第三章 声辐射的基本特征
声波的辐射

质点振动速度与介质波阻抗(介质声波速度与密 度的乘积)的关系
振幅
7
6
声压
5
质 点振 动速 度
4
3
2
1
0
-1
-2
-3
-4
时 间 (微秒 )
-5
0
50
100
150
200
质点振动速度与声压的关系(幅度及相位)
4、声场能量 1)、声能量密度:单位体积的声能量。
E V0
1 2
0
(v2
1
02c02
p2)
平面波的平均声能量密度
幅度
4
3
2
1
0
-1
声压
-2
声能 量密 度
-3
时 间 (微 秒 )
0
50
100
150
200
声能量密度与声压的关系(周期、大小)
换能器是将一种形式的能量转换为另一种形式
的能量的装置。 电能
声能
发射换能器: 电能 接收换能器: 声能
声能 电能
超声换能器的分类
按能量转换的机理和利用的换能材料: 压电换能器、磁致伸缩换能器、静电换能
应力为零,应变不为零。此时的介电常数为
自由,使得振子不能自由 形变。此时应变等于零或为常数,而应力不等于 零或常数。此时测定的介电常数为夹持介电常数。
S mn
存在一定的 相位差
时 间 (微 秒 )
100
150
200
声场中两个不同位置的声压关系
有效声压:在一定时间间隔内,瞬时声压 对时间取均方根值。
pe
1 T p2dt T0
若:
p(r, t )
压电电声教材-声学基础知识

第三章
声学基础知识
令
Pr —反射波声压幅值
透射系数 T =
PT Pi
PT —透射波声压幅值
则有 R =
ρ 2 C 2 − ρ1C1 ρ 2 C 2 + ρ1C1
2ρ 2C2 ρ 2 C 2 + ρ1C1
(95)
T=
(96)
当(1) ρ1C1 = 无界面存在。 (2)
ρ 2 C 2 ,即 Z 1 = Z 2 ,则 R = 0
λ2
= (2n − 1)
π
2
,
ρ1C1 << ρ 2 C 2 时,这相当于 D = (2n − 1)
λ2
4
即D为
λ2
4
的奇数倍时,声波全不透过。 结合(2) (3)可以推断用一固定厚度中间层插入无限媒质中去且中心层的特性阻抗与 无限媒质不同,则中间层透声本领随频率变化有周期性或者说隔声效果也随频率周期性变 化。
处于同一振动相位的两个相邻层之间的距离称波长 △质点速度
λ=
c , c —声速, f —频率。 f
v (m/s)
V(m3/s)
媒质中无限小部分,仅仅是由于声波存在引起的速度。 △容积速度
声波引起的容积速度是媒质中单位时间内垂直通过指定面积的流量。
U =V ⋅S
△声阻抗
S —面积
ZA(N·S/m5)
ZA =
媒质中一点的静压强是指该点处无声波存在时的压强。 大气中取 P0=105(Pa) △声压 P(Pa)
声波在传播时在媒质中产生的愈量压强(静压强的增量变化) 。 对于正弦变化声压, P有效 = △纵波 △横波 △声线 △波长
P峰值 2
媒质中质点的振动与波的传播方向相平行,则此波称为纵波。 媒质中质点的振动与波的传播方向相垂直,则此波称为横波。 声波传播时所沿的方向称为声线。 λ(m)
声波的辐射,扬声器

X MR
ω
,
由于MMR的存在,好像声源加重了,似乎有质量为MMR的物体粘附在声源的表面,随脉动球源 一起振动。因此MMR也被称为同振质量。
SP Desgin Gr
二、声偶极辐射
声偶极子的定义 2.1 声偶极子的定义 声偶极子是由两个相距很近(以波长相比)并以相同的振幅和相反的相位振动着的小脉 动声源所组成的声源。常见的电动式低音扬声器在无障板时就可以视为声偶极子。
R2 MR k 2 d 2 = << 1 RMR 3
SP Desgin Gr
三、同相小球源
3.1 定义
两个相距很近(与波长相比)并以相同振幅和相同的相位振动着的小脉动球源所组成的 声源可视为同相小球源。常见的双低音扬声器、声柱均可视为同相小球源。
SP Desgin Gr
三、同相小球源
3.2 两个同相小球源远场声压
SP Desgin Gr
四、点声源
4.1 近似点声源的条件 当kr0《1时,(可以认为球的半径远小于波长的六分之一,即r0《λ/6),则该球面声 源称为点源或者单源。点源是基本的声辐射体,其特性由它表面速度的幅值和相对于某一 参考标准的相位所确定。 向无限大媒介质辐射的点声源 立本角为4π的球面度,在距点声源r处的声压p为
一、脉动球源的辐射
声场对脉动声源的反作用—辐射阻抗 1.5 声场对脉动声源的反作用 辐射阻抗 脉动声源在振动时,使媒质发生了疏密变形的形变,从面辐射了声波。另一方面,脉 动球源也受到了声场对它的反作用力,这个反作用力为: FR =-ZMRu 式中,ZMR=RMR+jXMR ZMR表示辐射阻抗,RMR表示辐射阻,XMR表示辐射抗 设脉动球源表面的振动质量为MM,力学系统的弹性系数为KM,受到的磨擦力阻为RM,策 动其振动的外和为F,则振动表面的运动方程为
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
声辐射的基本特征

基础知识:声辐射的基本特征声的本质是机械振动,声源是辐射声音的振动体,而传递这种振动的固体液体或气体就是声传播的介质。
研究声波的辐射一方面要研究声源振动时声场的规律,另一方面则要研究声场对声源的反作用。
波动方程声场的特征可以用声压、质点振动速度、以及密度的变化量来表示。
由弹性体中机械振动的特征可知,不同位置在不同时间的振动状态都在变化,并且这种时空之间还存在联系,其数学表达式就是声波方程。
为了方便的求解声波的波动方程,先要对声波已经传播介质做一些理想化的简化处理:传播介质无粘滞性,即没有传输损耗;宏观上声传播介质是静止的,且各向均匀;声传播是绝热的;介质中传播的是小振幅声波。
各声学变量只取一级近似。
最终根据运动方程、质量守恒方程、物态方程推导出理想流体介质中小幅声压波动方程为:其中,2为拉普拉斯算符,在直角坐标中它的形式为:求沙口质点速度可以通过下式求得:2|平面波辐射声场平面声场只需要考虑一维的情形用分离变量法可以解得此方程的通解为:江工。
=乂, 一阳+82+•前面池」3■的这一项代表沿着正方向传播的波,第二项代表反射声波。
因为讨论限定在无限媒质中,因此传播途径上没有反射波,因此通解就简化为:2型电,通解取复数形式是为了数学运算的方便,它可以很方便的将前进波与反射波分离开来。
再运用振速与声压的关系求得矢量场解为:其中,3=2n/人为波数,4为波长。
根据声压与声速的表达式可以求得--Wo vP0C0称为空气的特性阻抗,在声学中具有重要地位,它比P0或者。
0单独的作用要大。
由声压跟振速的表达式可以推得理想媒质中平面波的几个重要特征:声传播过程中,相位面是一个平面,所以称之为平面波。
平面波的传播速度是C0,相位面之间互相平行,且垂直于传播方向;声传播过程中波阵面不会扩大,因此能量不会因距离的增加而分散;质点振速幅值与声压幅值恒定不变声压与振速同相位;平面波与媒质阻抗特性处处匹配;3|球面波辐射声场实际问题中会遇到各种各样形状的辐射声源,要想把每一种具体形状声源的辐射声场求出来在数学上是非常困难的,也是不切实际。
声波的辐射

声波的辐射
声波的辐射是指声波传播时向周围空间散发的能量。
当物体振动时,会产生声波,并通过空气或其他介质传播。
声波通过分子之间的相互作用来传播能量,并在空间中形成压力变化的波动。
声波辐射的特点包括以下几个方面:
1. 传播方向性:声波以球面波的形式向周围空间传播,沿着振动源的辐射方向传递能量。
2. 能量衰减:随着声波传播距离的增加,声波的能量逐渐衰减。
这是因为声波在传播过程中受到空气阻尼和其他因素的影响。
3. 频率特性:声波的辐射频率决定了声音的音调。
不同频率的声波辐射具有不同的特点和效果。
4. 距离与声压级:声波的辐射强度与距离成反比,即离声源越远,声压级越低。
5. 直达与反射:声波在传播过程中与物体相互作用,一部分会被物体吸收,一部分会被反射。
这些反射波可以改变声场的分布和形状。
声波辐射的应用广泛,包括通信、声纳、音频设备等领域。
噪声分析第三章

噪声分析与控制吴九汇机械工程学院振动与噪声控制工程研究所教材目录3.1声发生的物理过程声发生的物理模型许多复杂的声辐射都可以分解为简单形式的声源辐射。
从声源特性来说,声源可以分为三类:单极源、偶极源和四极源。
当辐射体尺寸同波长相比很小时,大多数辐射体都可看成与球面声源相似。
尽管这个辐射球是理想化的,但它具有实际意义,这些概念可用以在实践中识别声源的基本作用原理。
声发生的物理模型媒质中流入的质量或热量不均匀时形成单极子声源。
典型的单极子声源如高速气流经喷口周期性排放的脉冲喷气当流体中有障碍物存在时,流体与物体产生的不稳定的反作用力形成偶极子声源。
偶极子声源是力声源。
风吹电线声、空气压缩机、动片和导流片、倾角不为零的螺旋浆是常见的偶极子声源例子。
媒质中如没有质量或热量的注入,也没有障碍物存在,唯有粘滞应力可能辐射声波,这就是四极子声源,它是应力声源。
亚声速湍流喷注噪声是最常见的影响最广的四极子噪声。
单极源声辐射()()e i t krAP rrω−=单极源辐射声压一般解为:对于单极源辐射,考虑到球对称性,Helmholtz方程简化为:222221(,)1(,)P r t P r trr r r c t∂∂∂⎛⎞=⎜⎟∂∂∂⎝⎠1Ptρ∂+∇=∂v()000111e i t krrP Avi r r c ikrωωρρ−∂⎛⎞=−=+⎜⎟∂⎝⎠(不存在反射波时,可检验自由声场)以上求得的脉动球辐射一般解中包含有一个待定常数A,它取决于边界条件,也就是取决于球面振动情况,这在物理上是显然的,因为声场是由于球源振动而产生的,所以声场的特征自然也应与球面的振动情况有关。
设球源表面处的振动速度为,式中为振速幅值,指数中是为了运算方便而引入的初相位角,它并不影响讨论的一般性。
()j t krau u eω−=0kr−au()r r rv u==边界条件:20002()1()jac krA u kr j A ekrθρ=+=+1kr<<||A不仅与球源的振速有关,而且还与辐射声波的频率(或波长)、球源的半径等有关,当球源半径比较小或者声波频率比较低,以至有,满足这种条件的脉动球源有时特别称为点源同样大小的速度振动时,如果球源比较小或者频率比较低,则辐射声压较小;如果球源比较大或者频率比较高,则辐射声压较大。
浅述有限长度线声源的声辐射

浅述有限长度线声源的声辐射杭州声崴演出器材有限公司 孙健(已发表在<艺术科技>2006年第三期)摘要1.相同声功率的点声源和有限长度线声源相比较,在传输距离相同时从点声源得到声强度要比线声源强,也就是说点声源传得更远。
2.有限长度线声源等幅(响度)曲面近场时不是柱面,远场时也不是球面,它是介于柱面与球面之间的可变形橄榄球面。
3.相同声功率不同长度线声源的不同形状的橄榄球面一定有相同面积的等幅曲面。
4.在垂直于有限长度线声源的直线r 上的辐射衰减特性曲线Q (r )是一条介于-3dB 与-6dB 之间的光滑渐近曲线,不存在近场到远场临界转折点。
关键词 线声源 等幅曲面 橄榄球面 衰减特性线阵列的理论是由美国著名声学家H.F 奥尔森(Olson)等人在1957 年提出的. 他们在声学研究中发现垂直线阵列扬声器的声音辐射体在垂直平面内有指向性增强的作用。
1970年JBL 公司利用这个原理用八个扬声器单元组成了一个称作“声柱”的产品。
1992年3月马榭尔.厄尔本(Marcel Urban )教授和克里斯汀.赫尔(Christian Hail)在维也纳92届AES 会议上正式展示了线阵列研究成果。
垂直线阵列扬声器系统切实地批量投入应用是最近十多年来的事,由于它特有的性能在某些室外大型扩声等场所已得到一定范围的应用。
近年来,国内也有许多厂家生产出了不同系列的垂直线阵列扬声器系统.通过有限空间消声实验室的实验也证明了它在近距离内有较强的指向性。
但是很多线阵列的安装设计人员和使用者对它的认识有些误区;有些生产厂商和线阵列爱好者夸大了它的特性,把它神化了。
如“线阵列音箱比普通音箱传得更远”、具有“声透镜”功能、“垂直角度已达到0.12度基本平行状态”、“线阵列扬声器系统是扬声器中最先进的产品”等等。
作者对线阵列比较了解的调音师、音响设计师和大学教师作调查。
90%以上的被调查者都认为:线阵列扬声器要比相同功率的点声源扬声器传得更远,因为线阵列扬声器的声辐射衰减比较小。
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每个球源在空间的辐射声场已知,因此总声场就是两个脉动球源的叠加。假
设 P 观察点与球源中点连线与两球源的连线成角度θ,因为两者的相位相反,故
得:
������(������,
������)
=
A ������+
������������(������������−������������+)
−
������ ������−
������0
令
������������
=
������0������0
1
(������������0)2 + (������������0)2
������0
������������
=
������0������0
1
������������0 + (������������0)2
������0
������������称为辐射力阻,它增加了系统的阻尼作用,反映了力学系统存在损耗,即
反射波。同样只取第一项。根据振速与声压的关系求得
������������
=
������ ������������0������0
(1
+
���������1���������)������������(������������−������������)
可以求得球面声波的声阻抗率
1
z
=
������0������0
第三章 声辐射的基本特征
声的本质是机械振动,声源是辐射声音的振动体,而传递这种振动的固体液 体或气体就是声传播的介质。研究声波的辐射一方面要研究声源振动时声场的规 律,另一方面则要研究声场对声源的反作用。
3.1 辐射声场
3.1.1 波动方程 声场的特征可以用声压、质点振动速度、以及密度的变化量来表示。由弹性
=
−2j
A ������
������������(������������−������������)������������������
������������������������������������ (2)
声压场将随着方向变化,即出现指向性,不再各向同性。
3.3.2 声短路现象
上一节已经得到远场区的声压场表达式,当进一步满足������������ ≪ 1时候,上式可
1 ������������ ������������ = − ������0 ∫ ������������ ������������
1 ������������ ������������ = − ������0 ∫ ������������ ������������
1 ������������ {������������ = − ������0 ∫ ������������ ������������
(2) 声传播过程中波阵面不会扩大,因此能量不会因距离的增加而分散; (3) 质点振速幅值与声压幅值恒定不变 (4) 声压与振速同相位; (5) 平面波与媒质阻抗特性处处匹配;
3.1.3 球面波辐射声场 实际问题中会遇到各种各样形状的辐射声源,要想把每一种具体形状声源的
辐射声场求出来在数学上是非常困难的,也是不切实际。因此需要在理论建模上
≈
A ������
������������(������������−������������)
(������ ���������������������2���������������������
−
������ −���������������������2��������������������� )
当声源振速恒定而脉动球源满足������������0 ≪ 1时(即波长线度远远大于脉动球源
的半径时候)
���̅���
≈
1 2
������0������0(������������0)2������0���������2��� |������=������0
∝
������04
������������ ≈ 3������0
这也是很容易理解的。可以用下图形象的理解
当其中一个脉动小球源周围介质呈现稀疏相位时候,另一个脉动小球源的周 围介质就同时呈现压缩相位,并且两个相反相位的起点很近,又由于低频段波长 较大,相位随空间的变化率是如此之小,以至于相反相位的两点距离非常之近, 以至于稀疏形变刚好可以抵消压缩形变。因此总的辐射就非常的弱了。这种现象 也称之为声短路现象。例如没有安装在大障板上的扬声器单元在低频振动时候, 纸盆前方的疏密变化刚好被纸盆后方的疏密变化抵消,形成声短路。如果将扬声 器前后辐射隔开,比如安装在一个尺寸够大的障板上,低频辐射效果将会显著增 强,总音量都增强了,基于此的是无限大障板式设计的放音系统。现代常用的方 式是将扬声器安装在封闭箱或者倒相箱之中。这也是为什么在测定扬声器基本参 数时将扬声器安装在一个障板上的原因,并且测试信号的频率愈低,障板的尺寸 也就要越大。
������(������,
������)
=
A ������
������������(������������−������������)
+
������ ������
������������(������������+������������)
跟平面波类似,上式第一项为像球面外辐射的声波,后一项是像球心汇聚的
3.3 点声源
前面讨论辐射阻抗在低频或者声源尺寸很小的情况下的情况,做了近似处理, 实际上当脉动球源满足������������0 ≪ 1时,声源可以看成点声源。 3.3.1 偶极子声源
声偶极子是两个相距极其近的两个点声源,它们的振幅相同而相位相反,现 实生活中的例子便是没有安装在任何障板上的纸盆扬声器在低频辐射时的状况。 先假设两个脉动小球源相距 L,如下图。
2
乎同相位,近似于平面波。
3.2 辐射阻抗
3.2.1 辐射阻抗的基本概念
前面讲到的是声源对传播媒介的影响,而有作用力就有反作用力,声源处在
声源当中就必然受到声场的反作用,声源的这种声辐射特性可以用辐射力阻抗������������ 来描述
������������
=
−������������ ������������
������������(������������−������������−)
若仅仅考虑远场,则得到如下近似
������ cos ������
������+ {
=
������
+
������
2 cos
������
������− = ������ − 2
那么将得到
������(������,
������)
1
+
1 ������������������
可以看出,球面波的声阻抗率是复数,因此球面波跟媒质的特性阻抗不再处
处匹配了,而是存在相位差
∆θ
=
tan−1
1 ������������
在近场取������������ ≪ 1,声压与振速相位差近 π ,在远场区������������ ≫ 1 ,声压与振速几
Author:开心的桑尼 Sunny Email:taiyang_zhao@163. com
可以看出,如果在低频段声源尺寸要很小的话,辐射声功率会很小,因此小
尺寸扬声器系统很难有好的低音表现。
当声源振速恒定而脉动球源满足������������0 ≫ 1时(即波长线度远远小于脉动球源
的半径时候)
���̅���
≈
1 2
������0������0������0���������2��� |������=������0
机械能转化为声能。而������������
则相当于在原有的振动系统上又附加了一个辐射质量������������,
������
好像声源变重了,这部分附加质量也称为同振质量。用辐射阻抗的概念可以便捷
地研究声辐射的特性,例如声源的平均辐射功率为
���̅���
=
1 2
���������������������2��� |������=������0
继续简化为 可以得到
������(������,
������)
≈
−jkL
A ������
cosθ
������������(������������−������������)
|������(������,
������)|
≈
kL
|A| ������
≪
|A| ������
也就是说,在低频段偶极子声源的声压场比单个脉动小球源的声压场弱的多,
3.1.2 平面波辐射声场
平面声场只需要考虑一维的情形
1 ∂2������ ∂2������ ������0 ∂������2 = ∂������2
用分离变量法可以解得此方程的通解为
������(������, ������) = A������������(������������−������������) + ������������������(������������+������������)
将其简化处理,在某些情况下需要将其近似看成平面,有时需要将其看成球面,
因为许多问题要涉及到球面波,本小节将讨论脉动球源的辐射基本规律。其波动
方程为
∂2������ ������������ ������(������������������) 1 ∂2������ ∂������2 + ������������ ������������ = ������0 ∂������2 其中,S 为波阵面的面积函数,在球面波的情况下 S = 4������������2,带入上式解有