第五章 声波
合集下载
第五章9(声波在管道中传播)解析
课程: 职业卫生
第3章 声波在管道传播
3.4.2有限长封闭管旁支
旁支管口的声阻抗可表示为
显然，假如: 即旁支管长度等于声波波长1/4的奇数倍时,管口产生强烈 驻波共振使声波在旁支产生短路导致声波透射为零，全部 被旁支所阻断
课程: 职业卫生
第3章 声波在管道传播
3.5 管中阻尼与声阻
在前面讨论管中声传播，没有考虑管中存在阻尼，认为 声波在管中传播时不会出现声的耗损． 虽然我们可以认为管中介质是理想的，或者说在频率不 太高的音频范围，介质本身对声波的吸收并不大而可以忽略 由于声波是在管道中传播的，管壁对介质运动要产生影 响．管子较细或者频率较高时，管中各层之间的质点速度会产 生速度梯度引起摩擦从而导致管中声波产生显著摩擦阻尼，造 成声传播过程的热耗损．
声抗表现一声质量抗
将该声阻抗率除以管子的面积S ，可得细短管的声阻抗:
声抗表现一声质量抗
课程: 职业卫生
第3章 声波在管道传播
3 . 5 . 3 细管的声阻抗
细短管的声阻与管长L ，管径a ，声波频率f 等都有关 管子愈长，管子愈细，频率愈高，声阻就愈大
在工程应用中常常是在一个板中穿有很多孔，组成穿孔结构． 设在板上每单位面积上穿有长为L的N 个小孔．每个孔的面积 为S0，可以定义b=NS0为穿孔面积比．
课程: 职业卫生
第3章 声波在管道传播
3 . 5 . 5毛细管声阻抗
其中声阻与声质量分别为 ：
从上面结果可以看出，多孔吸声材料的声阻通常是与毛细 孔长L成正比，与毛细孔面积S0 的平方，穿孔面积比，成反 比．
这就是说在同样面积时，材料愈厚或孔隙愈少，其声阻愈 大．
课程: 职业卫生
第3章 声波在管道传播
3 . 6声波导理论及平面波截止频率
第3章 声波在管道传播
3.4.2有限长封闭管旁支
旁支管口的声阻抗可表示为
显然，假如: 即旁支管长度等于声波波长1/4的奇数倍时,管口产生强烈 驻波共振使声波在旁支产生短路导致声波透射为零，全部 被旁支所阻断
课程: 职业卫生
第3章 声波在管道传播
3.5 管中阻尼与声阻
在前面讨论管中声传播，没有考虑管中存在阻尼，认为 声波在管中传播时不会出现声的耗损． 虽然我们可以认为管中介质是理想的，或者说在频率不 太高的音频范围，介质本身对声波的吸收并不大而可以忽略 由于声波是在管道中传播的，管壁对介质运动要产生影 响．管子较细或者频率较高时，管中各层之间的质点速度会产 生速度梯度引起摩擦从而导致管中声波产生显著摩擦阻尼，造 成声传播过程的热耗损．
声抗表现一声质量抗
将该声阻抗率除以管子的面积S ，可得细短管的声阻抗:
声抗表现一声质量抗
课程: 职业卫生
第3章 声波在管道传播
3 . 5 . 3 细管的声阻抗
细短管的声阻与管长L ，管径a ，声波频率f 等都有关 管子愈长，管子愈细，频率愈高，声阻就愈大
在工程应用中常常是在一个板中穿有很多孔，组成穿孔结构． 设在板上每单位面积上穿有长为L的N 个小孔．每个孔的面积 为S0，可以定义b=NS0为穿孔面积比．
课程: 职业卫生
第3章 声波在管道传播
3 . 5 . 5毛细管声阻抗
其中声阻与声质量分别为 ：
从上面结果可以看出，多孔吸声材料的声阻通常是与毛细 孔长L成正比，与毛细孔面积S0 的平方，穿孔面积比，成反 比．
这就是说在同样面积时，材料愈厚或孔隙愈少，其声阻愈 大．
课程: 职业卫生
第3章 声波在管道传播
3 . 6声波导理论及平面波截止频率
地下工程监测与检测技术-第五章 地下工程中的声波测试技术
地下工程监测与检测技术
第五章 地下工程中的声波测试技术
人民交通出版社
内容提要
声波测试技术 声波测试技术在围岩测试中的应用 声波测试技术在地下混凝土结构质量评价中的应用 传感器的选择和标定
第一节 声波测试技术
声波测试技术是研究人工激发或者岩石断裂产生的声波在岩体内 的传播规律，并据此判断岩体内部结构状态、应力大小、弹性参量及
孔中折射波法又称单孔测试法，它是将特制的单孔换能器放入钻孔
中，接收通过岩壁的折射波，并沿钻孔延深方向逐段观测声波参数的变 化，从而确定所通过地层的层位、构造、破碎情况以及岩石的物理力学
性质等。这种方法在工程中常用来测定井巷围岩破碎范围，查明围岩结
构，进行工程质量评价等。
第二节中传播得多远，介质质点仅能
围绕其平衡位置在一个非常小的空间内振动或转动。波在传播 中的速度称为波速度。
根据声波的振动方向与波传播方向的关系，可把声
波分为纵波和横波。若质点的振动方向与波的传播方向 一致，这种波称为纵波，又称为压缩波。若质点的振动 方向与波的传播方向垂直，这种波称为横波。在气体和 液体中的声波只能是纵波，而在固体中声波即有纵波又 有横波。岩体属于固体，故在岩体中声波的传播，即包 括纵波又包括横波的传播。
安放仪器的平台（或吊桶）上加防水罩，同时在仪器上面加盖防
水塑料雨布。当仪器安放位置远离测孔，原换能器电缆长度不够， 而需另加接电缆时，应保证电缆接头的芯线与屏蔽线之间有良好
的绝缘，其外层应采用胶带包好并用树脂胶密封，使其具有一定
的防水功能。
三、其他测试 仪器下井测试方法是将两吊桶同步运行法在井筒施工中。若 使用吊桶提升时，可将仪器安放在其中一个吊桶内，而把测孔布 置在另一个吊桶侧，测试时两吊桶同步运行。罐笼上做临时平台 进行测试当井筒内用罐笼提升时，可在罐笼上搭设临时平台，设 置护栏，测试人员系好安全带，钻眼与测试工作在收时平台上进 行。
第五章 地下工程中的声波测试技术
人民交通出版社
内容提要
声波测试技术 声波测试技术在围岩测试中的应用 声波测试技术在地下混凝土结构质量评价中的应用 传感器的选择和标定
第一节 声波测试技术
声波测试技术是研究人工激发或者岩石断裂产生的声波在岩体内 的传播规律，并据此判断岩体内部结构状态、应力大小、弹性参量及
孔中折射波法又称单孔测试法，它是将特制的单孔换能器放入钻孔
中，接收通过岩壁的折射波，并沿钻孔延深方向逐段观测声波参数的变 化，从而确定所通过地层的层位、构造、破碎情况以及岩石的物理力学
性质等。这种方法在工程中常用来测定井巷围岩破碎范围，查明围岩结
构，进行工程质量评价等。
第二节中传播得多远，介质质点仅能
围绕其平衡位置在一个非常小的空间内振动或转动。波在传播 中的速度称为波速度。
根据声波的振动方向与波传播方向的关系，可把声
波分为纵波和横波。若质点的振动方向与波的传播方向 一致，这种波称为纵波，又称为压缩波。若质点的振动 方向与波的传播方向垂直，这种波称为横波。在气体和 液体中的声波只能是纵波，而在固体中声波即有纵波又 有横波。岩体属于固体，故在岩体中声波的传播，即包 括纵波又包括横波的传播。
安放仪器的平台（或吊桶）上加防水罩，同时在仪器上面加盖防
水塑料雨布。当仪器安放位置远离测孔，原换能器电缆长度不够， 而需另加接电缆时，应保证电缆接头的芯线与屏蔽线之间有良好
的绝缘，其外层应采用胶带包好并用树脂胶密封，使其具有一定
的防水功能。
三、其他测试 仪器下井测试方法是将两吊桶同步运行法在井筒施工中。若 使用吊桶提升时，可将仪器安放在其中一个吊桶内，而把测孔布 置在另一个吊桶侧，测试时两吊桶同步运行。罐笼上做临时平台 进行测试当井筒内用罐笼提升时，可在罐笼上搭设临时平台，设 置护栏，测试人员系好安全带，钻眼与测试工作在收时平台上进 行。
第5章 声波散射
球平面波在柱坐标中的表达式，为上把平面波展 开为三角级数
e
jkr cos
Cm cos m ,
m0 2 jkr cos e d J 0 kr 0 jkr cos
1 C0 2 Cm 1
m0
m
2
e
0
cos md 2 j J m kr
散射波为各阶球面波的叠加，因此具有轴对称的 方向性。
在远场 (kr 1)
ps (r , , t ) p0
e
j (t kr )
kr
b e
l 0 l
j
l 1 2
P l (cos )
e j (t kr ) p0 a R( ) r 其中
（5-1-11）
散射波的方向性图案与ka的变化
○ 由图可以看出，当低频散射时，球半径与波长相对较小时， 球前方散射比较均匀。当频率增高时，开始出现花瓣，并 且频率越高，花瓣越多，与此同时，在球后面的尾巴逐渐 拉长。球背面的散射声波将和入射声波产生复杂的干涉。
平面声波在球面上产生的声压分布
5-1-3 刚性不动微小粒子对平面波的散射 对于刚性微小粒子的散射可以看作是球在低频时 的散射情况，这时ka<<1。 由于ka<<1时，bl的数值随l的增大而减小，所以 对于低频散射情况，可只取零阶和一阶分量作为 近似解。其中零阶对应于小球的脉动，一阶对应 于小球沿声传播方向的振动。即散射声场等于零 阶球面波和一阶球面波的和。
式中
bl
2
(2l 1)
2
j l ( ) 2 2 j ( ) n ( ) l l
2
特种焊接技术--第五章超声波焊接
1-发生器 2-换能器 34-耦合杆 A-发生器 B聚能器 -声学系统 5-上声极6-焊件7-下声级8-电磁加压装臵 C-加压机构 D-控制装臵 9-控制加压电源10-程控器 19 材料科学与工程学院 压力焊
材料科学与工程学院
19
特种焊
1、超声波发生器 是焊机的核心设备。它是一种具有超声频率的 正弦电压波的电源，实质是一个包括机械振动系统 在内的单级或多级放大的自激振荡器。作用是将工 频（50Hz） 电流变成 15 ~ 60Hz 的震荡电流，并通 过输出变压器与换能器相耦合。 2、声学系统 超声波的关键部件，是电声耦合装臵（声学系 统），由换能器、聚能器（变幅杆）、耦合杆（传 振杆和上下声极）等组成。 主要作用是传输弹性振动能给焊件，以实现焊 接。声学系统设计的关在于按照选定的频率计算每 个声学组元的自振频率。
11
特种焊 2、缝焊 缝焊时超声波通过旋转运动的圆盘状声极传输 给工件，形成具有密封性的连续焊缝。 缝焊可以获得密封的连续焊缝。通常工件被夹 持在上、下焊盘之间。在特殊情况下可采用平板式 下声极。
材料科学与工程学院 压力焊 辽宁工程技术大学 材料科学与工程学院
12
12
特种焊 3、环焊 用环焊方法可以一次形成 封闭形焊缝，采用的是扭转振 动系统。焊接时焊盘扭转，振 动振幅相对于声极轴线呈对称 线性分布，轴心区振幅为零， 焊盘边缘振幅最大。显然环焊 最适用于微电子器件的封装工 艺。有时环焊也用于对气密要 求特别高的直线焊缝场合，此 时可采用部分重叠环焊方法， 类似缝焊获得连续直线焊缝。
材料科学与工程学院 压力焊 辽宁工程技术大学 材料科学与工程学院
20
20
特种焊 （1）换能器 将发生器的电震荡能转换成相同频率的机械振 动能，是焊机的机械振动源。有磁致伸缩式和压电 式两种。 磁致伸缩效应是当铁磁材料臵于交变磁场中， 将会在材料的长度方向发生宏观的同步伸缩变形现 象，常用镍片和铁铝合金，工作可靠，但换能效率 仅为20~30%，已被压电式换能器所替代。 压电式是利用某些非金属压电晶体（如石英、 锆酸铅、锆钛酸等）的逆压电效应。当压电材料在 一定晶面上受到压力或拉力时，会出现电荷，称为 正压电效应；反正，当在压电轴方向馈入交变电场 时，晶体会沿一定方向发生同步收缩现象，称逆压 电效应。效率高达80~90%，但寿命短。
第5章_结构的声辐射特性
值求出后，可得到速度响应：
V (x, y, t) iW (x, y)eit
F ua (Ra iχa )ds ua (Rs iχs ) ua Zs
S
Z s Rs i s
❖ 上式表明，结构在介质中振动时，声场的作 用表现为在结构系统中增加了一外作用力， 此力可等效为附加的机械阻抗，它作为声源 声辐射的负载，称为辐射阻抗。
❖ 其实部称辐射阻，它吸收有功功率，实际上 是结构的部分机械能转换成向介质中辐射的 声能；
kz
dkxdk y
kz
k2
k
2 x
k
2 y
,
k2
k
2 x
k
2 y
kz j
k
2 x
k
2 y
k2
,
k2
k
2 x
k
2 y
声场是无限的，所以不考虑声波的反射 因为声源都在板的表面上，而注意到这是一个薄板，最后式 (5.40)可以简化为在板的上下表面的积分。这样，板的上下 表面的法线就分别是Z轴的正负方向
x 2
r 2
r r
r 2 2
c
2 f
t 2
❖ 对于简谐波 p f Pf exp( it)
Pf (x, r, ) Z (x)(r)R(r)
d
2
R
dr 2
1 Z
d2Z dx 2
k
2 x
d 2 n2 0 d 2
1 r
dR dr
(k
2 r
n2 r2
)R
0
Z ( x)
( )
A1 exp(ikx x)
V
y0
1
i 0
(
p y
)
V (x, y, t) iW (x, y)eit
F ua (Ra iχa )ds ua (Rs iχs ) ua Zs
S
Z s Rs i s
❖ 上式表明，结构在介质中振动时，声场的作 用表现为在结构系统中增加了一外作用力， 此力可等效为附加的机械阻抗，它作为声源 声辐射的负载，称为辐射阻抗。
❖ 其实部称辐射阻，它吸收有功功率，实际上 是结构的部分机械能转换成向介质中辐射的 声能；
kz
dkxdk y
kz
k2
k
2 x
k
2 y
,
k2
k
2 x
k
2 y
kz j
k
2 x
k
2 y
k2
,
k2
k
2 x
k
2 y
声场是无限的，所以不考虑声波的反射 因为声源都在板的表面上，而注意到这是一个薄板，最后式 (5.40)可以简化为在板的上下表面的积分。这样，板的上下 表面的法线就分别是Z轴的正负方向
x 2
r 2
r r
r 2 2
c
2 f
t 2
❖ 对于简谐波 p f Pf exp( it)
Pf (x, r, ) Z (x)(r)R(r)
d
2
R
dr 2
1 Z
d2Z dx 2
k
2 x
d 2 n2 0 d 2
1 r
dR dr
(k
2 r
n2 r2
)R
0
Z ( x)
( )
A1 exp(ikx x)
V
y0
1
i 0
(
p y
)
剧场的声学设计
剧场的声学设计(总5页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--第五章剧场的声学设计厅堂的形状、体积、边界面的布置和表面处理、地面起坡、座位排列、观众容量以及装修材料的选择等，在很大程度上影响着观众厅的声学效果。
因此声学处理不应当是建筑设计的追加手段，而应该融于建筑整体设计之中。
第一节室内声波传播特性声波在传播过程中，当遇到障碍物，如墙、孔洞等，将产生反射、吸收、穿透、绕射现象，在室内由于多次反射会引起混响。
1．声波的反射声波在传播过程中遇到不同的介质时，波速将发生突变（空气中为340m/s,砖和砼中约为4000m/s）。
在波速突变的分界面上，入射波的一部分返回原介质继续传播，这部分叫反射波。
这种现象叫做波的反射。
◇反射声比直达声总是要延迟一定的时间到达接收处，其延迟的时间叫做时差。
◇时差在5毫秒以内的反射声叫做短延时反射声，能使人产生声源位移的感觉。
◇延迟时差为5~50毫秒，即声程差~17米的反射声，叫做前次反射声。
这种反射声好象使原来直达声的延续，听起来相当于加强了直达声的强度。
这是影剧院建筑中所需要的。
◇反射声的延迟时差超过50毫秒，且声压级较强，能听到两个声音，这就是回声，应避免。
◇延迟时差虽然超过50毫秒，但声压级较低，湮没在一个接一个的反射声中，分辨不出单个声音，也就是听不到回声，称为混响声。
在影剧院建筑中，根据观众厅的容积等情况，需要保证一定的时间。
2．吸声系数和吸声量不同介质对声的吸收是不同的，吸声能力较高的建筑材料称为吸声材料，一般，坚硬光滑，结构紧密和重的材料吸声能力差；反射能力强；粗糙松软，具相互贯穿的内外微孔的多孔材料则相反，如玻璃棉、矿棉、泡沫塑料、木丝板、微孔砖等，都是这类材料。
吸声系数：是表示材料吸声能力大小的量，用〆表示。
〆=吸收声能/入射声能数值在0~1。
〆同样也表示某材料单位面积的吸声量。
吸声量：用A表示。
A=S•〆单位：m2第二节厅堂音质要求与实现方法各种厅堂音质要求与实现方法1．室内所有座位，都有足够的声音响度控制体积；合理的体型设计，使观众席尽可能靠近声源；观众席起坡，抬高声源位置；提供充足的前次反射声。
特种焊接技术第五章超声波焊接ppt课件
2
§1 超声波焊原理及分类
一超声波焊接的原理
（一）超声波特性及焊接过程
金属超声波焊接时，
既不向工件输送电流，也
不向工件引入高温热源，
只是在静压力下将弹性振
动能量转变为工件间的摩
擦功、形变能及随后的温
升。接头间的冶金结合是
超声波焊原理图
在母材不发生熔化的情况 1-发生器 2-换能器 3-聚能器
下实现的。因此属于固态 焊接。
1、接触塑性流动层内机械嵌合 在大多数超声波焊中出现，对连接强度起重要 作用，在金属与非金属焊接时起主导作用。
2、金属原子间的键合 接头中常见的是显微组织在界面消失，而连接 部位存在大量被歪曲的晶粒，其晶粒大小与原始晶 粒度无明显差别，可认为是金属键的结合。
3、焊接过程中的金属间物理冶金反应 接头中存在由于摩擦生热而引起的冶金反应， 如再结晶、扩散、相变及金属化合物的形成等。是 有争议的问题：有人认为，焊接时间短（小于2s） 再结晶、扩散、相变难以实现。
率一般低于3~5％。
超声波焊缝的形成过程主要由震动剪切力、静 压力和接头区的升温三个因素所决定。
4
超声波焊接中能量转换与传递过程
电网 ~
50kHz
超声波 60~80kHz 发生器 电磁振荡
磁致伸缩 换能器
焊件
60~80kHz 机械振动
空气-传播超 16~80kHz. 声波声能 机械振动
上声极 改变方向
材料科学与工程学院
特种焊接技术
第五章 超声波焊接
1
人耳只能感觉到20～20000Hz 频率的声波，高
于 20000Hz的声波就是超声波了。超声波广泛地应 用在多种技术中，超声波有两个特点，一个是能量 大，一个是沿直线传播，它的应用就是按照这两个 特点展开的。
§1 超声波焊原理及分类
一超声波焊接的原理
（一）超声波特性及焊接过程
金属超声波焊接时，
既不向工件输送电流，也
不向工件引入高温热源，
只是在静压力下将弹性振
动能量转变为工件间的摩
擦功、形变能及随后的温
升。接头间的冶金结合是
超声波焊原理图
在母材不发生熔化的情况 1-发生器 2-换能器 3-聚能器
下实现的。因此属于固态 焊接。
1、接触塑性流动层内机械嵌合 在大多数超声波焊中出现，对连接强度起重要 作用，在金属与非金属焊接时起主导作用。
2、金属原子间的键合 接头中常见的是显微组织在界面消失，而连接 部位存在大量被歪曲的晶粒，其晶粒大小与原始晶 粒度无明显差别，可认为是金属键的结合。
3、焊接过程中的金属间物理冶金反应 接头中存在由于摩擦生热而引起的冶金反应， 如再结晶、扩散、相变及金属化合物的形成等。是 有争议的问题：有人认为，焊接时间短（小于2s） 再结晶、扩散、相变难以实现。
率一般低于3~5％。
超声波焊缝的形成过程主要由震动剪切力、静 压力和接头区的升温三个因素所决定。
4
超声波焊接中能量转换与传递过程
电网 ~
50kHz
超声波 60~80kHz 发生器 电磁振荡
磁致伸缩 换能器
焊件
60~80kHz 机械振动
空气-传播超 16~80kHz. 声波声能 机械振动
上声极 改变方向
材料科学与工程学院
特种焊接技术
第五章 超声波焊接
1
人耳只能感觉到20～20000Hz 频率的声波，高
于 20000Hz的声波就是超声波了。超声波广泛地应 用在多种技术中，超声波有两个特点，一个是能量 大，一个是沿直线传播，它的应用就是按照这两个 特点展开的。
南京大学_声学基础课件_第5章_声波在管道中的传播
Za
|x0
p U
x0
p vS
x0
1 1
| |
rp rp
| ei | ei
0c0
S
6
设负载的声阻抗为Za
1 1
| |
rp rp
| ei | ei
0c0
S
Za
Ra
iX a
| rp
| ei
ZaS 0c0 ZaS 0c0 a
|
rp
|2
( Ra S ( Ra S
0c0 )2 0c0 )2
W
1 2
Rr (0)u02
1 2
S 2Ra (0)u02
1 4
3
8
2
0c0Su02
如果管长等于零，声源辐射的平均声功率
Za (0)
0c0
S
lim l 0
Za (l)S i0c0 0c0 iZa (l)S
tan kl tan kl
lim
l 0
Za
(l
)
lim
l 0
Ra
(l)
Rr S2
0c0
2S
kx)]
23
突变区：声场复杂，提“法向速度连续”不确切！
近似：声波长>>突变区（不均匀区）——等效 成一点——质量守恒！
界面边界条件 声压连续(x=0)
pi pr pt
体积速度连续(x=0)
S1(vi vr ) S2vt
声压反射和透射系数
p0i p0r p0t S1( p0i p0r ) S2 p0t
而且与管道末端负载的声阻抗有关！
15
意义分析
管道末端刚性：Za(l)
Za (0)
水声学理论习题答案
《水声学》部分习题参考答案绪论1略2略3略4略5环境噪声和海洋混响都是主动声呐的干扰，在实际工作中如何确定哪种干扰是主要的？解：根据水文条件及声呐使用场合，画出回声信号级、混响掩蔽级和噪声掩蔽级随距离变化的曲线，如下图，然后由回声信号曲线与混响掩蔽级、噪声掩蔽级曲线的交点所对应的距离来确定混响是主要干扰，还是噪声为主要干扰，如下图，r R<r n，所以混响是主要干扰。
声信号级噪声掩蔽级R6工作中的主动声呐会受到哪些干扰？若工作频率为1000Hz，且探测沉底目标，则该声呐将会受到哪些干扰源的干扰。
解：工作中的主动声呐受到的干扰是：海洋环境噪声、海洋混响和自噪声，若工作频率为1000Hz，干扰来自：风成噪声、海底混响、螺旋桨引起的自噪声及水动力噪声。
7已知混响是某主动声呐的主要干扰，现将该声呐的声源级增加10dB，问声呐作用距离能提高多少？又，在其余条件不变的情况下，将该声呐发射功率增加一倍，问作用距离如何变化。
（海水吸收不计，声呐工作于开阔水域）解：对于受混响干扰的主动声呐，提高声源级并不能增加作用距离，因为此时信混比并不改变。
在声呐发射声功率增加一倍，其余条件不变的情况下，作用距离变为原距离的42倍，即R R 412 。
第一章 声学基础1 什么条件下发生海底全反射，此时反射系数有什么特点，说明其物理意义。
解：发生全反射的条件是：掠时角小于等于全反射临界角，界面下方介质的声速大于界面上方介质的声速。
发生全反射时，反射系数是复数，其模等于1，虚部和实部的比值给出相位跳变角的正切，即全反射时，会产生相位跳变。
2 略3 略第二章 海洋声学特性1 海水中的声速与哪些因素有关？画出三种常见的海水声速分布。
解：海水中的声速与海水温度、密度和静压力（深度）有关，它们之间的关系难以用解析式表达。
CCCz2 略3 略4 略5 略6 声波在海水中传播时其声强会逐渐减少。
（1）说明原因；（2）解释什么叫物理衰减？什么叫几何衰减？（3）写出海洋中声传播损失的常用TL 表达式，并指明哪项反映的主要是几何衰减，哪项反映的主要是物理衰减；（4）试给出三种不同海洋环境下的几何衰减的TL 表达式。
大气中的基本波动
u常 数 p， 0 , x
3）略去二阶小量
得到
u t
u
u x
fv
1 ρ
p x
3.标准波型法 在研究大气中基本波动时 1）先将方程组线性化，得到相应的扰动方程组;
2)将扰动方程组的形式解代入；
3)根据齐次边界条件确定频率方程，从而确 定相速方程。
数学上是线性偏微分方程的边值问题， 即本征值问题。
1.频率方程
自然界中常有一些物体在它们的平衡位置附近往返运 动，即为振动。最简单、最基本的振动形式是简谐振 动(周期性) ,简谐振动在空间的传播即为简谐波。
现以在弹性绳索上传播的一维简谐横波为例，分 析波动传播过程的物理实质。
t0
tT 4
tT 2
t 3T 4
tT
t 5T 4
L
1 2 34 567 89
横波
重力内波
3)产生机制
B
A
C
4)滤去重力内波的物理条件
a)限定运动仅在水平面内; b)水平无辐散的或准地转近似; c)中性层结。
§6 惯性振荡与惯性波
• 所谓惯性波就是原先处于静止状态的空气扰动、偏离
平衡位置后，在科氏力的作用下形成的波动，因为它发 生在大气内部且不受外界条件的影响，所以又称为惯性 内波。
§3 微扰法与方程组的线性化
1.基本假定 微扰法是将非线性方程进行线性化的一种有效方法。特 别适合于用来定性分析大气运动的某些基本性质。
1）将各种因变量分成两部分，一部分为运动的 基本状态，通常与时间t 和经度（x）无关；另一 部分是扰动部分，它表示各变量相对与基本状态 的偏差。
2）基本量也要满足原来的方程组和边界条件。
2)性质
∵c>>u 快速，高频率;双向（传播）波; 垂 直横波;非频散波。 ∵天气变化属于低频率变化，除个别特殊 情况，一般情况下对天气变化无重大影响。
3）略去二阶小量
得到
u t
u
u x
fv
1 ρ
p x
3.标准波型法 在研究大气中基本波动时 1）先将方程组线性化，得到相应的扰动方程组;
2)将扰动方程组的形式解代入；
3)根据齐次边界条件确定频率方程，从而确 定相速方程。
数学上是线性偏微分方程的边值问题， 即本征值问题。
1.频率方程
自然界中常有一些物体在它们的平衡位置附近往返运 动，即为振动。最简单、最基本的振动形式是简谐振 动(周期性) ,简谐振动在空间的传播即为简谐波。
现以在弹性绳索上传播的一维简谐横波为例，分 析波动传播过程的物理实质。
t0
tT 4
tT 2
t 3T 4
tT
t 5T 4
L
1 2 34 567 89
横波
重力内波
3)产生机制
B
A
C
4)滤去重力内波的物理条件
a)限定运动仅在水平面内; b)水平无辐散的或准地转近似; c)中性层结。
§6 惯性振荡与惯性波
• 所谓惯性波就是原先处于静止状态的空气扰动、偏离
平衡位置后，在科氏力的作用下形成的波动，因为它发 生在大气内部且不受外界条件的影响，所以又称为惯性 内波。
§3 微扰法与方程组的线性化
1.基本假定 微扰法是将非线性方程进行线性化的一种有效方法。特 别适合于用来定性分析大气运动的某些基本性质。
1）将各种因变量分成两部分，一部分为运动的 基本状态，通常与时间t 和经度（x）无关；另一 部分是扰动部分，它表示各变量相对与基本状态 的偏差。
2）基本量也要满足原来的方程组和边界条件。
2)性质
∵c>>u 快速，高频率;双向（传播）波; 垂 直横波;非频散波。 ∵天气变化属于低频率变化，除个别特殊 情况，一般情况下对天气变化无重大影响。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
动态平衡 ❖声扰动引起变化
2020/7/13
理论声学(1) 第五章
2
密度变化
r,t r,t 0
声压
p x, y, z,t pr,t p0
扰动后的压强减去平衡压强
逾量压强 逾压
瞬时声压
峰值声压
单位：Pa(帕) N/m2 bar(巴) = 100kPa
温度, 质点速度
2020/7/13
理论声学(1) 第五章
动量守恒定律
• 体力 fdV
V
• 相邻介质的作用力 pdS
• 流出介质带走动量 v v n dS
• 声源带来的动量 vwdV
V
2020/7/13
理论声学(1) 第五章
16
t
V
vdV
V
vwdV
V
fdV
S
pndS
S
v v
n dS
• 第三项 pdV
V
• 第四项 vvdV
V
v vv p f vw 0
理论声学(1) 第五章
12
• 体积内质量随时间的变化 • 等于边界流入质量的速率 • 与声源注入介质的速率
t
V
dV
S
v ndS
V
wdV
dV v w dV
V
V
v w
2020/7/13
理论声学(1) 第五章
13
v w
• 爱因斯坦取和约定
vi
,i
w
v v w
• 声压 p 质点速度 v 密度(变化)
• 动量守恒定律 • 质量守恒定律 • 状态关系
运动方程 连续性方程 物态方程
pv
v
p
2020/7/13
理论声学(1) 第五章
21
线性化
• 根据物理基本定律得到推导声波方程的 出发点
• 在此基础上建立的理论是非线性声学 • 实际中遇到的许多声波是所谓小振幅声
2020/7/13
理论声学(1) 第五章
8
基本假设和物理原理
• 理想流体，没有黏滞性 • 介质原本是均匀的，静止的 • 绝热的 • 声波的振幅很小
声压比介质的静压强小得多 位移比波长小得多，速度比声速小得多， 密度的起伏比密度本身小得多。 线性声学理论
2020/7/13
理论声学(1) 第五章
9
高斯定理
V
z
dV
VzLeabharlann dxdydzx, y, z1 x, y x, y, z2 x, y dxdy
dS dxdy nz
2020/7/13
V
z
dV
nzdS
S
理论声学(1) 第五章
10
dV ndS
V
S
V
Az z
dV
S
Az nz dS
V
Ax x
Ay y
Az z
dxdydz
第五章 声波的基本性质
•振动 弹性和质量 力学
•声音 振动的传播
机械波
（电磁波……）
•弹性介质 空气 水 流体
固体
•声场 存在声压的空间
2020/7/13
理论声学(1) 第五章
1
声波的定量描述
❖ 连续介质 无限多连续分布的物质点 包含大量分子的小体积元
❖ 描写声波过程的物理量 ❖ 平衡状态：体积 压强 温度
理论声学(1) 第五章
18
运动方程
Fx
S
p x
dx
max
Sdx
dvx dt
dvx p
dt x
d v p
dt
2020/7/13
理论声学(1) 第五章
d dt
vi
p,i
19
物态方程
绝热过程
p p
例：理想气体
p C
pV const.
2020/7/13
理论声学(1) 第五章
20
声波方程
p
dp
d
S
,
0
c02
p c02
2020/7/13
理论声学(1) 第五章
24
例：理想气体
pV const.
一般流体
p
const.
c02
p
c02
dP
d
s
dP
dV V
s
1
s
Ks
dV Vd 0
2020/7/13
s 绝热体积压缩系数
Ks 绝热体积弹性系数
S
Axnx Ayny Aznz dS
AdV A ndS
V
S
dV dSn
V
S
2020/7/13
理论声学(1) 第五章
11
质量守恒定律
• 注入介质的体积速度 qt
• 注入的体积速度密度 wr,t lim q t
V 0 V
• 体积变化速度是 qt wr,tdV
V
2020/7/13
t
2020/7/13
理论声学(1) 第五章
17
v v vv v v p f vw 0
v v w 0
v v v p f 0
dv p f 0
dt
dv x, y, z, t v v v v x v y v z v
dt
t t x t y t z
2020/7/13
4
简谐波
p pA cos(2 ft 0 )
有效声压
pe
1 T p2dt T0
pe
1 T
T 0
pA
cos(2
ft
0 )2
dt
pA 2
0.7 pA
2020/7/13
理论声学(1) 第五章
5
例子：
大气压(1kg/cm2 ) 人耳可听阈 (1kHz) 正常话音
飞机发动机(5m)
100kPa 210-5Pa 0.05-0.1Pa
3
拉格朗日表示和欧拉表示
• 拉格朗日表示 ：不同时刻相同的坐标始 终标志着同一个质点
• 欧拉表示 ：空间固定点的物理量随时间 的变化
• 位移很小时两种表示的差别很小 • 比较强的声场两者有很大的差别
• 两种表示的差异是研究强声场的非线性 声学的基本出发点之一
2020/7/13
理论声学(1) 第五章
200Pa
2020/7/13
理论声学(1) 第五章
6
频率(Hz)
可听声：16Hz - 20kHz
频谱
P f p(t)exp(i2 ft)dt
幅度谱
P f
短时频谱
P f ,t (t ' t) p(t ')exp(i2 ft ')dt '
2020/7/13
理论声学(1) 第五章
7
Matlab-Demo-GraphicsVisualizing Sound
d v w
dt
d x, y, z, t x y z
dt
t t x t y t z
2020/7/13
理论声学(1) 第五章
14
连续性方程
单位时间流入质量
vx
xdx
vx
x
S
vx Sdx
x
Sdx t
2020/7/13
x
vx
t
理论声学(1) 第五章
15
波 • 略去方程中的高阶小量，使方程线性化， • 线性声波方程，线性声学理论
2020/7/13
理论声学(1) 第五章
22
连续性方程线性化
0
t
0v
v
0
w
0 v 0w
运动方程线性化
0 v v v p0 p f 0
0v p f
2020/7/13
理论声学(1) 第五章
23
物态方程线性化
2020/7/13
理论声学(1) 第五章
2
密度变化
r,t r,t 0
声压
p x, y, z,t pr,t p0
扰动后的压强减去平衡压强
逾量压强 逾压
瞬时声压
峰值声压
单位：Pa(帕) N/m2 bar(巴) = 100kPa
温度, 质点速度
2020/7/13
理论声学(1) 第五章
动量守恒定律
• 体力 fdV
V
• 相邻介质的作用力 pdS
• 流出介质带走动量 v v n dS
• 声源带来的动量 vwdV
V
2020/7/13
理论声学(1) 第五章
16
t
V
vdV
V
vwdV
V
fdV
S
pndS
S
v v
n dS
• 第三项 pdV
V
• 第四项 vvdV
V
v vv p f vw 0
理论声学(1) 第五章
12
• 体积内质量随时间的变化 • 等于边界流入质量的速率 • 与声源注入介质的速率
t
V
dV
S
v ndS
V
wdV
dV v w dV
V
V
v w
2020/7/13
理论声学(1) 第五章
13
v w
• 爱因斯坦取和约定
vi
,i
w
v v w
• 声压 p 质点速度 v 密度(变化)
• 动量守恒定律 • 质量守恒定律 • 状态关系
运动方程 连续性方程 物态方程
pv
v
p
2020/7/13
理论声学(1) 第五章
21
线性化
• 根据物理基本定律得到推导声波方程的 出发点
• 在此基础上建立的理论是非线性声学 • 实际中遇到的许多声波是所谓小振幅声
2020/7/13
理论声学(1) 第五章
8
基本假设和物理原理
• 理想流体，没有黏滞性 • 介质原本是均匀的，静止的 • 绝热的 • 声波的振幅很小
声压比介质的静压强小得多 位移比波长小得多，速度比声速小得多， 密度的起伏比密度本身小得多。 线性声学理论
2020/7/13
理论声学(1) 第五章
9
高斯定理
V
z
dV
VzLeabharlann dxdydzx, y, z1 x, y x, y, z2 x, y dxdy
dS dxdy nz
2020/7/13
V
z
dV
nzdS
S
理论声学(1) 第五章
10
dV ndS
V
S
V
Az z
dV
S
Az nz dS
V
Ax x
Ay y
Az z
dxdydz
第五章 声波的基本性质
•振动 弹性和质量 力学
•声音 振动的传播
机械波
（电磁波……）
•弹性介质 空气 水 流体
固体
•声场 存在声压的空间
2020/7/13
理论声学(1) 第五章
1
声波的定量描述
❖ 连续介质 无限多连续分布的物质点 包含大量分子的小体积元
❖ 描写声波过程的物理量 ❖ 平衡状态：体积 压强 温度
理论声学(1) 第五章
18
运动方程
Fx
S
p x
dx
max
Sdx
dvx dt
dvx p
dt x
d v p
dt
2020/7/13
理论声学(1) 第五章
d dt
vi
p,i
19
物态方程
绝热过程
p p
例：理想气体
p C
pV const.
2020/7/13
理论声学(1) 第五章
20
声波方程
p
dp
d
S
,
0
c02
p c02
2020/7/13
理论声学(1) 第五章
24
例：理想气体
pV const.
一般流体
p
const.
c02
p
c02
dP
d
s
dP
dV V
s
1
s
Ks
dV Vd 0
2020/7/13
s 绝热体积压缩系数
Ks 绝热体积弹性系数
S
Axnx Ayny Aznz dS
AdV A ndS
V
S
dV dSn
V
S
2020/7/13
理论声学(1) 第五章
11
质量守恒定律
• 注入介质的体积速度 qt
• 注入的体积速度密度 wr,t lim q t
V 0 V
• 体积变化速度是 qt wr,tdV
V
2020/7/13
t
2020/7/13
理论声学(1) 第五章
17
v v vv v v p f vw 0
v v w 0
v v v p f 0
dv p f 0
dt
dv x, y, z, t v v v v x v y v z v
dt
t t x t y t z
2020/7/13
4
简谐波
p pA cos(2 ft 0 )
有效声压
pe
1 T p2dt T0
pe
1 T
T 0
pA
cos(2
ft
0 )2
dt
pA 2
0.7 pA
2020/7/13
理论声学(1) 第五章
5
例子：
大气压(1kg/cm2 ) 人耳可听阈 (1kHz) 正常话音
飞机发动机(5m)
100kPa 210-5Pa 0.05-0.1Pa
3
拉格朗日表示和欧拉表示
• 拉格朗日表示 ：不同时刻相同的坐标始 终标志着同一个质点
• 欧拉表示 ：空间固定点的物理量随时间 的变化
• 位移很小时两种表示的差别很小 • 比较强的声场两者有很大的差别
• 两种表示的差异是研究强声场的非线性 声学的基本出发点之一
2020/7/13
理论声学(1) 第五章
200Pa
2020/7/13
理论声学(1) 第五章
6
频率(Hz)
可听声：16Hz - 20kHz
频谱
P f p(t)exp(i2 ft)dt
幅度谱
P f
短时频谱
P f ,t (t ' t) p(t ')exp(i2 ft ')dt '
2020/7/13
理论声学(1) 第五章
7
Matlab-Demo-GraphicsVisualizing Sound
d v w
dt
d x, y, z, t x y z
dt
t t x t y t z
2020/7/13
理论声学(1) 第五章
14
连续性方程
单位时间流入质量
vx
xdx
vx
x
S
vx Sdx
x
Sdx t
2020/7/13
x
vx
t
理论声学(1) 第五章
15
波 • 略去方程中的高阶小量，使方程线性化， • 线性声波方程，线性声学理论
2020/7/13
理论声学(1) 第五章
22
连续性方程线性化
0
t
0v
v
0
w
0 v 0w
运动方程线性化
0 v v v p0 p f 0
0v p f
2020/7/13
理论声学(1) 第五章
23
物态方程线性化