《水声学》课程教学资源（PPT课件）第6章 海洋中的混响（1/2）

第6章海洋中的混响第十七讲海水中气泡的声学特性、海面混响

第6章 海洋中的混响 第十七讲 海水中气泡的声学特 性、海面混响

本讲主要内容海水中气泡的声学特性口海面表层内的空气泡口小气泡对声波的吸收作用口小气泡的共振频率口单个气泡的散射截面、吸收截面和消声界面衰减系数7口含气泡水介质中的声速海面混响海面散射的理论处理

2 本讲主要内容 ◼ 海水中气泡的声学特性 ❑ 海面表层内的空气泡 ❑ 小气泡对声波的吸收作用 ❑ 小气泡的共振频率 ❑ 单个气泡的散射截面、吸收截面和消声界面 ❑ 衰减系数 ❑ 含气泡水介质中的声速 ◼ 海面混响 ❑ 海面散射的理论处理

本讲主要内容海面混响海面散射强度口关于海面散射的理论

3 本讲主要内容 ◼ 海面混响 ❑ 海面散射强度 ❑ 关于海面散射的理论

海水中气泡的声学特性口海面表层内的空气泡海面的不平整性及波浪产生的小气泡对声波的散射形成海面混响海面混响的特性与水中气泡的声学特性密切相关口小气泡对声波的吸收作用小气泡不属于吸声材料：，小气泡群的吸收和散射作用使得声波通过这种气泡群后会产生很大衰减衰减的原因1）气泡散射一气泡的存在使介质出现不连续性

4 ◼ 海水中气泡的声学特性 ❑ 海面表层内的空气泡 ◼ 海面的不平整性及波浪产生的小气泡对声波的散 射形成海面混响 ◼ 海面混响的特性与水中气泡的声学特性密切相关 ❑ 小气泡对声波的吸收作用 ◼ 小气泡不属于吸声材料； ◼ 小气泡群的吸收和散射作用使得声波通过这种气 泡群后会产生很大衰减。 ◼ 衰减的原因 1）气泡散射—气泡的存在使介质出现不连续性；

海水中气泡的声学特性口小气泡对声波的吸收作用衰减的原因2）气泡再辐射一一在入射声波作用下，气泡作受迫振动，向周围介质辐射声能；3）气泡热传导一一气泡的压缩、膨胀产生热传导；流体粘滞作用一一水介质与气泡的磨擦产生热能结论：气泡对声波的衰减来自气泡的吸收作用和散射作用

5 ◼ 海水中气泡的声学特性 ❑ 小气泡对声波的吸收作用 ◼ 衰减的原因 2）气泡再辐射——在入射声波作用下，气泡作受 迫振动，向周围介质辐射声能； 3）气泡热传导——气泡的压缩、膨胀产生热传导； 流体粘滞作用——水介质与气泡的磨擦产生热能。 结论：气泡对声波的衰减来自气泡的吸收作用和散 射作用

海水中气泡的声学特性口小气泡的共振频率小气泡类似于谐振腔，在声波的作用下，其振动机理类比电路如下：R,msD共振质量一m，~pcS。kala等效弹性系数一D=yP.S /V总压力一F=P.S。辐射声阻一R,~pcS。(ka)6

6 ◼ 海水中气泡的声学特性 ❑ 小气泡的共振频率 小气泡类似于谐振腔，在声波的作用下，其振 动机理类比电路如下： 等效弹性系数— 共振质量— 辐射声阻— 总压力— F ms Rs D 0 2 0 0 D = P S /V 2 0 R cS (k a) s   ms  cS0 ka  F = P0 S0

海水中气泡的声学特性日小气泡的共振频率其中，α为气泡半径；S。为气泡的表面积；V。为小气泡的体积；P为作用气泡的压力；是气体等压比热和等容比热的比值，标准状态下，y = 1.41由上图可知小气泡作受迫振动时的等效机械阻抗3yP.kaZm=pcSo|ka+io?ap气泡的共振频率：3yPfo2元ap

7 ◼ 海水中气泡的声学特性 ❑ 小气泡的共振频率 其中， 为气泡半径； 为气泡的表面积； 为小 气泡的体积； 为作用气泡的压力； 是气体等 压比热和等容比热的比值，标准状态下， 由上图可知小气泡作受迫振动时的等效机械阻抗： 气泡的共振频率： a 0 S V0 P0  = 1.41  k a a P Z cS k a i m                = + −     2 2 0 0 3 1    0 0 3 2 1 P a f =

海水中气泡的声学特性口小气泡的共振频率例：对于水中的气泡，取p=lg/cm2，空气的=1.41设气泡在水面附近，则P.为1标准大气压，据此可得谐振频率：f。= 0.33/a单位：kHz，a的单位为cm。结论1）半径在（0.1~0.01）cm数量级范围内的气泡的共振频率为（3.3~33）kHz，而声纳的工作频率恰好在此范围，所以该半径范围的气泡对声纳工作影响最大。8

8 ◼ 海水中气泡的声学特性 ❑ 小气泡的共振频率 例：对于水中的气泡，取 ，空气的 设气泡在水面附近，则 为1标准大气压，据此可 得谐振频率： 单位：kHz，a的单位为cm。 ◼ 结论 1）半径在（0.1~0.01）cm数量级范围内的气泡的 共振频率为（3.3~33）kHz，而声纳的工作频率 恰好在此范围，所以该半径范围的气泡对声纳工 作影响最大。 3  =1g / cm  = 1.41 P0 f 0 = 0.33/ a

海水中气泡的声学特性口小气泡的共振频率结论2）海水中压力P.与海水深度d有关，则深度d处的空气泡的共振频率为0.331 +0.1dto.=a单位：kHz，a的单位为cm；d的单位为m。口单个气泡的散射截面、吸收截面和消声截面根据机电类比，小气泡的散射功率W。就是消耗在电阻上的功率：

9 ◼ 海水中气泡的声学特性 ❑ 小气泡的共振频率 ◼ 结论 2）海水中压力P0与海水深度d有关，则深度d处的空 气泡的共振频率为 单位：kHz，a的单位为cm；d的单位为m。 ❑ 单个气泡的散射截面、吸收截面和消声截面 根据机电类比，小气泡的散射功率 就是消 耗在电阻 上的功率： d a f 1 0.1 0.33 0 = + Ws

海水中气泡的声学特性口单个气泡的散射截面、吸收截面和消声截面4元α 1。W,= (PSo)"R2/zm12(ka) +(1-)f2式中，I。=p/2pc 是入射声的强度。定义散射截面α。=W。/I。，则单个气泡的散射截面：4元α20(ka) +/1-fo10

10 ◼ 海水中气泡的声学特性 ❑ 单个气泡的散射截面、吸收截面和消声截面 式中， 是入射声的强度。 定义散射截面 ，则单个气泡的散 射截面： 2 2 2 2 0 0 2 2 2 0 0 ( ) 1 4 2 ( )         + − = = f f k a a I Z P S R W m s s  I p / 2c 2 0 = 0 0 W / I  s = s 2 2 2 2 0 2 ( ) 1 4         + − = f f k a a s  