水声学声波在目标上的反射和散射4课件.ppt

第六章第六章 声波在目标上的反射和散射声波在目标上的反射和散射第十八讲第十八讲 Helmholtz积分方法积分方法1水声学-声波在目标上的反射和散射(4)本讲主要内容本讲主要内容n壳体目标上的回波信号壳体目标上的回波信号q稳态回波信号稳态回波信号q短脉冲入射时的回声信号短脉冲入射时的回声信号nHelmholtz积分方法积分方法q赫姆霍兹积分解赫姆霍兹积分解q菲涅尔半波带近似法菲涅尔半波带近似法n第六章小结第六章小结n第六章习题第六章习题2水声学-声波在目标上的反射和散射(4)一、壳体目标上的回波信号一、壳体目标上的回波信号n前言前言q声纳目标的结构更类似于壳体声纳目标的结构更类似于壳体q以弹性球壳为例讨论壳体目标回声信号以弹性球壳为例讨论壳体目标回声信号n稳态回波信号稳态回波信号q形态函数与形态函数与ka有关有关q形态函数与壳厚有关形态函数与壳厚有关q形态函数与填充物有关形态函数与填充物有关3水声学-声波在目标上的反射和散射(4)一、壳体目标上的回波信号一、壳体目标上的回波信号n稳态回波信号稳态回波信号q形态函数随形态函数随ka的变化的变化n充水钢球壳回声信号的形态函数充水钢球壳回声信号的形态函数：：4水声学-声波在目标上的反射和散射(4)一、壳体目标上的回波信号一、壳体目标上的回波信号n稳态回波信号稳态回波信号q形态函数随壳厚的变化形态函数随壳厚的变化n厚度变化时充水钢球壳回声信号的形态函数厚度变化时充水钢球壳回声信号的形态函数：：5水声学-声波在目标上的反射和散射(4)一、壳体目标上的回波信号一、壳体目标上的回波信号n稳态回波信号稳态回波信号q形态函数随壳厚的变化形态函数随壳厚的变化n内侧为真空时钢球壳回声信号的形态函数内侧为真空时钢球壳回声信号的形态函数：：6水声学-声波在目标上的反射和散射(4)一、壳体目标上的回波信号一、壳体目标上的回波信号n稳态回波信号稳态回波信号q形态函数随壳内填充物的变化形态函数随壳内填充物的变化n内侧为真空时钢球壳回声信号的形态函数内侧为真空时钢球壳回声信号的形态函数：：7水声学-声波在目标上的反射和散射(4)一、壳体目标上的回波信号一、壳体目标上的回波信号n稳态回波信号稳态回波信号q壳体目标散射声场的空间指向性特性壳体目标散射声场的空间指向性特性n内侧为真空时钢球壳散射声场的空间指向性内侧为真空时钢球壳散射声场的空间指向性：：8水声学-声波在目标上的反射和散射(4)一、壳体目标上的回波信号一、壳体目标上的回波信号n短脉冲入射时的回声信号短脉冲入射时的回声信号q短脉冲入射时充水球壳的回声脉冲短脉冲入射时充水球壳的回声脉冲：：9水声学-声波在目标上的反射和散射(4)二、二、 Helmholtz积分方法积分方法n前言前言q分离变量法只能应用表面规则形状物体分离变量法只能应用表面规则形状物体 q形状不甚规则的物体，经常应用形状不甚规则的物体，经常应用Helmholtz积分方法来积分方法来求解散射声场求解散射声场 q对于形状规则物体，边界是硬或软边界的简单情况，能对于形状规则物体，边界是硬或软边界的简单情况，能给出严格解析解；给出严格解析解；q对于非规则形状物体，边界条件复杂情况，则应用数值对于非规则形状物体，边界条件复杂情况，则应用数值积分法得到数值解，积分法得到数值解， Helmholtz积分方法在实际工程中积分方法在实际工程中应用较多。

应用较多10水声学-声波在目标上的反射和散射(4)nHelmholtz积分解积分解 设物体位于无限声场中，物体外表面为封闭曲面设物体位于无限声场中，物体外表面为封闭曲面S，，它的外法线方向为它的外法线方向为n；点源位于点；点源位于点A，计算声场中点，计算声场中点B的散的散射声场则由射声场则由Helmholtz积分公式得散射声场为：积分公式得散射声场为：q边界条件边界条件：：二、二、 Helmholtz积分方法积分方法11水声学-声波在目标上的反射和散射(4)nHelmholtz积分解积分解q入射波入射波：： 考虑远场条件有：考虑远场条件有：在刚性物体表面上，散射声场等于入射声场：在刚性物体表面上，散射声场等于入射声场：二、二、 Helmholtz积分方法积分方法12水声学-声波在目标上的反射和散射(4)nHelmholtz积分解积分解 将以上两式代入散射声场积分公式：将以上两式代入散射声场积分公式：q反向散射反向散射（收发合置）：（收发合置）： 上两式为上两式为刚性物体散射声场刚性物体散射声场的积分解。

的积分解 二、二、 Helmholtz积分方法积分方法13水声学-声波在目标上的反射和散射(4)n费涅尔半波带近似法费涅尔半波带近似法 qHelmholtzHelmholtz积分解需要知道物体表面的曲面方程，运算积分解需要知道物体表面的曲面方程，运算繁琐q费涅尔半波带方法是一种近似方法，简化运算量费涅尔半波带方法是一种近似方法，简化运算量qHelmholtzHelmholtz积分解的物理意义积分解的物理意义n物体表面上各点在入射声波的激励下，作为次级声源物体表面上各点在入射声波的激励下，作为次级声源辐射次级声波，它们在接收点迭加形成散射声波，次辐射次级声波，它们在接收点迭加形成散射声波，次级声波的相位为级声波的相位为 ，即由声波的往返路程决定即由声波的往返路程决定二、二、 Helmholtz积分方法积分方法14水声学-声波在目标上的反射和散射(4)n费涅尔半波带近似法费涅尔半波带近似法 考虑收发合置情况，声源位于考虑收发合置情况，声源位于B B点，设物体表面距点，设物体表面距B B点点最近的点为最近的点为C C，距离为，距离为 。

以以B B点为球心，以点为球心，以 为半径作为半径作圆，它与物体相切于点圆，它与物体相切于点C C，然后半径每次增加，然后半径每次增加1/41/4波长，将波长，将物体表面分割成许多环带，称为物体表面分割成许多环带，称为费涅尔半波带费涅尔半波带相邻半波相邻半波带的散射波在带的散射波在B B点的声程差为点的声程差为 ，相位相差，相位相差 二、二、 Helmholtz积分方法积分方法15水声学-声波在目标上的反射和散射(4)n费涅尔半波带近似法费涅尔半波带近似法 第第 个半波带的散射声场为：个半波带的散射声场为： 如果物体表面共分为如果物体表面共分为N个波带，则总散射声场为：个波带，则总散射声场为： 当物体比波长大很多，且物体的曲率半径较大，则当物体比波长大很多，且物体的曲率半径较大，则N很大，相邻波带的很大，相邻波带的 变化不大，面积也很接近变化不大，面积也很接近 二、二、 Helmholtz积分方法积分方法16水声学-声波在目标上的反射和散射(4)n费涅尔半波带近似法费涅尔半波带近似法 第第 个波带产生的散射声波绝对值等于相邻两个波个波带产生的散射声波绝对值等于相邻两个波带散射波绝对值的平均值，即带散射波绝对值的平均值，即 则总散射波为：则总散射波为： 二、二、 Helmholtz积分方法积分方法17水声学-声波在目标上的反射和散射(4)n费涅尔半波带近似法费涅尔半波带近似法 当物体很大时，最后一个费涅尔带的当物体很大时，最后一个费涅尔带的 时，时，第一个费涅尔带的第一个费涅尔带的 。

q总散射波总散射波：：二、赫姆霍茨积分方法二、赫姆霍茨积分方法18水声学-声波在目标上的反射和散射(4)n目标强度目标强度q概念与定义概念与定义q刚性大球的目标强度理论推导刚性大球的目标强度理论推导n常见声纳常见声纳目标的目标强度的一般特征目标的目标强度的一般特征q潜艇的目标强度随方位的变化关系及原因潜艇的目标强度随方位的变化关系及原因q潜艇的目标强度随测量距离的变化关系及原因潜艇的目标强度随测量距离的变化关系及原因q潜艇的目标强度随脉冲宽度的变化关系及原因潜艇的目标强度随脉冲宽度的变化关系及原因n目标强度的实验测量目标强度的实验测量q比较法测量目标强度原理比较法测量目标强度原理三、第六章小结三、第六章小结19水声学-声波在目标上的反射和散射(4)n目标强度的实验测量目标强度的实验测量q直接法测量目标强度原理直接法测量目标强度原理q应答器法测量目标强度原理应答器法测量目标强度原理q实验室测量目标强度注意四项实验室测量目标强度注意四项n简单几何形状物体的目标强度简单几何形状物体的目标强度q刚性球体的目标强度刚性球体的目标强度q有限长柱体正横方向的目标强度有限长柱体正横方向的目标强度n目标回波目标回波q回波信号的形成回波信号的形成三、第六章小结三、第六章小结20水声学-声波在目标上的反射和散射(4)n目标回波目标回波q回波信号的一般特征回波信号的一般特征n刚性不动球体的声散射刚性不动球体的声散射q散射场的特点散射场的特点n刚性不动微小球粒子对平面波的散射刚性不动微小球粒子对平面波的散射q散射场的特点散射场的特点n声波在弹性物体上的散射声波在弹性物体上的散射q弹性物体散射声场的一般特征弹性物体散射声场的一般特征三、第六章小结三、第六章小结21水声学-声波在目标上的反射和散射(4)四、第六章习题四、第六章习题n柱形水雷长柱形水雷长2m，半径为，半径为0.5m，端部为半球形。

垂直入射，端部为半球形垂直入射时，水雷及其端部的目标强度表达式是什么？给定声波频时，水雷及其端部的目标强度表达式是什么？给定声波频率分别为率分别为10kHz和和100kHz，计算目标强度计算目标强度 n在高频远场条件下，简单地用能量守恒关系推出半径为在高频远场条件下，简单地用能量守恒关系推出半径为a的刚性球目标强度的刚性球目标强度TS值表达式值表达式 22水声学-声波在目标上的反射和散射(4)THE END23水声学-声波在目标上的反射和散射(4)。