声学原理三维波束图共15页
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《声学知识科普》PPT课件
伟大的音乐家贝多芬耳聋后就是用牙咬住木棒的一端，另一 端顶在钢琴上听自己演奏的琴声。
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声音的量度
我们听起来，有的声音大，有的声音小，那么究竟用什么尺 度来衡量声音的大小呢？
原来声波是疏密波，它使空气时而变密，时而变稀。空气变 密，压强就增高；空气变稀，压强就降低。这样，由于声波的 存在，使大气压产生迅速的起伏。这个起伏部分称为声压，声 压越大，声音越强，声压越小，声音越弱，人们就用声压作为 衡量声音大小的尺子。
线声源---平面波
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声波的衰减
在大多数情况下在大多数实际情况下，可以近似地认为声波 在声源附近具有球面波形状。球面波的强度与离开声源距离的 平方成反比而降低，即当离声源的距离增为2、3、4、5倍时， 声音的强度将相应地减为 、 、1 、1 。1 1
这是因为声源每秒钟发出的能4 量是9 一16 个2恒5 量，离开声源的距 离越大，能量的分布面也越大，因此，通过单位面积的能量就 越小。这也就是离声源距离越近，声音越强，离声源的距离越 远，声音越弱的原因。这叫做声波的距离衰减。
敲一下音叉，它就会一来一回的摆动。这个有规则的摆动就 叫振动。音叉往返一次算作一次振动，每秒振动的次数叫频率， 用 来表示，单位是赫。1千赫或1000赫表示每秒经过一给定 点的声波有f 1000个周期。
但不是所有的振动人耳都听得见，只有频率为20～20000 赫的振动人耳才能产生声音的感觉。低于20赫的声波叫次声， 高于20000赫的声音叫超声。
正常人耳刚刚听到的得声音的声压称为可听阈声压，而当声 压使人耳产生疼痛感觉称为痛阈声压。
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声压级
但是从听阈到痛阈，声压的绝对值相差一百万倍。用声压的 绝对值来表示声音的强弱是很不方便的。
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声音的量度
我们听起来，有的声音大，有的声音小，那么究竟用什么尺 度来衡量声音的大小呢？
原来声波是疏密波，它使空气时而变密，时而变稀。空气变 密，压强就增高；空气变稀，压强就降低。这样，由于声波的 存在，使大气压产生迅速的起伏。这个起伏部分称为声压，声 压越大，声音越强，声压越小，声音越弱，人们就用声压作为 衡量声音大小的尺子。
线声源---平面波
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声波的衰减
在大多数情况下在大多数实际情况下，可以近似地认为声波 在声源附近具有球面波形状。球面波的强度与离开声源距离的 平方成反比而降低，即当离声源的距离增为2、3、4、5倍时， 声音的强度将相应地减为 、 、1 、1 。1 1
这是因为声源每秒钟发出的能4 量是9 一16 个2恒5 量，离开声源的距 离越大，能量的分布面也越大，因此，通过单位面积的能量就 越小。这也就是离声源距离越近，声音越强，离声源的距离越 远，声音越弱的原因。这叫做声波的距离衰减。
敲一下音叉，它就会一来一回的摆动。这个有规则的摆动就 叫振动。音叉往返一次算作一次振动，每秒振动的次数叫频率， 用 来表示，单位是赫。1千赫或1000赫表示每秒经过一给定 点的声波有f 1000个周期。
但不是所有的振动人耳都听得见，只有频率为20～20000 赫的振动人耳才能产生声音的感觉。低于20赫的声波叫次声， 高于20000赫的声音叫超声。
正常人耳刚刚听到的得声音的声压称为可听阈声压，而当声 压使人耳产生疼痛感觉称为痛阈声压。
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声压级
但是从听阈到痛阈，声压的绝对值相差一百万倍。用声压的 绝对值来表示声音的强弱是很不方便的。
声学原理-第二讲-2013
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§1.2.3 声功率、声强及平方反比定律
声功率——声源振动时，每秒钟所发射出的声能量 叫声功率。 声强——在声波中，波阵面上每单位面积传递的声 功率叫声强，单位是w/m2。 平方反比定律——平面声波波阵面都一样大小，传 递的功率相同所以声强不变。但声源传递的功率是不 变，球面声波面积（4πr2，r为球半径）随r改变，所 以球面波的强度与距离的平方成反比，越远越弱，这 称为平方反比定律。
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波峰（crests）波谷（troughs）
横波的波峰 和波谷是介 质离静止点 最远的点。
纵波的密部 对应于横波 的波峰。
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振幅（amplitude ）
横波的振幅是介质静止位置到波峰或波谷的距离。
纵波的振幅是度量介质变得紧凑或稀疏程度的量。
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波长（wavelength）频率（frequency）
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§1.2.2 声波的性质
SPL 线谱 HZ 连续谱 HZ 混合谱 HZ
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§1.2.2 声波的性质
G.S.Ohm(1787-1854)首先提出了音乐的声音是由 音 音 许多频率的简谐振动合成的概念，他还认为人耳能把 任何一个复杂的声音分解成一组简谐音调。这在数学 上就是所谓的Fourier分解。
SPI 10 lg I / I 0 ; I 0 10 12 w / m 2
（1-2-3）
但在声学中，强度和功率都难以直接测量（70年代中期 兴起的声强测量热，现在正发挥着越来越重要的作用）， 所以常用的是声压 因为声压是可以经传声器接受变为电 所以常用的是声压，因为声压是可以经传声器接受变为电 压，然后可用电学方法测量、分析。声压有正有负（象交 流电压一样），一般讲声压是指它的有效值（平方平均值 的根，简称均方根值），和电压相似。
声学知识普及ppt课件
声学基本术语
1、声的基本特性参数
1.1频率和周期
每秒声振动的次数称为声的频率，记作f，单位是赫兹(Hz)。人耳能听到的声， 其频率范围是20~20000Hz。低于20Hz的称为次声，高于20000Hz的称为超声。人 耳对于3000Hz左右的声感觉最灵敏；对低于63Hz和高于16000Hz的声，即使勉强 听得见，反应也很不灵敏。所以，在噪声控制领城内，主要对63~16000Hz的声有 兴趣。
声音 :来源于物体的振动。声音是一种物理现象，是描述 由于媒体质点振动运动引起的质点密度随时间变化的情况
声音传播
周期T是一次声振动所经历的时间。单位是s
波长：声波传播过程中两个相继的同相位点之间的空间距离 用符号λ表示，单位是m
频率：每秒声振动的次数，记作f，单位是赫兹(Hz)
不同声源的频率范围
信号类型
稳态信号
Байду номын сангаас
非稳态信号
确定性
时间
时间
随机
连续
时间
瞬态
时间
时间
时间
频率
频率
频率
频率
由于许多声学性质，如吸声、隔声、绕射、衰减、阻尼等等都与频率大小有关， 我们研究声学不能只研究声压、声强、声功率等等而忽略声的频率结构。所以噪 声控制工程中分析声的频率是一件十分重要的工作。常用的方法有两种，一种是 根据声压的时间历程记录进行快速Fourier变换(FFT)，另一种是将整个频率范围 划分成许多首尾相连的频带(频程)，对应于每一个频带设置一个带通滤波器，以 便测定每个频带的声压值。频谱分析因其带宽的划分方法不同而分成：
2.
2 dB + 2 dB = 5 dB
3.
3 dB + 3 dB = 6 dB
第二章 声波的基本性质及其传播规律ppt课件
，2
kx2
2
x2，是第一
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30
➢ 由声波的叠加原理并运用三角函数关系计算可得两列声 波在该点合成的总声压为：
p＝p1＋p2＝ P01cos(ωt-φ1)＋ P02cos(ωt-φ2)＝ PTcos(ωt-φ)
式中
PT2P021P0222P0P 102cos2 (1)
ta1nP P 001c1sio n1 1s P P0 02 2scion 22s
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2.2.3 声能量、声强、声功率
1、声能量
➢ 声波在媒质中传播，一方面使媒质质点在平衡位置 附近往复运动，产生动能；另一方面又使媒质产生 了压缩和膨胀的疏密过程，使媒质具有形变的势能。 这两部分能量之和就是由于声扰动使媒质得到的声 能量，以声的波动形式传递出去。所以声波是媒质 质点振动能量的传播过程，这一能量可从力学中作 用在物体上的力所做的功率推导出。
p（x,t）=P0cos[ω (t－t’)]
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➢ 而媒质中声波传播速度为c，则：
t’= x/c
代入上式则有
p（x,t）=P0cos[ω (t－x/c)] 为方便起见，定义（圆）波数为
k＝ω/c ＝2π/λ
➢ 其物理意义是长为2πm的距离上所含的波长λ的数目， 于是p(x,t)又可以写成：
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2.2 声波的基本类型 ➢ 根据声波传播时波阵面的形状不同可以将声波分
成平面声波、球面声波和柱面声波类型。
➢ 声波在介质中传播时，其相位相同的各点连成的 面称为波阵面。波的传播方向称为声线或射线。
➢ 在各向同性的媒质中，声线就是代表波的传播方 向且处处与波阵面垂直的直线。
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线声
南航波束形成课件
02
南航波束形成技术
南航波束形成技术介绍
波束形成技术
波束形成技术是一种利用多个天 线阵元接收信号并合成定向波束 的方法，以提高信号的接收增益 和抗干扰能力。
南航波束形成技术
南航波束形成技术是指南京航空 航天大学在波束形成领域的研究 成果和技术应用。
南航波束形成技术的优势
1 2
3
高增益
南航波束形成技术能够实现高定向增益，提高信号的接收灵 敏度和抗干扰能力。
未来应用前景
5G通信
利用南航波束形成技术提升5G通信系统的性能和稳定性。
雷达探测
应用于雷达探测系统，提高目标检测和跟踪的精度。
智能感知
结合人工智能和南航波束形成技术，实现智能感知和物联网应用。
THANKS
空时二维波束形成算法
空时二维波束形成算法是一种结合了空 间和时间两个维度的信号处理方法，通 过对空间和时间域的信号进行联合处理
，实现更高效的信号检测和跟踪。
空时二维波束形成算法的优点是能够更 好地利用信号环境信息，提高信号处理
性能。
缺点是需要更多的信号处理资源和计算 量，实现难度较大。
04
南航波束形成实验结果与分 析
宽频带
南航波束形成技术适用于宽频带信号处理，能够满足现代通 信和雷达系统的需求。
低副瓣
南航波束形成技术的副瓣抑制性能优异，能够有效降低干扰 信号的影响。
南航波束形成技术的应用场景
通信系统
南航波束形成技术可用于卫星通信、移动通信和无线局域网等领域，提高通信质量和可靠性。
雷达系统
南航波束形成技术可用于雷达目标检测、跟踪和成像，提高雷达的抗干扰和低空探测能力。
电子战系统
南航波束形成技术可用于电子战领域，实现定向干扰和抗干扰，提高电子战系统的作战效能。
声呐(纳)技术 ：第四章 声纳波束形成技术1
d
sin
c
012 3
N 1
七
28
N元等间隔线阵自然指向性（即波束图）
假设阵元0的接收信号为：
s0 t e jt
d
sin
c
那么，由图可知阵元1的接收信号为
s1 t e jt
同理，阵元2的接收信号为
012 3
N 1
s2 t e jt2
阵元N-1的接收信号为
sN1 t e jtN 1
1
2
七
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N元等间隔直线阵自然指向性（即波束图）
如图，以阵元0为参考点，信号到达其它各阵元 的提前时间为
1, 2 , , N 1
因此，将各阵元接收到的信号分别延时
1, 2 , , N 1
后相加，即可实现同向相加，在该方向上输出幅度最大
d
sin
c
012 3
N 1
七
35
N元等间隔线阵自然指向性举例
七
二、波束形成器一般可分为常规波束形成（时延、相移波束形成等）和高分 辨波束形成（MUSIC、ESPRIT、SVD等）。
七
12
阵的基本形式
线阵（离散线阵和连续线阵）
七
13
阵的基本形式
线阵（离散线阵和连续线阵）
七
14
阵的基本形式
平面阵（矩形平面阵）
七
15
阵的基本形式
面阵（园面阵）
七
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阵的基本形式
ei
t
s
t
rs Ei c
x
任意空间阵的归一化输出为
E ,,t
1 N
N
ei t
i 1
七
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多元任意阵指向性的一般表示
声纳原理
普通波动原理-多波束
多波束
各向同性展开的波
普通波动原理
波峰
波谷 (低压)
压力
距离
普通波动原理
相长相消干涉
相消干涉点 声源 相长干涉点
普通波动原理
相长干涉位置 1
Location equidistant from the two sources d1= d2 => Constructive interference
平面换能器阵的波束宽度
用波束导向后波束宽度会随着导向角的增大而增 大 有效阵元孔径会随着导向角的增大而变小 有效孔径按函数 1/Cos A 减小，A 是导向角度。 从中央波束到±60°导向角范围内，波束宽度大 致呈线性增加
例如：
波束导向角为 0°, 波束宽度为 0.5° （中央波束 ） 波束导向角为 ±30°,波束宽度为 = 1/cos30° x 0.5° = 1.15 x 0.5° = 0.575° 波束导向角为 ±60°,波束宽度为 = 1/cos60° x 0.5° = 2 x 0.5° = 1°
旁瓣产生于特定的声源相长干涉点
我们的目的是要使主波瓣最大化而所有
旁瓣最小化 旁瓣指向于不希望的方向，使主波瓣能 量减少������ 旁瓣造成的回波，如旁瓣路径上的鱼的 回波，会被认为是主瓣路径上的目标物
普通波动原理- 波束导向 和束控技术
振幅束控: 旁瓣的能级可以通过给声源阵中不 同基元加以不同的电压值而减少，这样同时 会增加主波瓣的宽度。
P (w) / P (0) = 1/2 - 3 dB P (w)
指向轴 0
w
P (0)
普通波动原理
矩形孔径换能器的波束指向图
声学基础.PPT
第2章 声学基础
声音的频谱结构用基频, 谐频数目, 幅度大小及相 位关系来描述. 不同的频谱结构, 就有不同的音色. 即使 基频相同, 音调相同, 但若谐频结构不同, 则音色也不同. 例如钢琴和黑管演奏同一音符时, 其音色是不同的, 因 为它们的谐频结构不同, 如图2 - 5所示.
第2章 声学基础
图 2 - 5 钢琴和黑管各奏出以100 Hz为基音的乐音频谱图
第2章 声学基础
2.2.3 听觉灵敏度 听觉灵敏度是指人耳对声压, 频率及方位的微小变
化的判断能力. 当声压发生变化时, 人们听到的响度会有变化. 例
如声压级在50 dB以上时, 人耳能分辨出的最小声压级 差约为1 dB； 而声压级小于40 dB时, 要变化1～3 dB才 能觉察出来.
第2章 声学基础
2.3.2 听觉定位机理 人对声音方向的定位能力是由听觉的定位特性决
定的. 产生听觉定位的机理是复杂的, 其基本原因是声 音到达左右耳的时间差, 声级差, 进而引起相位差, 音色 差所造成的；也与优先效应, 耳壳效应等因素有关. 确 定一个声源的方位, 需要从平面, 距离, 高度3个方面来 定位.
Hz～20 kHz, 称为音频. 20 Hz以下称为次声, 20 kHz以 上称为超声. 在音频范围内, 人耳对中频段1～4 kHz的 声音最为灵敏, 对低频和高频段的声音则比较迟钝. 对 于次声和超声, 即使强度再大, 人们也是听不到的.
第2章 声学基础
2. 听阈和痛域 可闻声必须达到一定的强度才能被听到, 正常人能 听到的强度范围为0～140 dB. 使声音听得见的最低声 压级称为听阈, 它和声音的频率有关. 使耳朵感到疼痛的声压级称为痛域, 它与声音的频 率关系不大. 通常声压级达到120 dB时, 人耳感到不舒 适； 声压级大于140 dB时, 人耳感到疼痛； 声压级超 过150 dB时, 人耳会发生急性损伤. 正常人的听觉范围如图2 - 2所示. 语言和音乐只占 整个听觉范围的很小一部分.