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《水下矢量声场理论与应用》系统介绍了水下矢量声场特征和结构等方面的理论与应用,主要包括流体介质中声波的基本方程、海洋中确定性声源信号场的矢量特征、海洋噪声场的矢量-相位结构、水下声矢量信号的获取、矢量水听器的校准、矢量水听器的应用。《水下矢量声场理论与应用》可作为理工科高等院校水声工程专业高年级本科生和研究生的教材,也可作为相关专业研究人员和技术人员的参考书。

目录

序

前言

第1章 流体介质中声波的基本方程 1

1.1 声学基本方程 1

1.2 声场中标量、矢量及其能量 10

1.3 流体介质中平面波声场的特点 15

第2章 海洋中确定性声源信号场的矢量特征 19

2.1 水平方向声能流的转移 19

2.2 浅海声场中的矢量信号 20

2.3 深海声场中的矢量信号 26

2.4 二维信道中声信号矢量相位结构形成的特点 31

2.5 声场中矢量接收的概念 36

2.6 声场矢量相位特性中声源位置的信息 44

第3章 海洋噪声场的矢量相位结构 51

3.1 作为接收信号时基本干扰源的海洋噪声场 51

3.2 海洋环境的基本噪声源及其声压谱级 53

3.3 海洋噪声场声学模型 57

3.4 噪声场中矢量与标量之间的关系 57

3.5 利用组合接收系统对海洋噪声、噪声贡献的分离与各向异性的研究 61

3.6 -些试验结果 63

3.7 海洋噪声场中的相关关系 66

3.8 声功率流 70

第4章 水下声矢量信号的获取 77

4.1 声接收器的分类与模型 77

4.2 用于朝信号检测的声接收器 86

4.3 同振球型复合式矢量水听器的声波接收理论 90

4.3.1 质点振速接收器对声波的接收理论 91

4.3.2 质点振速接收器近场声散射 95

3.3 声压接收器对声波的接收 96

4.4 水下声接收器101

4.4.1 声压接收器 101

4.4.2 振速接收器 103

4.4.3 不动外壳式声压梯度接收器 104

4.4 同振型声压梯度接收器 109

4.4.5 组合式接收器 112

4.4.6 二阶接收器及张量接收器 115

4.5 振动传感器 117

4.5.1 压电式传感器 118

5.2 电容式传感器 122

4.5.3 动圈式磁电传感器 126

4.6 矢量水听器设计实例 128

4.6.1 矢量水听器外壳形状对振速测量的影响 129

4.6.2 三轴向组合式矢量水听器的研制与测试 133

第5章 矢量水听器的校准 137

5.1 声接收器的基本特性 137

5.2 组合接收系统中矢量水听器与声压接收器的相互影响 138

5.3 声压梯度接收器的校准方法 140

5.4 声接收器的校准装置 155

第6章 矢量水听器的应用 162

6.1 矢量信号处理基本方法 162

6.2 低频弱辐射噪声舰船的定位 167

6.3 水下噪声源的近场定位识别 176

6.4 噪声源酌近场声全息测量 192

6.5 矢量水听器在航空声呐浮标中的应用 204

6.6 典型障板条件下矢量水听器的应用 207

6.6.1 圆柱声障板矢量传感器阵列信号处理 208

6.6.2 试验数据处理与分析 215

参考文献 221

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第1章 流体介质中声波的基本方程

广义地说,一种物质存在于另一种物质内部时,后一种物质就 可 称 为 是 前 一

种物质的介质。某些波状运动,如声波、电磁波等,其借以传播的物质称为这种波

状运动的介质,也可称为媒质,如机械波介质、电介质等。波动能量的传递需要物

质中基本粒子的弹性或准弹性碰撞来实现,这种物质的成分、形状、密度及运动状

态等性质决定了波 动 能 量 的 传 递 状 态,对 波 的 传 播 起 决 定 作 用 的 物 质 称 为 波 的

介质。

声波是一种机械振动状态在介质中传播的现象,它可以在一切弹性介质中传

播,其传播与介质本身的性质有关。介质弹性力的作用使得发射器附近的介质由

近及远依次振动。介质具有质量,因而有惯性,惯性的作用使得介质的振 动 依 次

落后一定时间。通过介质的弹性和惯性作用,介质中相应局部的振动状态或形变

就传到另一处去,这就是声波的传播过程。当振动在流体中传播时,形成 介 质 的

压缩和伸张交替运动,声波表现为压缩波的形式传播,即纵波。固体中由 于 有 切

应力,所以还有横波的传播形式。介质中振动的传播过程会有时间滞后,即 声 波

在介质中传播有一定速度,称之为声波的传播速度,简称声速。在介质中,声波所

涉及的区域统称为声场。

除特殊说明外,本章假设介质的切面弹性模量为零,不具有声吸收现象,并且

除了声波引起介质本身的振动外,介质自身不作整体的运动,即在理想流体介质

的假设下,介绍声波的基本方程、声场的基本性质和能量关系等。

1.1 声学基本方程

声波在流 体 中 的 传 播 过 程 是 流 体 运 动 的 特 殊 形 式。当 流 体 中 某 体 积 元 受

到外力的扰动而压缩和膨胀时,流体的连续性与压缩性使得与该体积元相邻的体

积元作相应的运动。以此类推,体积元受到的扰动就以波动的形式向远 处 传 播,

形成了流体中声波的传播。建立声波的基本方程,就是研究流体元的状 态,如 密

度、速度或位移等物理量随时间和空间的变化规律,通常有以下两种具体的描述

方法[1～5]。

(1)Lagrange方法。在无限大连续流体空间中,取微体积元在某个初始时刻

所在空间坐标为r0

(A,B,C),随 着时间变化,体积元运

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