1、會計學1水聲測量水聲測量(cling)第一頁，共33頁。1.1.基本概念基本概念 （1 1）自由場）自由場 （2 2）遠場）遠場 （3 3）近場）近場第2頁/共33頁第二頁，共33頁。（1 1）自由場）自由場 均勻各向同性的媒質中，邊界影響均勻各向同性的媒質中，邊界影響(yngxing)(yngxing)可以不計可以不計時的聲場時的聲場. .（2 2）遠場）遠場 自由聲場中，離聲源遠處瞬時聲壓與瞬時質點振速同相的自由聲場中，離聲源遠處瞬時聲壓與瞬時質點振速同相的聲場。聲場。（3 3）近場）近場 自由聲場中，聲源附近瞬時聲壓與瞬時質點振速不同相的自由聲場中，聲源附近瞬時聲壓與瞬時質點振速不同相的

2、聲場。聲場。第3頁/共33頁第三頁，共33頁。2.2.自由場的建立自由場的建立 （1 1）天然）天然(tinrn)(tinrn)水域水域 （2 2）實驗室）實驗室第4頁/共33頁第四頁，共33頁。（1 1）天然水域自由場條件）天然水域自由場條件水域應有足夠的空間，以便從邊界反射回來的干擾能水域應有足夠的空間，以便從邊界反射回來的干擾能用脈沖聲技術、消聲邊界或長距離傳輸等方法消除；用脈沖聲技術、消聲邊界或長距離傳輸等方法消除；應有很低的噪聲環境，以保證測量所需的信噪比；應有很低的噪聲環境，以保證測量所需的信噪比；在水介質中要避免有可能引起折射和散射在水介質中要避免有可能引起折射和散射(snsh)

3、(snsh)的任何因素，諸如流、溫度梯度、海洋生物、氣泡和污的任何因素，諸如流、溫度梯度、海洋生物、氣泡和污物等；物等； 要有良好的氣候條件，以保證測量的順利進行和便利；要有良好的氣候條件，以保證測量的順利進行和便利； 在高頻和超聲頻范圍測量時，水深通常小于在高頻和超聲頻范圍測量時，水深通常小于20m20m；對；對1kHz1kHz以下的頻率，水深應大于以下的頻率，水深應大于20m20m。第5頁/共33頁第五頁，共33頁。（2 2）實驗室自由場條件：）實驗室自由場條件： 消聲水池消聲水池 非消聲水池采用非消聲水池采用(ciyng)(ciyng)脈沖脈沖聲技術聲技術第6頁/共33頁第六頁，共33頁

4、。第7頁/共33頁第七頁，共33頁。(1)(1)遠場判據遠場判據 理論理論(lln)(lln)推導推導 以活塞發射器和點接收器組成的系統為例，推導遠以活塞發射器和點接收器組成的系統為例，推導遠場距離判據。場距離判據。skrtjdseurckjdpp02式中：0u 活塞發射器表面(biomin)振動幅度 r水中聲速水中聲速(shn s)水的密度水的密度 活塞上面元到觀察點的距離活塞上面元到觀察點的距離c面元面積面元面積 ds r第8頁/共33頁第八頁，共33頁。（i）遠場特性）遠場特性(txng) )(120sin)sin(22),(krtjekakaJraujtrp式中：a活塞(husi)發射

5、器半徑； 第9頁/共33頁第九頁，共33頁。（ii）近場特性(txng) rarkcup2202sin2第10頁/共33頁第十頁，共33頁。a活塞活塞(husi)(husi)面中心點面中心點處處,r=0,r=0時時 0002sin2sin2kaapcucu0002,2)12(0,22cupnapna圓面活塞中心點處聲壓圓面活塞中心點處聲壓根據根據(gnj)a(gnj)a與與之間關之間關系系可以確定可大可小。可以確定可大可小。 pr第11頁/共33頁第十一頁，共33頁。b在活塞法線上聲壓(shn y)幅值極大極小點處 nrark22221222nrark n=0,1,2 p=max n=0,1,

6、2 p=0pr在法線上將會出現聲壓極大、極小值的交替在法線上將會出現聲壓極大、極小值的交替(jiot)分布現象分布現象第12頁/共33頁第十二頁，共33頁。離發射離發射(fsh)(fsh)面最遠處聲壓極大值點面最遠處聲壓極大值點對應于對應于n=0n=0即420ar 這表明(biomng)，最后一個最大值的位置恰好是邊緣聲線和軸向聲線程差為 的點，超過此點，活塞面上任何兩個元波到達法線上點的程差都小于 ，聲壓幅值變為單調的減小，于是聲場逐漸進入弗朗霍夫爾區。在此點附近，聲壓幅值變化很緩慢，類似于平面波。 22第13頁/共33頁第十三頁，共33頁。接近(jijn)遠場區（分析近場公式）ra 時，3

7、422282rararar若時，即則racurkacup2sin24sin22020crarkcup2202sin2第14頁/共33頁第十四頁，共33頁。當當很小時很小時(xiosh)，sin所以所以(suy)rkarka44sin22rkacup220若若racurkacup2sin24sin22020)(120sin)sin(22),(krtjekakaJraujtrp 聲壓幅值按照 球面波規律(gul)衰減。r1第15頁/共33頁第十五頁，共33頁。結論結論 活塞活塞(husi)(husi)發射器和點接收器組成的系統的發射器和點接收器組成的系統的遠場距離判據為：遠場距離判據為：第16頁/

8、共33頁第十六頁，共33頁。經驗經驗(jngyn)(jngyn)公式公式對于對于(duy)均勻圓形活塞換能器均勻圓形活塞換能器2ar 代表一定誤差下對相位代表一定誤差下對相位(xingwi)(xingwi)的要求；的要求；（正弦函數用小角度代替）（正弦函數用小角度代替） ar 代表一定誤差下對幅度的要求；代表一定誤差下對幅度的要求；（二項式展開舍去高次項）（二項式展開舍去高次項） 第17頁/共33頁第十七頁，共33頁。近似于圓形或方形活塞近似于圓形或方形活塞(husi) r面積面積(min j)/(min j)/波長波長 r最大線度尺寸最大線度尺寸(ch cun)第18頁/共33頁第十八頁，共

9、33頁。最大線度尺寸最大線度尺寸(ch cun)L(ch cun)L對于其他對于其他(qt)情況情況聲場聲場(shn(shn chn chn) )誤差小于誤差小于0.5dB0.5dBrrL2/第19頁/共33頁第十九頁，共33頁。d0ddpdd0ddpdddpdd0000000第20頁/共33頁第二十頁，共33頁。A/PdA/P2A/P1d1d2do pd遠場中某處聲壓；遠場中某處聲壓； d以參考點為起點的測量距離；以參考點為起點的測量距離；d參考點與實際聲中心參考點與實際聲中心(zhngxn)的偏差。的偏差。確定(qudng)方法 Od第21頁/共33頁第二十一頁，共33頁。二、脈沖二、脈沖

10、(michng)聲技術聲技術1 1、原理、原理2 2、實現、實現(shxin)(shxin)方法方法第22頁/共33頁第二十二頁，共33頁。1 1、原理、原理 利用正弦填充矩形脈沖信號或不利用正弦填充矩形脈沖信號或不同于連續單頻信號的短促脈沖信號激同于連續單頻信號的短促脈沖信號激勵發射換能器，并控制接收系統使其勵發射換能器，并控制接收系統使其只在脈沖聲信號從發射器直達水聽器只在脈沖聲信號從發射器直達水聽器的那一段時間內接收和測量（直達信的那一段時間內接收和測量（直達信號），而在此段時間之前到達的脈沖號），而在此段時間之前到達的脈沖電信號（電串漏信號）或此段時間之電信號（電串漏信號）或此段時間之

11、后到達的脈沖聲信號（反射信號）將后到達的脈沖聲信號（反射信號）將被接收系統拒絕接收，這樣即可將被被接收系統拒絕接收，這樣即可將被測有用信號與不希望的噪聲信號在時測有用信號與不希望的噪聲信號在時域上分離開來，從而形成域上分離開來，從而形成(xngchng)(xngchng)時間域上的自由場。時間域上的自由場。 第23頁/共33頁第二十三頁，共33頁。（1 1）電串漏信號：）電串漏信號： 電或電磁的信號，經非聲學途徑傳播，是發電或電磁的信號，經非聲學途徑傳播，是發射與接收系統直接射與接收系統直接(zhji) (zhji) 電耦合所至，電耦合所至，可能是接地線不妥當或水聽器屏蔽不好。可能是接地線不妥

12、當或水聽器屏蔽不好。（2 2）直達信號：）直達信號： 經聲傳播時間延遲后到達，由于電子設備和經聲傳播時間延遲后到達，由于電子設備和換能器濾波特性，致使直達脈沖信號形狀產生畸換能器濾波特性，致使直達脈沖信號形狀產生畸變。變。（3 3）反射信號：）反射信號： 由于各種反射途徑均比直達聲程遠，因此各由于各種反射途徑均比直達聲程遠，因此各種反射波均在直達聲后面出現。種反射波均在直達聲后面出現。第24頁/共33頁第二十四頁，共33頁。工作工作(gngzu)原理原理t第25頁/共33頁第二十五頁，共33頁。t第26頁/共33頁第二十六頁，共33頁。tt第27頁/共33頁第二十七頁，共33頁。t第28頁/共

13、33頁第二十八頁，共33頁。221dHdc221dBdc1Ldc2 2、實現方法、實現方法(fngf)(fngf) （1 1）脈沖寬度（）脈沖寬度（）的選）的選擇擇 第29頁/共33頁第二十九頁，共33頁。2dc（）換能器尺寸大于聲波長時，避免）換能器尺寸大于聲波長時，避免(bmin)換能器之間換能器之間的反射影響的反射影響0fQ（）為與連續信號）為與連續信號(xnho)測量相比擬，使換能器達到穩態條測量相比擬，使換能器達到穩態條件件Q發射換能器的品質因數；發射換能器的品質因數；fo發射換能器的諧振發射換能器的諧振(xizhn)頻率。頻率。第30頁/共33頁第三十頁，共33頁。（）為保證聲信號不發生畸變，測試設備）為保證聲信號不發生畸變，測試設備(shbi)等帶等帶寬應為寬應為2f （）為與連續）為與連續(linx)信號測量相比擬，使換能器各部分之間完信號測量相比