流声耦合、振荡涡流场、声散射调制、水声学、气动声学
《水声学》部分习题答案
《水声学习题集参考答案》水声工程学院水声学课程组编哈尔滨工程大学目录绪论 (1)第1章声学基础 (2)第2章海洋声学特性 (2)第3章海洋中的声传播理论 (3)第4章典型传播条件下的声场 (6)第5章声波在目标上的反射和散射 (10)第6章海洋中的混响 (14)第7章水下噪声 (17)第8章声传播起伏 (20)第9章声纳方程的应用 (20)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1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。
水声学原理 (2)
水声学underwater acoustics简史水声换能器和参量阵水声换能器水声换能器的进展水声参量阵声波在海洋中的传播和声场数值预报传播损失水下声道理论方法深海中的声传播浅海中的声传播声场数值预报水声场的背景干扰噪声海洋中的混响信号场的起伏和散射海面波浪引起的声起伏湍流引起的声起伏内波引起的声起伏目标反射和舰船辐射噪声水下目标反射舰船辐射噪声水声信号处理-声学的一个分支学科。
它主要研究声波在水下的产生、传播和接收，用以解决与水下目标探测和信息传输过程有关的声学问题。
声波是已知的唯一能够在水中远距离传播的波动,在这方面远比电磁波(如无线电波、光波等)好,水声学随着海洋的开发和利用发展起来，并得到了广泛的应用。
简史1827年左右，瑞士和法国的科学家首次相当精确地测量了水中声速。
1912年“巨人”号客轮同冰山相撞而沉没，促使一些科学家研究对冰山回声定位，这标志了水声学的诞生。
美国的R.A.费森登设计制造了电动式水声换能器(500～1000Hz)，1914年就能探测到2海里远的冰山。
1918年，P.朗之万制成压电式换能器，产生了超声波,并应用了当时刚出现的真空管放大技术,进行水中远程目标的探测，第一次收到了潜艇的回波，开创了近代水声学，也由此发明了声呐。
随后，水声换能器的革新，关于温度梯度影响声传播路径的机理、声吸收系数随频率变化等水声学研究的成就，使声呐得以不断改进，并在第二次世界大战期间反德国潜艇的大西洋战役中起了重要作用。
第二次世界大战以后,为提高探测远距离目标(如潜艇)的能力,水声学研究的重点转向低频、大功率、深海和信号处理等方面。
同时，水声学应用的领域也越加广泛，出现了许多新装置，例如:水声制导鱼雷,音响水雷，主、被动扫描声呐,水声通信仪，声浮标，声航速仪,回声探测仪,鱼群探测仪,声导航信标,地貌仪,深、浅海底地层剖面仪，水声释放器以及水声遥测、控制器等。
水声作为遥测海洋的积分探头，在长时间内大面积连续监测海洋的运动过程以及海洋资源概念也已初步形成。
水声学原理知识点总结
水声学原理知识点总结【1】水声学原理的基本概念1.1. 声波的产生与传播声波是一种机械波，是在介质中震动传递的波动。
声波通常是由物体振动引起的，当物体振动时，周围的空气分子或水分子也随之振动，形成声波。
在水中，声波的传播速度一般比在空气中要快。
1.2. 水声频率与声波速度水声波的频率通常在20 Hz-200 kHz之间，与空气中的声波频率范围相似。
不同频率的声波在水中的传播速度也有所不同，通常音速约为1500 m/s。
1.3. 水声学的应用领域水声学在海洋工程、海洋资源开发、水下通信、声纳探测、水下定位等领域有广泛的应用，其中声纳技术是水声学应用的重要方面。
【2】声波在水中的传播2.1. 声波的传播方式声波在水中的传播方式与在空气中的传播方式类似，可以分为纵波和横波。
其中纵波是介质中质点沿波的传播方向振动的波动，而横波则是介质中质点振动方向与波的传播方向垂直的波动。
2.2. 水声波的衰减水中声波在传播过程中会受到水的吸收和散射等因素的影响，导致声波的衰减。
较高频率的声波在水中的衰减更为显著，这也是水声通信和声纳探测中需要考虑的重要因素。
2.3. 水声波的折射和反射声波在水中传播时，会发生折射和反射现象。
当声波通过不同密度的介质界面时，会因为介质密度的不同而发生折射现象；在与固体或液体的界面发生交界时，声波会发生反射。
【3】水声信号的特点3.1. 水声信号的特点水声信号与空中声信号相比有一些特殊的特点，如传播距离远、传播速度快、传播路径复杂、受环境干扰大等。
3.2. 水声通信的特点水声通信由于其传播路径的复杂性和环境干扰的影响，通常需要考虑信号传播延迟、传播路径损耗、噪声干扰等问题。
3.3. 声纳探测的特点声纳探测是利用声波在水中传播的特性来进行目标探测和定位，需考虑水中声波传播的复杂性、目标散射特性等因素。
【4】水声传感器技术4.1. 水声传感器的种类水声传感器包括水中听音器、水中发射器、水下通信装置等。
“计算海洋声学”课程内容优化研究
“计算海洋声学”课程内容优化研究作者：刘巍马树青蓝强来源：《教育教学论坛》2022年第44期［摘要］“计算海洋声学”课程教学内容以水声传播数学模型为核心，教学信息量与难度较大。
为减轻学生课业负担，该课程学时数被大幅压缩，为此迫切需要对课程内容进行调整与优化。
提出了“计算海洋声学”课程内容优化方案，主要包括删减与其他相关课程重复的内容，适量增加频域有限差分等数值类模型与技术，整合波数积分与简正波模型，对课程内容进行重新归类等。
该方案在课程内容上有减、有增、有整合，可更加清晰地梳理该课程知识体系，提高课程教学质量。
［关键词］教育教学改革；理论教学；课程优化［基金项目］ 2020年度国防科技大学研究生教育教学改革研究课题“计算海洋声学课程优化改革研究”（yjsy2020066）；2020年度国防科技大学研究生教育教学改革研究课题“以学科竞赛为牵引探索海洋信息处理教学团队建设”（yjsy2020069）；2019年度国家自然科学基金面上项目“高精度海洋声场模型的可扩展并行算法与千亿级网格应用”（批准号：61972406）［作者简介］刘巍（1980—），男，吉林辽源人，博士，国防科技大学气象海洋学院副研究员，主要从事水声物理研究；马树青（1981—），男，河南安阳人，博士，国防科技大学气象海洋学院副教授，主要从事水声工程研究；蓝强（1988—），男（畲族），江西赣州人，博士，国防科技大学气象海洋学院副教授，主要从事海洋信息处理研究。
［中图分类号］ G642.4 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2022）44-0000-04 ［收稿日期］ 2021-10-11一、课程介绍“计算海洋声学”是国防科技大学海洋信息工程、水声工程方向的骨干专业课程，主要讲授如何建立水声传播物理过程的数学模型及其相应的计算机算法，并通过计算机仿真研究海洋环境、声源频域与位置等声学相关要素对海洋声场的影响规律。
目前我校“计算海洋声学”课程教材为《计算海洋声学（第二版）》［1］，该书于1994年面世，并于2011年推出第二版，内容（按章节顺序）主要包括：海洋声学基础、波动方程理论、射线法、波数积分法、简正波法、抛物方程法、有限差分和有限元法、宽带建模与噪声建模，此外还涉及声纳方程、波束形成、匹配场处理等多种水声应用技术，构成了内容丰富、架构完备的水声建模理论体系，并通过多个水声标准算例搭建了从理论模型到计算机仿真的技术链条。
水声学波动问题
水声学波动问题一、水声学介绍水声学是研究水中声波传播和接收的学科，主要涉及声波在水中的传播特性、声源与接收器的特性、噪声控制等方面。
水声学应用广泛，包括海洋勘探、海底通信、船舶和潜艇探测等领域。
二、水中声波传播特性1. 声速声速是指在介质中传播的声波的速度，它受到介质密度、压力和温度等因素的影响。
在海洋中，由于深度不同导致温度和压力变化较大，因此海洋中的声速也会随深度变化而发生变化。
2. 声阻抗声阻抗是指介质对于通过其表面传播的声波所产生的反射和透射效应。
在海洋中，由于海水密度较大，所以其表面反射能力较强。
3. 衍射和散射衍射是指当声波遇到物体时发生弯曲现象；散射是指当声波遇到物体时发生分散现象。
这些现象都会影响到海洋中声波的传播。
三、水声学波动问题1. 海洋中的声波传播海洋中的声波传播受到多种因素的影响，如水深、海底地形、温度和盐度等。
这些因素会导致声速变化和衍射散射现象，从而影响声波的传播路径和强度。
2. 海洋中的噪声问题海洋中存在着各种各样的噪声源，如船舶、潜艇、鲸鱼等。
这些噪声会对海洋生物产生影响，并且也会干扰海洋勘探和通信等应用。
3. 水下通信问题水下通信是指在水下进行信息交流。
由于水中的电磁波传输距离较短，因此常常采用声波来进行通信。
但是由于水中的衰减和散射等问题，使得水下通信面临很大的挑战。
四、应对措施1. 声速测量与预测为了更好地预测海洋中声波传播路径和强度，需要对海洋中各种因素进行测量，并建立相应的模型来进行预测。
2. 噪声控制为了减少海洋中的噪声干扰，需要采取一系列措施，如减少船舶和潜艇的噪声、调整通信频率等。
3. 水下通信技术研究为了克服水下通信面临的问题，需要研究新型的水下通信技术，如水声纳技术、多路径传输技术等。
五、结论水声学波动问题是一个复杂而又重要的问题，在海洋勘探、海底通信和军事领域等方面都有着广泛的应用。
我们需要认真研究和解决这些问题，以更好地利用海洋资源和保护海洋环境。
水声学原理PPT 第一章1
2、波动方程导出
运动方程： p ， u 由连立三个方程 连续性方程： u , 状态方程： p ，
② 思路：
p
2
1 p
2
c t
2
2
波动方程
2013-7-17
第一章 声学基础
24
2、波动方程导出
③ 运动方程:(连续介质中的牛顿第二运动定律)
在连续介质中，有声波作用时，各处压缩是不同的，因此各点压强不等，取介 质中任意一小体积元素看，各面受力不平衡，可以建立该体积元的运动方程式。
声波就是质点运动的传播。质点运动或流体运动制 约于物质守恒定律和牛顿定律，这是声波的基础。
2013-7-17 第一章 声学基础 6
1、声学基础知识
① 声波的基本原理
声波频段的划分：(根据人耳的听觉，划分为三个频段)
• 20Hz以下的振动称为次声
• 高于20kHz的振动称为超声 • 20Hz至20kHz的声振称为音频声
2013-7-17 第一章 声学基础 3
1、声学基础知识
① 声波的基本原理
声波的物理本质 ：声波是弹性介质(气体、液体和固 体)中传播的一种(或多种)机械扰动(振动)(变化)(如 压力、应力、质点位移、质点速度的扰动)。
2013-7-17
第一章 声学基础
4
1、声学基础知识
① 声波的基本原理
质点：在弹性介质中，分子以很大速度做随机运动， 在运动中产生随机碰撞，不可能跟踪每个分子的运动。 因此提到质点运动，不是谈个别分子的运动，而是指 若干分子的平均运动。声学中的质点就是这个“集 体”。质点尺寸比分子间距大得多（高几个数量级）， 但是比试验中遇到的物体又小得多（低几个数量级）。 质点理学的质点与数学中的点不同。质点是连续流体 中的一个点，静止，在受力时可以运动
声学
方法
波动 几何
统计 区别
波动
明朝朱载堉于1584年提出平均律也称波动声学，是用波动理论研究声场的方法。在声波波长与空间或物体的 尺度数量级相近时，必须用波动声学分析。主要是研究反射、折射、干涉、衍射、驻波、散射等现象。在关闭空 间（例如室内，周围有表面）或半关闭空间（例如在水下或大气中，有上、下界面），反射波的互相干涉要形成 一系列的固有波动（称为简正波动方式或简正波）。简正方式理论是引用量子力学中本征值的概念并加以发展而 形成的（注意到声波波长较大和速度小等特性）。
几何
或称几何声学，它与几何光学相似。主要是研究波长非常小（与空间或物体尺度比较）时，能量沿直线的传 播，即忽略衍射现象，只考虑声线的反射、折射等问题。这是在许多情况下都很有效的方法。例如在研究室内反 射面、在固体中作无损检测以及在液体中探测等时，都用声线概念。
统计
主要研究波长非常小（与空间或物体比较），在某一波长范围内简正波动方式很多，波长分布很密时，忽略 相位关系，只考虑各简正方式的能量相加关系的问题。赛宾公式就可用统计声学方法推导。统计声学方法不限于 在关闭或半关闭空间中使用。在声波传输中，统计能量技术解决很多问题，就是一例。
声音的传播（transmission of sound）通常通过空气。一条弦、一个鼓面或声带等的机械波传递到附近 的空气，这些粒子把机械波又传递到更远的地方，这样连续传递直到最初的能渐渐耗尽。
特点
①大部分基础理论已比较成熟，这部分理论在经典声学中已有比较充分的发展。
②有些基础理论和应用基础理论，或基础理论在不同实际范围内的应用问题研究得较多；
详细介绍
释义
特点
声波
释义
就该词的本义，系指任何与听觉有关的事物。但依通常所用，其一系指物理学中关于声音的属性、产生和传 播的分支学科；其二系指建筑物适合听讲话、听音乐的质量。
第二讲 - 计算气动声学基础
Restricted © Siemens AG 2016 Page 20
Siemens PLM Software
Lighthill Analogy边界问题
3. Lighthill边值问题 vs. Curle边值问题
Lighthill
Restricted © Siemens AG 2016 Page 21
Siemens PLM Software
相关研究成果-起落架
Restricted © Siemens AG 2016 Page 25
Siemens PLM Software
相关研究成果-起落架
Restricted © Siemens AG 2016 Page 26
Siemens PLM Software
Siemens PLM Software
气动声学计算软件
研究代码
SotonCAA(ANTC)
基于多块结构化网格有限差分方法求解NS方程 LEE方程求解声传播，FWH积分求解远场声辐射
elsA(ONERA)
基于有限体积的三维可压缩CFD求解 线性化模块以及FWH模块
基于CFD的软件
FLUENT
ρui t
ρuiuj xj
p xi
xi
μ
ui xj
uj xi
ρ ρu j 0 t xj
ρui ρuiuj p 0
t
xj
xi
ρ ρuj0 ρ0uj 0
t
xj
xj
ui 0 ρ ui uiuj0 ui 0uj 1 p ρ ui 0uj0 0
6
Siemens PLM Software
基本概念
Lighthill 声拟理论
2 t2
- 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)。
流声耦合、振荡涡流场、声散射调制、水声学、气动声
学
《流声耦合与振荡涡流场》
1. 引言
在水声学和气动声学领域，流声耦合和振荡涡流场是两个重要且密切相关的概念。
本文将从简单到复杂，由浅入深地探讨这两个主题，以便读者能够更深入地理解它们所涉及的物理现象和数学模型。
2. 流声耦合
流声耦合是指流体动力学与声学波动之间的相互作用。
在水声学中，流体的运动状态会对声波的传播和散射产生影响，而这种相互作用又会导致声场对流场的反作用。
在气动声学中，同样存在着流声耦合的现象，例如飞机机翼边缘产生的空气涡流会影响机身上的声场分布。
流声耦合的研究对于理解水下噪声的来源和传播、飞机噪音的控制等问题具有重要意义。
3. 振荡涡流场
振荡涡流场是一种流体力学中常见的复杂流动现象，它产生于流体运动过程中的湍流区域，具有不稳定振荡的特点。
在水声学中，振荡涡流场会对声波的散射和调制产生影响，从而影响声场的分布和传播特
性。
而在气动声学中，振荡涡流场对飞机、汽车等载体产生的噪音也具有重要影响。
理解和控制振荡涡流场对于降低水下噪音、飞机噪音等具有积极意义。
4. 声散射调制
声散射调制是指声波在经过流动介质时，由于介质的运动状态不同而导致声波的散射和调制现象。
在水声学中，声散射调制是海洋水体中生物和地形等不均匀结构对声波传播的影响，它导致了水下声场的非均匀性和复杂性；在气动声学中，声散射调制则是风场和地形等环境对声波传播的影响，也会导致飞机、汽车等噪音的复杂特性。
理解声散射调制对于提高水下信号传输的稳定性和飞机噪音控制具有重要意义。
5. 个人观点和理解
作为水声学和气动声学领域的研究者，我深知流声耦合和振荡涡流场对于声学波动的影响是复杂而重要的。
通过深入研究和实验，我发现流声耦合和振荡涡流场不仅对水下噪声和飞机噪音产生重要影响，也为我们提供了理解和控制这些噪音的新途径。
在未来的研究中，我将继续深入探讨这些现象，并寻求更有效的降噪和控制方法。
6. 总结与回顾
本文从水声学和气动声学的角度，对流声耦合和振荡涡流场进行了全面评估，并探讨了声散射调制现象。
通过对这些重要概念的深度和广
度的探讨，希望读者能够更全面、深刻和灵活地理解水下噪声和飞机噪音产生机制。
结论
流声耦合、振荡涡流场和声散射调制是水声学和气动声学领域中的重要概念，它们对声学波动的传播和散射具有重要影响。
通过深入研究和实验，我们可以更好地理解和控制这些复杂现象，为降低水下噪声和飞机噪音提供新的途径和方法。
希望本文能够为读者提供有价值的参考和启发，促进相关领域的进一步研究和应用。
水声学和气动声学领域的研究一直是科学家和工程师们不断探索的重要课题。
本文将在流声耦合和振荡涡流场的基础上，进一步探讨声波在复杂介质中的传播和散射，以及相关的实验方法和应用前景。
在水声学中，流声耦合是指流体动力学与声学波动之间的相互作用。
在海洋环境中，海流运动会对声波的传播和散射产生重要影响，而这种相互作用又会导致声场对流场的反作用。
海洋生物的运动状态和地形的不规则性都会对声波的传播产生影响，从而影响水下声场的形成和分布。
针对这些影响因素，科学家们可以通过数值模拟和实地观测来研究海洋环境中流声耦合的机理，从而提出相应的声场预测和控制方法。
在气动声学领域，振荡涡流场是一种常见的复杂流动现象，其产生于飞机、汽车等载体的运动过程中湍流区域的不稳定振荡。
振荡涡流场
对噪音的产生和传播都具有重要影响，因为它会影响载体周围的气体运动状态，从而影响声波在空气中的传播特性。
研究振荡涡流场对噪音的影响对于飞机、汽车等噪音控制具有重要意义。
科学家们可以通过实验室模拟和现场测量等手段来研究振荡涡流场的特性，从而提出相应的飞机、汽车噪音降低方案。
除了流声耦合和振荡涡流场，声散射调制现象也是水声学和气动声学研究中的重要内容。
声散射调制是指声波在经过流动介质时，由于介质的运动状态不同而导致声波的散射和调制。
在海洋环境中，声散射调制是海底和水下生物对声波传播的影响，它导致了水下声场的不均匀性和复杂性；在大气环境中，声散射调制是风场、地形等环境对声波传播的影响，也会导致飞机、汽车等噪音的复杂传播特性。
研究声散射调制对于水下信号传输的稳定性和飞机、汽车噪音控制具有重要意义。
科学家们可以通过数值模拟和实验室观测等手段来研究声散射调制的机理，从而提出相应的声场调制和控制方案。
在未来的研究中，我们需要更深入地探索流声耦合和振荡涡流场的复杂性，并积极寻求新的研究方法和理论模型。
通过与相关领域的交叉合作和理论探索，我们可以更好地理解声波在复杂介质中的传播和散射规律，为声学波动的预测和控制提供更多有效的途径和方法。
水声学和气动声学领域的研究对于我们理解和控制水下噪声和飞机、汽车等噪音具有重要意义。
我们期待着在科学家和工程师们的共同努
力下，能够取得更多关于流声耦合和振荡涡流场的重要发现，并为相关领域的应用和技术发展做出更大的贡献。
希望本文能够为读者提供有价值的参考和启发，促进相关领域的进一步研究和应用。