声学基础知识PPT参考课件

•斜入射
声压反射系数
R2c2coi s1 c1cot sZ 2nZ 1 n 2c2coi s1 c1cot sZ 2nZ 1 n
声压透射系数
D 22c2coi s 2 Z 2n 2c2coi s1 c1cot sZ 2nZ 1 n
法向声阻抗率
pi
i
1c1 o
t
2c2
pt
16
6 平面波在两种不同均匀介质界面上反射和折射
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6 平面波在两种不同均匀介质界面上反射和折射
透射损失TL：
T L 1l0 g IIti 1l0 gZ Z 1 2D 1 2 1l0 g Z Z 1 22l0 g D
例：声波由空气入射到水中，透射损失约29.5dB
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6 平面波在两种不同均匀介质界面上反射和折射
1 T
T
0
i
dt
理想平面波的平均声能密度处处相等，因此平面 声波声能量具有无损耗、无扩展的传递特性。
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3 声场中能量
能流密度
单位时间内通过垂直声传播方向的单位面积的声能
pu
声波强度或平均声能流密度
通过垂直声传播方向的单位面积的平均声能流
I 1
T
pudt
T0
10
4 介质声阻抗和声阻抗率
4
2 波动方程
假设条件
1. 介质静止、均匀、连续的：在波长距离上，声学 特性保持不变。 2. 介质是理想流体介质：忽略粘滞性和热传导性。 3. 小振幅波：各声学量是一阶小量。
5
2 波动方程
连续性方程（质量守恒定律）
介质流入体元的净质量等于密度变化引起的体元内
质量的增加： U t
状态方程（绝热压缩定律）
低频声波深入海底的深度较大，高频声波只能在 海底表面传播。
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6 平面波在两种不同均匀介质界面上反射和折射
•分界面上声波反射时的能量关系
垂直入射情况： Ii Ir It 斜入射情况： Ii Ir It
两种介质的特性阻抗相差不大，功率透射系数接 近1，例如换能器振子与透声外壳中，往往充以 蓖麻油或有机硅油。
cp k 介质的相速度与频率无关，非频散介质；反之为 频散介质。
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5 相速度和群速度
•群速度
声能量传播的速度（波群和波包的相速）
cg
d
dk
非频散介质 cg cp
频散介质
cg
cp
k dcp dk
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6 平面波在两种不同均匀介质界面上反射和折射
•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
6 平面波在两种不同均匀介质界面上反射和折射
•全内反射
Rmcosi i si2ni n2 Rei mcosi i si2ni n2
2arctgsin2i n2 mcosi
发生全内反射现象时，声波反射时发生 角的相
位跳跃。
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6 平面波在两种不同均匀介质界面上反射和折射
•非均匀平面波
波阵面（等相位面）上振 幅随离分界面的距离增大作指 数衰减。
声学基础
1 声波描述
声波：机械振动状态在介质中传播形成的波动形式 分类：
<20Hz声波—次声 >20kHz声波—超声 20Hz～20kHz声波—音频声 流体介质：纵波（压缩波 Compressional Wave） 固体介质：纵波、横波（切变波 Shear Wave）
2
1 声波描述
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7 等间距均匀点源离散直线阵的声辐射
辐射声压
rx,y,0
在远场，总声压为：
pr, ,tjk0c0 Q ejtkrn 1ejksdin i
4r
i0
当 0 时，各点源同相叠加，合成声压最大：
pr,0,tj k4 0crn0e Q jtkr
介质特性阻抗 0c 声阻抗率
声场中某点声压与振速之比 ，它为一个复数（声压 与振速存在相位差）
Zp u
平面波 Z0c 特点
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。
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4 介质声阻抗和声阻抗率
•球面波
Z 0ckr ei tg 1
1k r2
介质的压缩和膨胀过程是绝热过程 ：
dP c2d
c 1
s0
绝热压缩系数：单位压强变化引起体积相对变化。
6
2 波动方程
运动方程（牛顿第二定律）
0
u t
p
波动方程
2 p 1 2 p c2 t2
2 2
2
2
x2 y2 z2
2 r 1 2 r r2 r r2s 1 i n s i n r2s12 in 2 2
声压（标量）：声波扰动引起介质压强的变化量
pPP0 声场：声波所波及的空间
位移（矢量）：介质质点离开其平衡位置的距离 振速（矢量）：介质流速或介质质点运动速度的变化量
uUU0
u ddt
3
1 声波描述
密度改变量：
1 0
压缩量：介质密度的相对变化量
s 0 0 10
描述声场，通常采用上述各物理量的时空 分布函数？
21 rrrrr1222z22
7
2 波动方程
速度势
介质单位质量具有的声扰动冲量 ：
p dt 0
声压、质点振速与速度势关系
u
p
0
t
2
1 c2
2 t2
8
3 声场中能量
声能：声波传播引起的介质能量增量称为声能
声能密度 EEkEp1 20u2p 02c22V0
i 120u2 p02c22
发生反射和折射。
•边界条件
pi
pt
声压连续 p 1 x,tx 0 p 2 x,tx 0
pr
法向质点振速连续 u 1 x,tx 0 u 2 x,tx 0 1c1
2c2
o
x
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 DP P ti 2c 22 2c21c1Z2 2Z 2Z1
kr
•特点
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。
什么叫声阻率和声抗率？
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4 介质声阻抗和声阻抗率
•柱面波
•特点
Z
i0c
H02k H12k
r r
具有与球面波相似的特点。
球面波和柱面波在远场近似为平面波。Why?
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5 相速度和群速度
•相速度
振动状态在介质中传播的速度
pr
x
Z1n1c1 cois Z2n2c2 cots
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•斜入射
nc1 c2
m2 1
Rmcosi n2 sin2i mcosi n2 sin2i
D
2mcosi
mcosi n2si2ni
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6 平面波在两种不同均匀介质界面上反射和折射
•斜入射
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