声学基础7.1 声波的接收原理
中学物理声学基础原理
中学物理声学基础原理声音是我们日常生活中不可或缺的一部分，它是通过振动传播的，产生于物体振动时，通过介质传递到我们的耳朵中。
声学是研究声音产生、传播和接收的学科，本文将介绍中学物理中的声学基础原理。
一、声音的产生声音是通过物体的振动产生的，当物体振动时，颗粒会沿着特定的方向进行周期性的位移，从而产生声波。
振动的物体可以是固体、液体或气体，不同的振动方式和特征会导致不同的声音音质和音高。
二、声音的传播声音是通过介质（如空气、水或固体）的振动传播的。
当物体振动时，振动会导致周围介质中的分子发生振动，从而使振动向外传播。
声音的传播速度取决于介质的性质，一般来说，固体中声音传播最快，液体次之，气体传播速度最慢。
三、声音的特性声音有三个基本特性：音调、音量和音质。
1. 音调：音调是指声音的高低，由振动的频率决定，频率越高，音调越高。
2. 音量：音量是指声音的大小或强度，由振动的振幅决定，振幅越大，音量越大。
3. 音质：音质是指声音的特色或品质，不同的声音有着独特的音质，它由声音的频谱组成，即不同频率的声波分量。
四、声音的测量声音的测量可以使用声级和频率来进行。
1. 声级是关于声音强度的测量。
由于人耳对不同频率的声音有不同的敏感性，声级通常使用分贝（dB）单位来表示，分贝数越高，声音越大。
2. 频率是指声音的振动频率，单位是赫兹（Hz）。
我们通常使用声音的频率来区分不同的音调，低频率对应低音，高频率对应高音。
五、声音的反射与吸收声音在遇到障碍物时会发生反射和吸收。
当声音遇到光滑的表面时，大部分能量会反射回去，形成回声。
而松软的物体则会吸收声音能量，减弱声音的强度。
六、共鸣现象共鸣是指当外界振动频率与物体本身固有频率相同时，物体会发生共振现象。
共鸣会导致物体振动幅度增大，声音更加响亮。
七、声音在不同媒介中的传播声音在不同媒介中的传播速度不同。
在空气中，声音的传播速度约为343米/秒；在水中，传播速度约为1482米/秒；在钢铁中，传播速度可达到5000米/秒以上。
声波的接收原理(2)
西北工业大学航海学院环境工程系
二Байду номын сангаас声强计原理
第二个公式可以得到质点振速为：
vr = −
1
ρ0
∫
p1 − p 2 dt Δ
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声学基础
二、声强计原理
这样，可以获得空间一点的声强：
I =−
1 2 ρ0Δ
( p1 + p2 ) ∫ ( p1 − p2 ) dt
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二、声强计原理
设有两声压接收器，相背而置，其 间距 Δ 与声波波长相比很小，可以 认为：
1 p = ( p1 + p2 ) 2
Fundamentals of Acoustics
p1 − p 2 ∂p = Δ ∂r
Fa =| p a | ( ab ) D
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声学基础
一、多声道干涉原理
其中指向性因子为：
πb s in (1 − c o s θ ) λ D = πb (1 − c o s θ ) λ
因此，这是一种强指向性的传声器，具 有很强的抗噪声能力。
声 学 基 础
声波的接收原理（2）
上 节 回 顾
引论 压强原理 压差原理 压强与压差复合原理
Fundamentals of Acoustics
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声学基础
内 容 提 要
多声道干涉原理 声强计原理 声波的散射
声音的传播与声学原理
声音的传播与声学原理声音是我们日常生活中不可或缺的一部分，它通过介质的震动传播到我们的耳朵中，让我们能够听到各种各样的声音。
声音的传播与声学原理是一个复杂而又有趣的话题，本文将对声音的传播过程和声学原理进行探讨。
一、声音的传播过程声音传播的基本过程可以归纳为三个步骤：声源的产生、声波的传播和声音的接收。
首先，声源的产生是声音传播的起点。
声源可以是各种各样的物体，比如说乐器、人的声带、机器等。
当声源振动时，会产生声波。
接下来，声波通过介质（通常是空气）的震动传播。
当物体振动时，会引起周围介质的压缩和膨胀，形成机械波，即声波。
声波是通过分子之间的相互碰撞传递能量的，它以波的形式向外传播。
最后，声音被接收。
当声波传播到达我们的耳朵时，会使耳膜振动，进而激发听觉神经信号传输到大脑，我们才能够感知到声音。
二、声学原理声学原理是研究声音的物理特性和传播规律的学科。
下面我们将介绍几个与声学相关的重要原理。
1.声源与频率声源的产生与物体的振动有关，不同的振动形式会产生不同的频率。
频率是指物体振动的次数，单位为赫兹（Hz）。
人类可以听到的声音频率范围约为20 Hz 到 20,000 Hz，这个范围称为听觉频率范围。
低于20Hz的声音被称为次声音，高于20,000 Hz的声音被称为超声音。
2.声波的传播速度声波在不同介质中的传播速度是不同的，主要受介质的性质影响。
在空气中，声波的传播速度约为343米/秒。
而在固体和液体中，声波的传播速度会更快。
3.声音的强度和音量声音的强度与声音的振动幅度有关。
振动幅度越大，声音的强度就越高。
声音的强度单位是分贝（dB），分贝数越大，声音越强。
人耳对声音强度有一定的范围感知，通常声音强度超过85dB会被认为是噪音。
音量是人们对声音强度的主观感受，它与声音的强度并不完全相同。
声音的音量是通过改变声音的强度和频率来实现的。
4.声音的衍射与反射声音在传播过程中会发生衍射与反射。
衍射是指声波遇到障碍物时发生弯曲和传播方向改变的现象。
水声学声学基础声波的辐射和接收
我们探索了降低声波传播损失的方法，例如采用新型声学材料和优化声 波传播路径，这有助于提高声波探测和通信的距离和可靠性。
未来研究方向与展望
复杂环境下的声波传播特性
未来的研究可以进一步探索声波在复杂环境下的传播特性，例如浑浊水、多径传播和声波 散射等，以提高声波探测和通信的鲁棒性。
声波与物质的相互作用
声衰减
传播路径
声波在传播过程中可能会遇到障碍物、 界面和不同介质，导致反射、折射和 散射等现象。这些因素会影响声波的 传播路径和强度。
声波在传播过程中会逐渐减弱，这是 由于声能转化为热能、散射和吸收等 能量损失。
04
声波的接收
接收器类型与特性
压电式接收器
利用压电材料的压电效应将声波 转换为电信号，具有较高的灵敏
研究成果总结
01
声波辐射和接收机制的深入理解
通过对声波在水中的辐射和接收过程的深入研究，我们获得了对声波传
播机制的更深入理解，这有助于优化声波探测和通信系统。
02 03
声波传播特性的测量和模拟
通过实验和数值模拟，我们测量了声波在不同条件下的传播特性，包括 温度、盐度、压力和流速的影响。这些结果为声波传播模型的改进提供 了重要依据。
深度测量
通过声波传播时间测量水深，为海洋科学研究提 供基础数据。
定位系统
利用声波传播速度和时间差，实现水下定位和导 航。
海洋环境监测
海洋地质勘查
01
通过声波探测海底地形地貌、地质构造等信息。
海洋生态监测
02
利用声学方法监测水下生物活动、分布和数量，评估海洋生态
系统健康状况。
海洋气象监测
03
通过声波传播速度和频率变化，监测海流、温度、盐度等海洋
声波通讯原理
声波通讯原理
声波通讯是一种利用声波传递信息的通信方式。
它通过将声音信号转换为电信号，并通过传输介质（如空气或水）传输到接收方。
声波通讯原理主要包括了以下几个步骤：
1.声音信号的转化：首先，发送方将要传递的信息转化成声音信号。
这通常通过麦克风或其他声音传感器实现，它们能够将声音中的机械能转化为电能。
2.信号编码与调制：接下来，声音信号需要经过编码和调制的过程，以便能够在传输过程中保持其完整性和可靠性。
这可以通过将信号转化为数字信号，并应用调制技术（例如频率调制或幅度调制）来实现。
3.传输介质：声波通讯使用声波作为传输媒介。
声波是一种机械波，通过物质的振动传播。
在大气中或水中传输时，声波以分子的振动来传递信息。
4.传输和接收：发送方产生的声波信号通过传输媒介传播到接收方。
接收方接收到传输过来的声波后，将其转化为电信号，以便进行后续的处理和解码。
5.信号解码与转化：接收方在接收到电信号后，进行解码和转化的过程，将其恢复为原始的声音信号。
这可以通过解调和解码技术来实现，以得到原始的信息。
声波通讯的原理基于声波的传输特性和电信号的转化过程，通
过传输媒介将信息从发送方传递到接收方。
它被广泛应用于各种领域，包括无线通信、语音识别、声纳等。
声波的接收原理(1)
1 + ( kr ) kr
2
因此，即使有 ka < 1 ，该传声器也有 指向性。
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三、压差原理
将传声器置于点源的近场，有：
kr << 1
于是：
| pa |N Fa | N ≈ S Δ cos θ rN
Fundamentals of Acoustics
Fundamentals of Acoustics
j (ωt − kr )
pa = A / r
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二、压强原理
如果声波入射方向与振膜法线成交角
θ
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二、压强原理
则声压可以表示成：
因此，传声器具有指向性。
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西北工业大学航海学ka < 1 （低频条件下），有：
F = pa Se
j (ωt − kr )
此时，传声器没有指向性。
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四、压强与压差复合原理
压强与压差复合式传声器：利用声场中相 邻两点的压强差发生响应原理做成的接收器。
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声学基础
四、压强与压差复合原理
设振膜的面积为 S ，类比声阻抗 为 Z AD ，腔体的体积为
V ，电容 为 Ca ，其中的声阻材料的声阻为 Ra ， 振膜的体积速度为 U D ，流经空气的体积 速度为 U a ，空腔的厚度为 Δ 。
声学声波与声音传播的原理
声学声波与声音传播的原理声学是研究声波和声音的科学领域，它涉及声波的产生、传播和接收等方面的原理。
声音作为一种在空气、水、固体等介质中传播的能量波动，对人类的生活和工作产生着重要的影响。
本文将介绍声学声波的特性以及声音传播的原理。
一、声学声波特性声波是由物体振动引起的一种机械波，它需要介质传播，例如空气、水和固体等。
声波的传播速度与介质的性质有关，一般情况下，声音在固体中传播速度较快，而在气体中速度较慢，在液体中居中。
声波的特性主要包括频率、振幅和波长：1. 频率：声波的频率是指单位时间内波动的次数，用赫兹（Hz）表示。
频率高低决定了声音的音调，频率越高，声音越高。
2. 振幅：声波的振幅是指声音波动的幅度，也就是声音的大小。
振幅越大，声音越响亮。
3. 波长：声波的波长是指相邻两个波峰（或波谷）之间的距离。
波长与频率和传播速度有关，通常用米（m）表示。
二、声音传播的原理声音的传播是指声波在介质中的传播过程，它遵循一定的物理规律。
声音的传播可以分为三个阶段：声源产生声波、声波在介质中传播、接收者接收声波。
1. 声源产生声波：声波的产生是由物体的振动引起的。
当物体振动时，周围的空气分子也会随之振动，形成声波并向四周传播。
2. 声波在介质中传播：声波通过分子之间的相对位移在介质中传播。
在传播过程中，声波会发生衰减，衰减的程度与介质的性质有关，如温度、湿度等因素。
3. 接收者接收声波：当声波达到接收者时，接收者的耳朵或者其他接收装置会将声波转化为神经信号，通过神经系统传递到大脑，人们才能感知到声音。
三、声音传播的应用声音的传播对于人类的生活和工作有着广泛的应用。
以下是一些常见的应用领域：1. 通信与广播：声音的传播是人际交流的一种重要方式，电话、对讲机、广播等设备都是利用声波进行信息传递。
2. 音乐与娱乐：声音传播在音乐和娱乐领域有着重要的作用，人们通过声音表达情感、欣赏音乐和观看电影等。
3. 医学与生物学：声音传播的原理也在医学、生物学等领域得到应用，如超声波在医疗诊断中的应用。
声呐接收声波的原理是
声呐接收声波的原理是声呐（Sonar）是一种利用声波进行探测和测距的技术。
它利用声波在水、空气或其它介质中的传播特性，通过发送声波并接收其回波来探测目标的位置、形状、运动状态等信息。
声呐在海洋、水下探测、导航和通信等领域得到广泛应用。
其原理主要包括声波的产生、传播以及接收等方面。
声波的产生通常是通过声发射器实现的。
声发射器将电能转化为机械能，通过某种机制产生声波。
声波可以是传统的机械振动波，也可以是一种特定频率的脉冲波。
声发射器通常由压电材料制成，当施加于它们上的电场改变时，会引起振动。
振动的频率和幅度决定了产生的声波的特性。
声波在介质中传播时，会发生折射和衍射等现象。
声波沿直线传播，但在不同介质之间传播时会发生折射，即声波的传播方向会发生偏转。
声波也能够绕过物体边缘的障碍物传播，这是因为声波在遇到障碍物时会发生衍射现象，即声波沿着障碍物的边缘散开。
声呐的关键部分是接收器，它用于接收声波的回波并将其转化为电信号。
接收器通常也是由压电材料制成。
当声波作用于接收器时，会引起压电材料产生应变，从而产生电荷。
这个电荷信号会经过放大、滤波等处理后，最终被转化为可供分析和处理的电信号。
接收器的灵敏度和频率响应等特性是影响声呐性能的重要因素。
声呐的工作原理是基于声波的传播特性。
当发射器发出声波后，它会在介质中传播，遇到目标物体时会发生反射。
这部分反射的声波即为声呐接收的回波。
回波的强度、时间延迟以及频率特性等信息包含了目标的位置、形状和运动状态等信息。
通过对回波进行处理和分析，可以确定目标的距离、方位角和俯仰角等参数。
为了实现高精度的探测和测距，声呐通常采用多普勒效应和时差测距原理。
多普勒效应是指当目标物体相对于声源或接收器运动时，回波的频率会发生变化。
通过测量回波的频率变化，可以得到目标物体的运动速度。
时差测距原理是利用声波传播的速度和回波到达接收器的时间差，根据声波在介质中的传播速度计算目标的距离。
总之，声呐利用声波的传播特性进行目标探测和测距。
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=
1
0
p dt 1
r
0
p1 p2 dt
于是，r点的声强为
Ir
1
20
( p1
p2 )
( p1 p2 )dt
1、电子加法器和减法器实现2个声压的加、减； 2、电子积分器实现时间积分； 3、时间平均——得到声强。
近似程度分析
p p ei[tk (r / 2)]
cos
S
A(1 ikr) r2
cos exp[i(t
kr)]
S (1 ikr) p cos
r
——即使在低频，也有指向 性！
近场kr<<1 远场kr>>1
(F)N
S
1 rN
( p)N cos
(F )F iSk( p)F cos
比值
| (F )N | c0 | ( p)N | 1
例：振膜a=0.02m 低频条件对应的频率
ka 2 fa 1
c0
f c0 2700Hz
2 a
——测量声场时，传声器要求对向声源！
压差式传声器 垂直入射 振膜受到的作用力
F ( p1 p2 )S
倾斜入射
入射声波为
p A exp[i(t kr)]
r
F
S
p r
低频：| D() |1
高频：有很强的指向性！
例：b=0.34m, =b=0.34m
f=1000Hz
——1000Hz以上开始已有很好的指向性！——强指向 性——强的抗噪声能力！——噪声环境中提取远距离 声信号！——电视广播现场录音！
声强计原理
声压：标量——测量空间一点的声压，无法知道声波的 来源和去向！ 声强：矢量——声能流的方向——能够有效提供噪声源 的重要信息！
| (F )F | rN | ( p)F |
即使
| ( p)N || ( p)F |
| (F )N | c0 1
| (F )F | rN
例：f=1000Hz, rN=0.01m
| (F )N | 5.4 | (F )F | ——近场灵敏度更高！
压差式传声器的特点
1、高、低频都有同样的指向性！2、近场有较高的灵敏 度！ ——较强的抗噪声能力！
1
0
1、振幅的影响可忽略——远 场近似；2、两个声压计有同
p p ei[tk (r / 2)]
2
0
样的位相。
Ir
1 T
T
0 Re( p) Re(vr )dt
1
T
T 0
Re(
p1
p2 )
Re
1
i0
p1
p2
dt
1 2
p02
0c0
sin k k
不同。距离振膜中心的线上，声波的相位相同
p A eit exp[ik(r sin)]
r
A ei(tkr) exp(ik sin)
r
F pdS A ei(tkr) exp(ik sin)dS r
矩形面元
dS 2 a2 2 d
F A ei(tkr)
声强的测量：必须测量空间一点的声强以及某待测 方向的速度分量！
声强计的结构
设入射声压为
p p0 exp[i(t kr)]
面1和面2接收到的声压为 p1和p2, 那么r点的压强和r 方向的梯度近似为
p
1 2
(
p1
p2 );
p r
1
(
p1
p2 )
媒质质点速度在r方向的分量
vr
F
A r
ei(t
kr
)
1 2
a2
2 exp(ika sin cos )2sin2 d
0
A ei(tkr ) r
a2[J0 (ka sin)
J2 (ka sin)]
A ei(tkr ) r
S
2J1(ka sin) ka sin
SIL=10log0.81 0.90dB
——测量值比真值小0.90dB——频率越高，误差越大！
低频限制
要求两个声压计的输出有同样的位相！事实上是做不 到的！一般两个声压计的输出有位相差
那么
p p ei[tk (r / 2)]
1
0
p p ei[tk (r/ 2)]
0
A ei(tkr) a2 2 exp(ika sin cos )(1 cos2 )d
r
0
利用关系
cos2 1 (1 cos2 )
2
Jn (x)
1
2 in
2 eixcos cos n d
0
J n 1 ( x)
2n x
Jn
(x)
J n1 ( x)
压差式与压强式传声器的比较
| (F)压差 | Sk cos 2 f cos 1
| (F)压强 |
S
c0
例：=0， f=1000Hz，=2×10-2m
| (F)压差 | 2 f cos 0.37
| (F )压强 | c0
——压差式传声器灵敏度低于压强式传声器！
声雷达：大气的流 动、温度分布对声 的传播有很大的影 响！
海水中：只能传播 入射波 声波，声波是唯一 的探测潜艇的手段！
散射波
7.1 声波的接收原理
压强式传声器
垂直入射
振膜受到的作用力
F pS
倾斜入射
F pdS
入射声波为
p A exp[i(t kr)]
r
假定声波的振幅在振膜上是均匀的（一般在远场接收— —分母的不同可忽略），而振膜上各点到达声波的相位
压强-压差式复合传声器
振膜上的作用力
F GS(1 B cos) p
——G, B与传声器声学元件 参数有关，适当选择参数， 可使
p,
F
GS
p(1
cos),
p cos
B 0, B 1, B 1,
—压强型 —压强-压差复合型
压差型
压强-压差式复合传声器的指向性
a
exp(ik sin cos )2
a2 2d
r
a
作积分变换 acos d a sin d
注意：根据几何意义，从02积分，圆面扫过2次，故
F
A r
ei(t kr )
1 2
a2
2 exp(ika sin cos )2sin2 d
如何测量空间一点r的声压？
——在r放置测量传声器。
问题：传声器的放置对原 来的声场影响如何？
——由于放入了传声器，r 点的声是入射声+散射声。 如果散射声足够小，可忽 略不计，那么测量得到的 声压近似等于原来的声压。
——传声器的散射特性如
O
何？
p(r,t) •
如何探测物质分布？
波：电磁波（光波）；声波；物质波 电磁波雷达：飞机
F
S
ei(tkr )
2J1(ka sin) ka sin
p
——传声器受力与声波的入射方向有关！——传声 器的指向性！
低频
ka 2 a 1
2J1(ka sin) 1 ka sin
F AS ei(tkr) r
——无指向性, 测量值等于入射声压值！
SIL
10log.2dB
——测量值比真值低2.2dB——频率越低， k越小， 因此误差越大！
Ir
sin k k
——真实声强Ir与测 量声强的关系！
声强级误差
SIL=10log Ir 10log Ir =10log sin k
Iref
Iref
k
高频限制
如果：k<<1, SIL=0，频率变高， k~1
=6×10-3m, f=10kHz, c0=340m/s
sin k 0.81 k
2
0
Ir
1 2
p02
0c0
sin(k ) k
Ir
sin(k k
)
SIL=10log Ir 10log Ir =10log sin(k )
Iref
Iref
k
低频
SIL=10log
sin(k k
)
10log 1
k
=0.5º, f=200Hz, =6×10-3m
——心形指向性——只对正前 方半球范围内的入射声发生响 应——单向传声器——舞台演 出使用！ 多声道干涉传感器
振膜上的作用力
F ab eikl eikb(1cos)/ 2 D()
传声器的指向性
sin b (1 cos)
| D() |
b (1 cos)
——与长度b与波长的比值有关