要内容
由上述各式可知，声波在分界面上反射和透射 的大小决定于媒质的特性阻抗，具体分析如下：
当
时，有
， ，全部透射
Z1 Z2
R0 D1
当
时，有
，
，硬边界，反射波
声压Z1和Z入2射波声压R同0相 D0
15
当 Z1 Z2时，有 R0 ，D0 ，软边界，反射
波声压和入射波声压反相
当 Z1Z2时，有 R1 ， D2 ，绝对硬，反射
分类：Βιβλιοθήκη Baidu
20Hz以下的振动称为次声 高于20kHz的振动称为超声 20Hz至20kHz的声振称为音频声
流体介质中，声波表现为压缩波 （Compressional Wave），即纵波
在固体中既有纵波也有横波（切变 波-Shear Wave）
9
声速：振动在介质中传播有时间滞后，即声波 在介质中传播有一定速度，称为声速
即：
Pi Pr Pt
• 界面上法向振速即连：续：u P 1 i x ,tPrx 0 Ptu 2x ,tx 0
1c1 1c1 2c2
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声压反射系数： RP P ri 2 2c c2 2 1 1c c1 1Z Z2 2 Z Z1 1
声压透射系数：
D P t 22c2 2Z2 P i 2c21c1 Z2Z1
注意：声阻率， 和声抗率
柱面波： Zi0cH H1022kkrr
说明：具有与球面波声阻抗率相似的性质。
注意：柱面波和球面波在远场近似为平面波，即
Z 0c
12
3、平面波在两种不同均匀介质界面上 的反射和折射
垂直入射
在分界面上，由于两介质的特性阻抗不同，声波分界面上 会发生反射和折射。
在介质1中：
波声压和入射波声压大小相等，相位相同，所以在 分界面上合成声压为入射声压的两倍，实际上发生 的是全反射。
透射损失TL：
T L 1l0 g I Iti 1l0 g Z Z 1 2D 1 2 1l0 g Z Z 1 2 2l0 g D
例：声波由空气入射到水中，透射损失约29.5dB
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斜入射
pi
i
1c1
o
pr
x
t
pt
2c2
斜入射平面波在分界面上的反射和折射
17
边界条件
声压连续 法向质点振速连续
声压反射系数：R P r2 c 2 co i s 1 c 1 co t s Z 2 n Z 1 n P i 2 c 2 co i s 1 c 1 co t s Z 2 n Z 1 n
声场：声波所及的区域 声压：由于声波扰动引起介质质点压强的变化，
这种变化量称为声压： pPP0 质点振速：由于声波扰动引起的介质质点运动
速度的变化量：uU U 0
10
2、介质的特性阻抗与声阻抗率
介质的特性阻抗: 0c
声阻抗率：声场中某点声压与振速之比 Z p u
，它为一个复数（表明声压与振速存在相位差）。
2
第一章思考题：
1、取下列声压作为参考级， 1微帕声压的大小 为： （10-5达因/厘米2 =1微帕）
取参考声压为1微帕时，其大小为 0dB； 取参考声压为0.0002达因/厘米2 时，其大小
为-26dB； 取参考声压为1达因/厘米2 时，其大小为
-100dB ；
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2、给定水下声压 p为100Pa，那么声强 I 是多大，
声压透射系数：D P t 22 c 2 co i s2 Z 2 n P i 2 c 2 co i s 1 c 1 co t s Z 2 n Z 1 n
注意：法向声阻抗率：声压与法向振速之比
Z1n1c1cois Z2n2c2co ts
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取nc1 c2，m2 1，则由折射定律得
折射 率
ncots n2si2n i
密度比
Rmcosi n2sin2i mcosi n2sin2i
D
2mcois
mcois n2si2ni
讨论：
nc1 c21，有正常意义下的折射波
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当 nc1 c21 时，且 iic arn c s airn c 1c s 2i
与参考声强 比较I 0 ，以分贝表示的声强级是多 少？（取声速C=1500m/s，密度为1000kg/m3）
解：声强： W/m2
I pc 2(1 10 0 1 0 1 00 60 5 )2 06.0 6 710 15
声强级: dB
SI1 Ll0 oII0 g1l0 o6 6..g 6 6 7 7 1 1 1 1 0 09 5 40