舰船尾流中气泡的主动声反射／『散射模型
舰船尾流后向光学检测方法研究
舰船尾流后向光学检测方法研究
彭晓雷;马傲玲;刘翼民
【期刊名称】《舰船科学技术》
【年(卷),期】2016(0)11X
【摘要】舰船在航行过程中会在尾部产生大量的气泡,通过检测气泡可以有效的跟踪船舶。
本文在Monte Carlo模型的基础上研究激光脉冲后向散射特性,并进行后散射信号的特征提取,获得其频域特性。
最后进行仿真实验,通过仿真结果可以看出,通过气泡对信号的后沿位置、时域宽度、峰值大小和位置、能量和形状等的影响,可以有效的检测到气泡,确定出船舶的位置。
【总页数】3页(P133-135)
【关键词】舰船尾流;后向散射;激光脉冲
【作者】彭晓雷;马傲玲;刘翼民
【作者单位】厦门理工学院现代工程训练中心
【正文语种】中文
【中图分类】U665.26A
【相关文献】
1.PCA和ICA的舰船尾流后向散射光信号检测 [J], 万俊;张晓晖;饶炯辉
2.舰船尾流后向散射光信号特征的判识方法 [J], 梁瑞涛;张晓晖;屈武
3.舰船尾流气泡后向光散射特性研究 [J], 王江安;蒋兴舟;马治国;宗思光
4.舰船尾流气泡后向光散射特性研究 [J], 张家利;张建生;文丽
5.舰船尾流模拟气泡的脉冲激光后向散射特性研究 [J], 石晟玮;蒋兴舟;王江安;石敏
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舰船尾流气泡检测系统设计
舰船尾流气泡检测系统设计张冲，袁志勇，张锐，柏广强，李京伦(海军工程大学，武汉 430033)摘要：为了便于进行舰船尾流的测量试验，开展舰船尾流声反射强度随发射声信号频率、时间的变化规律，不同舰船目标尾流的长度、宽度和厚度以及尾流特性等研究，提出了舰船尾流气泡检测系统设计方案，制作了实验样机，并在水池中进行了简单的测试，结果表明：实验样机气泡检测功能正常，可用于实验室水池测量教学实验和湖海试验，对进一步开展尾流自导系统试验研究有重要意义。
关键词：尾流气泡；检测系统；水声换能器；发射声功率尾流自导鱼雷对目标舰船实施探测、跟踪、攻击,是利用舰船航行形成的尾流场与周围水域的物理特性差异[1-4]。
其探测机理决定了它具有很强的抗干扰能力、较远的自导距离和很高的命中概率[5-6]。
目前众多国家和地区已大量装备了此类鱼雷,这都使得尾流自导鱼雷成为当今水面舰船航行安全的最致命威胁。
因此，世界各国竞相加强对尾流特性、尾流自导技术、尾流自导鱼雷和对抗尾流自导鱼雷技术的研究。
我海军装备的尾流自导鱼雷，其技术主要是借鉴俄罗斯声尾流自导技术，目前对舰船尾流的几何特性与目标特性等重要因素的关系不是很清楚。
因此，急需投入一定的人力物力，加强对水面舰船尾流特性的基础性试验，为此提出舰船尾流气泡检测系统设计方案，可以用于实验室水池测量教学实验和湖海试验。
1 尾流气泡检测系统总体设计尾流气泡检测系统分为水下装置、岸上显控装置和电缆。
水下装置由发射机、接收机、信号处理机3个部件组成。
岸上装置包括+27 V、+60 V供电电源、计算机等，检测系统组成如图1所示。
设计实物如图2。
图1 尾流气泡检测系统组成示意图图2 尾流气泡检测系统实物图发射机由DDS信号源及其附带的滤波器、功率放大电路模块、通道选择电路模块、匹配网络和发射换能器这几个模块构成；接收机由接收换能器及其附带的前置放大器、检波积分电路、程控放大电路等模块构成；信号处理机是尾流气泡信号检测及控制整个系统工作的核心组件，由电源电路、A/D转换模块、DSP模块、485接口模块、I/O口驱动芯片、信号灯等组成。
舰船尾流微气泡光偏振特性分析
西 北 工 业 大 学 学 报
Ｊ ｏ ｕ ｎａ ｒ ｌ ｏ ｆ Ｎｏ ｒ ｔ ｈ ｗｅ ｓ ｔ ｅ ｎ ｒ Ｐ ｏ ｌ ｙ ｔ ｅ ｅ ｈ ｎ ｉ ｅ ａ ｌ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ
Ｆ ｅ ｂ ． ２ ０ １ ３ Ｖ０ １ ． ３ １ Ｎｏ ． １
强， 且不同波长入射光和不同直径气泡表现 出不同偏振特征 ， 表明对偏振光退偏效应进行探测携带 信息量大、 容易识别， 这对用偏振光进行舰船尾流探测有着重要意义。
关 键 词： 后 向散射 ， 电磁 波偏振 ， 前 向散 射 ， Ｍｉ ｅ散射 ， 舰 船尾 流
中图分 类号 ： Ｔ Ｎ ２ ；０ ４ ３
文献标 识 码 ： Ａ
文 章编 号 ： １ ０ ０ ０ － ２ ７ ５ ８ （ ２ ０ １ ３ ） ０ １ － ０ １ ２ ９ － ０ ５
舰船尾流是舰艇运动时螺旋桨产生的一长条含
大量 气泡 的湍 流 区域 ， 它 主要 由螺 旋 桨 空 化 产 生 的 气泡 所 组 成 。舰 船 尾 流 中 半 径 尺 寸 范 围 在 １ ０～ １ ５ ０ １ ． Ｌ ｍ 的气泡 生存 时 间 达几 十 分 钟 ， 由于 上 升 速 度 较慢 ， 故它 能 在 海水 中 保 留很 长 时 间 。其 光 学 效应
上 的研究 ， 而没进 行 偏 振 特 性 或 散 射后 光 退 偏 效 应
的研究。由于偏振光携带信息量大 、 容易识别 ， 因此
本文基于米氏散射效应 ， 提出了利用气泡散射后退 偏效 应 的不 同 ， 从 而 实 现对 尾 流 气 泡 进 行 测量 。从 单个尾流气 泡经线偏振光散射后偏 振态 的变化人 手， 研究了不 同大小尾流气泡的光散射偏振特性上 的差 别 ， 采 用 不 同入 射 角 、 不 同 波 长 的 偏 振 激 光 ， 从前 向与后 向散 射光偏振 特性 出发对 散射
舰船尾流气泡目标激光后向散射特性研究
文章编号 2097-1842（2023）06-1333-10舰船尾流气泡目标激光后向散射特性研究宗思光1，张 鑫2 *，杨劭鹏1，段子科1，陈 报1（1. 海军工程大学 电子工程学院, 湖北 武汉 430034；2. 海军航空大学 青岛校区, 山东 青岛 266041）摘要：为了提高激光光尾流制导距离和探测信噪比，研究不同距离、不同气泡尺度、不同气泡数密度和不同气泡层厚度的气泡目标的后向散射特性具有重要的理论和应用价值。
采用蒙特卡洛仿真和室内实验研究了前述舰船尾流气泡目标的激光后向散射特性。
结果表明：近距离的气泡要比远距离的气泡更容易被检测到；在气泡数密度为102~108 m −3，气泡层厚度大于0.05 m 时，大尺度和小尺度气泡始终存在回波信号，气泡层厚度小于0.05 m 时无回波信号，此时，气泡层厚度特性对气泡后向散射的影响最大；在气泡数密度为109 m −3，气泡层厚度为0.05 m 以下时，大尺度气泡回波信号脉冲宽度会展宽。
在这种情况下，气泡数密度和尺度特性对气泡后向散射的影响最大。
搭建了水下典型气泡尺度下的激光后向散射测量系统，验证了不同舰船尾流气泡目标特性对激光后向探测系统的影响。
本文研究成果可为舰船尾流激光探测工程提供支撑。
关 键 词：舰船尾流；蒙特卡洛；后向散射；目标特性中图分类号：TN249 文献标志码：A doi ：10.37188/CO.2023-0043Laser backscattering characteristics of ship wake bubble targetZONG Si-guang 1，ZHANG Xin 2 *，YANG Shao-peng 1，DUAN Zi-ke 1，CHEN Bao 1（1. College of Electronic Engineering , Naval University of Engineering , Wuhan 430034, China ；2. Qingdao Branch , Naval Aeronautical University , Qingdao 266041, China ）* Corresponding author ，E-mail : 1714308601@Abstract : In order to improve the laser wake guidance distance and the detection signal-to-noise ratio, it is of great theoretical and practical value to study the backscattering characteristics of bubble targets with differ-ent distances, bubble sizes, bubble number densities, and bubble layer thicknesses. The laser backscattering characteristics of ship wake bubble targets with different distances, scales, numerical densities, and thick-nesses are studied using Monte Carlo simulations and indoor experiments. When the bubble density is 102−108 m −3 and the thickness of the bubble layer is greater than 0.05 m, there is always an echo signal for both large- and small-scale bubbles. When the thickness of the bubble layer is less than 0.05 m, no echo sig-nal is detected. At this situation, the thickness of the bubble layer is the greatest impact factor on the back-ward scattering of bubbles. When the bubble number density is 109 m −3 and the thickness of the bubble layer is below 0.05 m, the pulse width of the large-scale bubble echo signal widens. The number density and scale收稿日期：2023-03-13；修订日期：2023-05-15基金项目：国防科研基金（No. 2019-JCJQ-JJ-056)Supported by the National Defense Foundation of China （No. 2019-JCJQ-JJ-056)第 16 卷 第 6 期中国光学（中英文）Vol. 16 No. 62023年11月Chinese OpticsNov. 2023characteristics of the bubbles have the greatest impact on the backscattering of bubbles. A laser backscatter-ing measurement system at the scale of typical underwater bubbles is built to verify the influence of different ship wake bubble characteristics on the laser backscattering detection system, which can provide support for the ship wake laser detection project.Key words: ship wake；Monte Carlo；backscattering；target characteristics1 引 言为了适应新时代的战争需求，响应科技强军号召，用先进的科学手段，自动化、智能化、高效化探测跟踪舰船变得至关重要。
舰船尾流的激光散射特性
舰船尾流的激光散射特性
刘慧开;杨立;沈良文;张毓芬
【期刊名称】《激光与红外》
【年(卷),期】2003(33)4
【摘要】根据Mie散射理论,在认为气泡不相干的情况下,计算了气泡在不同散射方向的散射强度,得出舰船尾流某个横截面上气泡群的光散射特性;计算结果表明气泡群的后向散射增强非常明显;舰船尾流横截面上尾流中心气泡的散射强度远大于尾流边缘处的散射强度,说明利用舰船尾流中气泡与背景海洋中的气泡对光散射的差异来作为鱼雷自导的一种手段是可行的.
【总页数】3页(P265-267)
【作者】刘慧开;杨立;沈良文;张毓芬
【作者单位】海军工程大学三系307教研室,湖北,武汉,430033;海军工程大学三系307教研室,湖北,武汉,430033;海军工程大学三系307教研室,湖北,武
汉,430033;760研究所,辽宁大连,116013
【正文语种】中文
【中图分类】TN247
【相关文献】
1.舰船尾流气泡后向光散射特性研究 [J], 张家利;张建生;文丽
2.舰船远程尾流气泡群的前向光散射特性研究 [J], 孙春生;张晓晖;朱东华
3.舰船尾流散射特性的研究 [J], 苏丽萍;任德明;曲彦臣;胡孝勇;钱黎明
4.舰船尾流横截面上的激光散射特性 [J], 刘慧开;杨立;孙丰瑞;张毓芬
5.舰船尾流模拟气泡的脉冲激光后向散射特性研究 [J], 石晟玮;蒋兴舟;王江安;石敏
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舰船尾流声散射和几何特征试验
关键 词 ： 舰船尾流 ； 声散射 ； 几何特征 ； 散射强度
中 图 分 类 号 ：４ ７ ４ 文 献 标 志 码 ： 文 章 编 号 ：０６７４ （０ ０ ０ －９ ９０ ０ ２ ． Ａ １０ －０ ３ ２ １ ）７０ ０ －６
第３ １卷 第 ７期
２１ ００年 ７月
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Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ｒ ｉ ｇ ｎ ｅ ｉ ｇ Ｕｎ ｖ ｒｉｙ ｏ ｒ ａ ｆＨａ ｂ ｎ Ｅｎ ｉ ｅ ｒｎ ｉｅ ｓｔ
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Ｓ ｕ ｄ ｓ ａ ｔ ｒ ｎ ｎ ｅ ｍ ｅ ｒ ｃ ｃ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃ ｆ ｓ ｉ ｋ ｓ ｏ ｎ ｃ ｔｅ ｉ ｇ ａ ｄ ｇ ｏ ｔ ｉ ｈａ ａ ｔ ｒ ｓｉ ｓ ｏ ｈ ｐ ｗａ ｅ
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舰 船 尾 流 声 散 射 和 几 何 特 征 试 验
杜敬林 ， 马忠成 ， 陈建辉 ， 小满 ， 天思 廖 安
（ 大连 测控 技 术 研 究所 ， 宁 大 连 １６ １ ） 辽 １０射 特性和几何特征 ， 采用水平 窄波束 和垂直 多波束 同时基测 量方法 ， 研制 和设计 了舰
舰船远场尾流气泡分布特性的数值模拟
舰船远场尾流气泡分布特性的数值模拟
顾建农;张志宏;张晓晖
【期刊名称】《光子学报》
【年(卷),期】2007(36)8
【摘要】为了了解舰船尾流中气泡的分布特征,为激光探测舰船尾流提供依据,建立了计算热分层环境中舰船远场尾流中气泡数密度分布的数学模型,该模型由抛物化的RaNS方程及气泡输运方程组成,采用k-ε两方程湍流模式.利用该模型数值模拟了舰船尾流中的气泡数密度分布特征、气泡尾流宽度扩展规律,气泡数密度衰减规律,并与实测结果进行了比较,二者定性符合得较好.数值模拟表明舰船尾流中半径为10 ～30μm的气泡存活时间最长,为了确保能在距船尾5 km处还能探测到舰船气泡尾流,其探测的对象应以半径10 ～30μm的气泡为主,并且探测准确度至少应能达到识别出初始截面上气泡数密度的3 %.
【总页数】6页(P1504-1509)
【关键词】气泡;尾流;舰船;数值模拟
【作者】顾建农;张志宏;张晓晖
【作者单位】海军工程大学
【正文语种】中文
【中图分类】O353.4
【相关文献】
1.舰船远场微气泡尾流的退偏特性 [J], 杨郁;张建生
2.舰船气泡尾流特性的数值模拟和实验研究 [J], 陈圣涛;王慧丽;王运鹰;张毓芬;齐异;刘焕英
3.舰船尾流及其气泡数密度分布的数值计算 [J], 朱东华;张晓晖;顾建农;饶炯辉
4.考虑单气泡运动特性的舰船尾流气泡分布研究 [J], 田恒斗;金良安;王涌;迟卫
5.舰船远尾流场气泡特性研究 [J], 马青山;陈亚林;郝保安;刘昆仑;何辰;严冰
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舰船尾流后向散射光信号特征的判识方法
舰船尾流后向散射光信号特征的判识方法梁瑞涛;张晓晖;屈武【摘要】为了自适应获得舰船尾流的有无信息以及距探测器的距离信息,基于海上采用激光探测目标船尾流所获得后向散射光信号的曲线特征,运用极小值筛选法对去噪平滑后的舰船尾流后向散射光信号进行了处理,准确获得了舰船尾流的有无信息以及距探测器的距离信息.同时,研究讨论了海上所测得的信号去噪后,与水体后向散射光信号按照最小均方误差准则进行拟合相减获得的纯尾流后向散射光信号,构造了纯尾流后向散射光信号的简单模型,并通过对其进一步的处理获得了尾流厚度相关信息.这一结果对尾流信息的判识是有帮助的.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2010(034)004【总页数】5页(P497-501)【关键词】傅里叶光学与光信号处理;舰船尾流;极小值筛选;后向散射【作者】梁瑞涛;张晓晖;屈武【作者单位】海军工程大学,光信息科学与技术教研室,武汉,430033;海军工程大学,光信息科学与技术教研室,武汉,430033;海军91388部队,湛江,524022【正文语种】中文【中图分类】O438.2引言尾流标注了舰船在水面运动的轨迹，在水面停留几十分钟，其长度可达几千米。
尾流的这一特征为探测、识别和跟踪提供了一种可能。
后向光尾流自导以其抗干扰能力强、作用距离远、命中率高等潜在优点而成为鱼雷非声自导研究领域中的热点问题[1-4]。
后向光尾流自导的核心技术是探测目标船气泡尾流的后向散射光，目标船尾流后向散射光信号中包含了尾流特征的重要信息，如有无尾流信息、距探测器的距离信息和尾流厚度信息，同时，通过进一步深入的处理，可大致获得探测器距离目标舰船的信息以及目标舰船的速度信息等，因此,控制下一步动作的关键在于对舰船尾流后向散射光信号进行识别和判断。
参考文献[5]中运用了矩形窗峰值分析算法。
该算法运用矩形窗口来对回波数据滑动处理，并设置了矩形窗高度和负向峰值阈值两个参量，在同时满足矩形窗口内的最小值小于负向峰值阈值、该最小值与矩形窗口两端数据的差值均小于矩形窗高度时，认定该最小值为负峰所在的极值点。
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【 ｙ ｗ ｒ ｓ ｈｐ ｗ ｋ ；ｂ ｂ ｌ；ａｔ ｅａｏ ｓｃ ｒ ｅｔ ｎｓａｔ ｎ ｏ ｅ Ｋｅ ｏ ｄ 】ｓｉ ａ ｅ ｕ ｂｅ ｃ ｖ ｃｕｔ ｅ ｃ ｏ／ ｔ ｒ ｇ ｍ ｄ ｌ ｉ ｉ ｆ ｉ ｃ ｅ ｌ ｉ
１ 引言
舰船尾 流ｎ 指舰船 在航行 过程 中在 其尾部形 成 堤－
Ａｃ ｖ ｏ ｓ ｃ Ｒｅ ｅ ｔ ｎ Ｓ ａ ｔ ｒｎ ｏ ｅ ｆ ｔ ｅ Ｂｕ ｂ ｅ ｉ ｈ ｈ ｐ Ｗ ａ ｅ ｉ ｔ ｅ Ａｃ ｕ ｔ ｆ ｃ ｏ ／ ｃ ｔ ｉ ｇ Ｍ ｄ ｌ ｏ ｈ ｂ ｌ ｎ ｔ ｅ Ｓ ｉ ｉ ｌ ｉ ｅ ｋ
ＺＡ ＧＱｎ Ｈ Ｎ ｕ ，ＷＡ ｌ ｓ ａ ｄ ｗａｅ ．Ｔｈ ｅ ｅ ｌｎ ｅ ｂ ｔ ｅ ｎ ｖｂ ａ ｉｎ ｎ ｅｅ ｔ ｃ ｔ ｅ ｒ ｎ ｈ ｌ － ｔ ｇ ｒ ｓ ｎ ｎ ｅ ｆ ｒ ｌ ｕ ｂ ｅ ｎ ｔｒ ｅ ｒ ｓ ｍｂ ａ ｃ ｅ ｗ ｅ ｉ ｒ ｔ ａ ｄ ｌ ｃ ｒ ｈ ｏ ｙ ａ ｄ ｔ ｅ ｍｕｔ ｓａ ｅ ｅ ｏ ａ ｃ ｏｍｕ ａ ｏ ｉ ｉ ｉ ｓ ｄ ｔ ｔ ｄ ｈ ｓ ａ ｔｒｎ ｏ ｈ ｂ ｂ ｌｓ ｎ ｔ ｅ ａ ｅ ．Ａｆ ｒ ｎ ｌ ｚｎ ｈ ａ ｔ ｅ ｃ ｕ ｔ ｈ ｒ ｃｅ ｓｉ ｏ ｓ ｕ ｅ ｏ ｓｕ ｙ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｇ ｆ ｔ ｅ ｕ ｂ ｅ ｉ ｈ ｗ ｔ ｒ ｅ ｔ ａ ａｙ ｉ ｇ ｔ ｅ ｃｉ ａ ｏ ｓｉ ｃ ａ ａ ｔｒ ｔ ｅ ｖ ｃ ｉ ｃ ｆ
特性 的检 测和分 析 ， 可以得到 目标 舰船 的存在及其 相
关信息。声学在水下信号处理领域具有天然的工程
应用优势 ， 对舰 船尾流声 学特性 的研究尤 为重要 。舰
船 的气泡 尾流 具有 独特 的声 学特 性口 尾 流 中 的气 泡 ， 是产生其 声学 的主要原 因 ， 由气 泡群体 现的声学特 性 是舰 船尾 流 噪声 的主 要特 性之 一 。气泡 的声 学特 性
ｆｌ ｗ ｎ ｅｅ ｒｈ ｏ ｈ ｃｉｅ ａ ｏ ｓｉ ｈ ｒｃｅ ｓｉ ｆｍｕ ｉｂ ｂ ｌｓ ａ ｄ ｓｉ ａ ｅ ｉ ａ ｅ ｎ ｔｅｅ ｏｌ ｉｇ ｒｓａｃ ｎ ｔ ｅ ａ ｔ ｃ ｕ ｔ ｃ ａａ ｔｒ ｔ ｏ ｈ－ ｕ ｂｅ ｎ ｈｐ ｗ ｋ ｓ ｂ ｓ ｄ ｏ ｓ ． ｏ ｖ ｃ ｉ ｃ ｈ
令 界 面 的声压 反 射 系数 为反射 波 与 入射 波 声
Ｏ
图 １ 两种介质分界面处 的声传播
体 现 在 对 不 同 频 率入 射 声 波 的反 射， 射及 吸 收作 散 用［ 主要 由气泡 的谐 振 频率决 定 。尾 流 中气泡 的谐 ３ １ ， 振频率 与气泡 的半径 和所 处水下 的深度有 关 ， 泡直 气 径／ ４ ］ 直 接影 响气 泡尾 流声 学特 性 。海 面表层 内 ， 大小
阶谐振公式分析气泡的声散射作用， 建立尾流中气泡的主动声特性模型。通过分析尾流中气泡的主动声反射／ 散射
模型 ， 为后续的多个气泡及尾流 的主动声反射， 射模 型奠定基础。 散 【 关键词 】舰船尾流 ；气泡 ；主 动声反射／ 散射模 型
【 中图分 类号】Ｔ ５ Ｂ６ 【 文献标识码 】Ａ
水 声 工 程
响圃＠０ 囿 ｝ ， ＠⑥凹ｇ ＠ 匡响 响＠＠０ 响 ， 咖 ＠０ 弛６ ６ ， ６
舰船尾流 中气泡的主动声反射／ 散射模型 ． 技 ． 实 术 用
张 群 ， 英 民 王
（ 西北工业大学 航海 学院， 陕西 西安 ７０ ７ ） １０ ２
【 要 】用声反射和折射定理分析气泡与水的分界面处入射声波的反射与折射作用， 摘 振动类比电路和气泡的多
的具有特 殊性质 的海水 ， 尾流 区海水 与周 围的海 水相
别 为 ｐｃ Ｐｃ， 据界 面 上声 压 连续 和 界 面法 向拆 ｌ和 ２：根 １
速连 续 的条件 ， 到 满 足条件 的反 射 波Ｐ 、 得 人射 波 Ｐ
及透射波 Ｐ声 压振幅 。
比具 有独 特 的物理 特性 。通过 对舰 船尾 流相 关物 理
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半径为 （．～ ．） １ ｘ １ １ ｘ ０Ｉ ０ ８ ｍ的气泡最具代表性 ， 而这个半
径范 围［ ５ １ 内的气泡谐 振 频率对 声 呐 的工 作影 响最 大 。
压振幅之比， ＝ ｒｐ ； 即 Ｐｍ ｉ透射波与入射波声压振幅 ／ 之比为声压透射系数， 即Ｄ＝ ｔ 由声压振幅表 ｐｐ ／