工程水声原理

定　　价：95 元

• 作者：程广利
• 出版时间：2024/11/1
• ISBN：9787121488436
• 出 版 社：电子工业出版社

• 中图法分类：TB5 
• 页码：356
• 版次：01
• 开本：16开

内容简介

本书主要包括两个方面的内容，即声学基础和水声原理，前者是后者的理论基础，后者是前者在海洋中的具体应用与拓展。本书共 13 章内容：第 1 章为绪论；第 2 章至第 4 章是声学基础部分，主要介绍机械振动系统的基本特性、理想流体介质中声场的基本规律、声波的辐射等内容；第 5 章至第 13章以声呐方程参数为主线介绍水声原理，包括海洋的声学特性、海洋中的声传播理论、声源级与辐射噪声、海洋环境噪声、海洋中的混响、声波在水中目标上的反射和散射、检测阈、声呐与声呐方程及其应用。本书适用于高等学校水声工程专业的本科生，也可作为相关专业研究生教材使用。

作者介绍

程广利，副教授，中国声学学会会员，负责十二五预研，军内科研等项目共12项。获军队级教学成果二等奖一项，学校级教学成果一等奖二项，出版教材3部。

目 录

第 1 章 绪论................................................................................................................................................1
1.1 声学概述........................................................................................................................ 1
1.2 水声学的发展与应用................................................................................................... 4
1.2.1 水声学发展简史................................................................................................ 4
1.2.2 水声学研究对象...............................................................................................11
1.2.3 水声学的应用.................................................................................................. 12
思考题................................................................................................................................... 12
第 2 章 机械振动系统的振动............................................................................................................13
2.1 单自由度机械振动系统的自由振动........................................................................ 13
2.1.1 运动方程及其解.............................................................................................. 14
2.1.2 振动速度、加速度和振动能量...................................................................... 16
2.2 单自由度机械振动系统的强迫振动 ........................................................................... 18
2.2.1 运动方程和振动位移的解.............................................................................. 18
2.2.2 机械阻抗和机械谐振...................................................................................... 20
2.2.3 位移振幅的频率特性 ..................................................................................22
2.2.4 相位频率特性 .................................................................................................. 23
2.3 均匀棒的纵振动........................................................................................................... 24
2.3.1 均匀细棒纵振动方程...................................................................................... 25
2.3.2 两端自由细棒的自由振动.............................................................................. 28
2.3.3 一端固定另一端在谐和力作用下棒的稳态振动........................................ 30
思考题.................................................................................................................................... 32
第 3 章 理想流体介质中声场的基本规律.....................................................................................33
3.1 声音在介质中传播的基本概念 ................................................................................ 33
3.2 声学量——声压、振速、压缩量............................................................................... 34
3.3 理想流体介质中小振幅波传播的基本规律............................................................... 35
3.3.1 几点假设........................................................................................................... 36
3.3.2 连续性方程 .......................................................................................................36
3.3.3 状态方程............................................................................................................37
3.3.4 运动方程............................................................................................................39
3.3.5 波动方程............................................................................................................40
3.3.6 速度势函数 .......................................................................................................41
3.4 声场中的能量关系 .......................................................................................................42
3.4.1 声能密度............................................................................................................43
3.4.2 能流密度和声波强度..................................................................................43
3.4.3 声压级和声强级..........................................................................................45
3.5 平面声波在无限流体介质中的传播.....................................................................45
3.5.1 平面波在均匀无限介质中的传播..............................................................46
3.5.2 谐和律振动的平面波..................................................................................46
3.6 平面波在两种不同均匀介质分界面上的反射和折射.........................................50
3.6.1 平面波垂直入射到两种介质平面分界面上..............................................50
3.6.2 平面波倾斜入射情况..................................................................................53
3.7 各向均匀球面波.....................................................................................................61
3.7.1 波动方程及传播特性..................................................................................61
3.7.2 谐和律振动球面波......................................................................................63
3.7.3 谐和球面扩散波..........................................................................................64
3.8 柱面波 ....................................................................................................................68
3.8.1 均匀柱面波行波场中的速度势和声压......................................................71
3.8.2 均匀柱面波行波场中的质点振速..............................................................71
3.8.3 柱面波波阻抗..............................................................................................72
3.8.4 柱面波强度..................................................................................................73
3.8.5 已知振源表面振速求柱面波声场中的声振幅和声波强度 ......................74
3.9 声波在波导中的传播.............................................................................................76
3.9.1 平行平面层中波传播的一般关系..............................................................76
3.9.2 绝对硬边界条件波导中的简正波..............................................................77
3.9.3 简正波传播的相速度和群速度..................................................................81
3.9.4 绝对软的平行平面边界..............................................................................83
思考题 .............................................................................................................................84
第 4 章 声波的辐射........................................................................................................................85
4.1 声波的辐射现象.....................................................................................................85
4.1.1 声场对发射器的作用..................................................................................85
4.1.2 辐射阻抗和辐射声功率..............................................................................87
4.2 均匀脉动球形声源的辐射.....................................................................................87
4.2.1 辐射阻抗......................................................................................................88
4.2.2 辐射声功率..................................................................................................89
4.3 无限长均匀脉动柱面的辐射.................................................................................89
4.3.1 低频发射......................................................................................................90
4.3.2 高频发射......................................................................................................91
4.4 平面活塞式发射器的声辐射.................................................................................92
4.4.1 辐射声场的计算..........................................................................................92
4.4.2 平面活塞式发射器的辐射阻抗..................................................................97
4.4.3 平面活塞式发射器的辐射声功率 ..............................................................98
4.5 声场中的互易定理.................................................................................................99
4.5.1 声场互易定理数学表达式的推导 ..............................................................99
4.5.2 声场互易定理的物理意义........................................................................102
思考题 ...........................................................................................................................103
第 5 章 声呐与声呐方程............................................................................................................. 104
5.1 声呐的分类与功能...............................................................................................104
5.1.1 主动声呐....................................................................................................104
5.1.2 被动声呐....................................................................................................105
5.2 声呐参数与声呐方程...........................................................................................106
5.2.1 声呐参数....................................................................................................106
5.2.2 声呐方程....................................................................................................109
5.2.3 声呐方程参数组合....................................................................................110
思考题 ...........................................................................................................................112
第 6 章 海洋的声学特性..............................................................................................................113
6.1 声速.......................................................................................................................113
6.1.1 海洋的物理与化学特性............................................................................113
6.1.2 经验公式....................................................................................................116
6.1.3 现场测量....................................................................................................118
6.1.4 海洋中的声速剖面....................................................................................120
6.2 传播损失...............................................................................................................124
6.2.1 传播损失的定义........................................................................................124
6.2.2 扩展损失....................................................................................................125
6.2.3 吸收损失....................................................................................................126
6.2.4 气泡吸收....................................................................................................132
6.3 海面、海底对声传播的影响...............................................................................133
6.3.1 海面对声传播的影响................................................................................133
6.3.2 海底对声传播的影响................................................................................148
6.4 海洋中的尺度现象...............................................................................................162
6.4.1 海洋锋........................................................................................................162
6.4.2 涡旋............................................................................................................164
6.4.3 内波............................................................................................................167
6.5 典型水下声场传播模式.......................................................................................170
6.5.1 浅海海域....................................................................................................171
6.5.2 过渡海域....................................................................................................177
6.5.3 深海海域....................................................................................................181
6.6 海洋中的声传播起伏...........................................................................................190
6.6.1 非随机起伏和随机起伏............................................................................191
6.6.2 起伏原因粗析............................................................................................191
6.6.3 声传播的相干性........................................................................................192
6.6.4 海洋中的多途传播....................................................................................193
思考题 ...........................................................................................................................194
第 7 章 海洋中的声传播理论.......................................................................................................195
7.1 波动方程的几种规范解.......................................................................................195
7.2 射线声学理论 ......................................................................................................198
7.2.1 射线声学基本方程....................................................................................199
7.2.2 射线声学理论的应用条件........................................................................200
7.2.3 斯涅耳（Snell）定律和声线弯曲............................................................201
7.2.4 声线图的画法............................................................................................202
7.2.5 本征射线的计算........................................................................................209
7.3 简正波理论 ..........................................................................................................213
7.3.1 声场数学推导............................................................................................213
7.3.2 传播损失计算............................................................................................216
7.3.3 声场数值计算............................................................................................217
7.4 抛物方程理论 ......................................................................................................222
7.4.1 流体抛物方程............................................................................................222
7.4.2 自初始场推导............................................................................................225
7.4.3 边界条件处理............................................................................................226
思考题 ...........................................................................................................................230
第 8 章 声源级与辐射噪声 ........................................................................................................ 231
8.1 声源级与辐射声功率...........................................................................................231
8.1.1 声源级与辐射声功率的关系....................................................................231
8.1.2 限制声呐功率的因素................................................................................233
8.1.3 指向性指数................................................................................................236
8.2 水声换能器的工作原理.......................................................................................242
8.2.1 几种常用水声换能器的结构....................................................................242
8.2.2 水声换能器主要工作特性参数................................................................246
8.3 辐射噪声与自噪声...............................................................................................247
8.3.1 舰船辐射噪声的声源级和噪声谱 ............................................................247
8.3.2 舰船辐射噪声源及其一般特性................................................................248
8.3.3 舰船、潜艇、鱼雷的辐射噪声级 ............................................................253
8.3.4 自噪声........................................................................................................257
思考题 ...........................................................................................................................261
第 9 章 海洋环境噪声.................................................................................................................. 262
9.1 海洋环境噪声源与噪声谱...................................................................................262
9.1.1 海洋环境噪声谱........................................................................................263
9.1.2 海洋环境噪声源........................................................................................263
9.1.3 浅海环境噪声............................................................................................266
9.1.4 海洋环境噪声的间歇源............................................................................266
9.2 海洋环境噪声的特性...........................................................................................268
9.2.1 海洋环境噪声的指向性............................................................................268
9.2.2 海洋环境噪声的振幅分布和空间相关性 ................................................269
9.3 海洋环境噪声模型...............................................................................................272
思考题 ...........................................................................................................................274
第 10 章 海洋中的混响................................................................................................................. 275
10.1 混响的基本概念.................................................................................................275
10.1.1 混响的定义和分类..................................................................................275
10.1.2 基本量与假设..........................................................................................277
10.2 体积混响 ............................................................................................................278
10.2.1 混响贡献区与散射源..............................................................................278
10.2.2 体积混响的强度......................................................................................279
10.2.3 体积混响源：深水散射层......................................................................281
10.3 界面混响 ............................................................................................................284
10.3.1 界面混响的强度......................................................................................284
10.3.2 浅海混响..................................................................................................285
10.3.3 混响的统计特性......................................................................................287
10.4 混响的预报 ........................................................................................................288
10.4.1 混响预报的要点......................................................................................288
10.4.2 混响有关参数的估算..............................................................................289
10.4.3 混响限制下的作用距离预报..................................................................292
10.4.4 探测沉底目标时的混响预报..................................................................293
思考题 ...........................................................................................................................295
第 11 章 声波在水中目标上的反射与散射 ...............................................................................296
11.1 目标强度.............................................................................................................296
11.1.1 目标强度的定义......................................................................................296
11.1.2 刚性目标的散射强度..............................................................................297
11.1.3 简单形状物体的目标强度......................................................................298
11.1.4 多基地声呐目标强度..............................................................................300
11.2 常见声呐目标目标强度的一般特征.................................................................303
11.2.1 潜艇的目标强度......................................................................................303
11.2.2 水面舰艇的目标强度..............................................................................306
11.2.3 水雷的目标强度......................................................................................306
11.2.4 鱼雷的目标强度......................................................................................307
11.2.5 拖曳基阵的目标强度..............................................................................308
11.2.6 实用目标强度值......................................................................................308
11.3 目标回波.............................................................................................................309
11.3.1 回波信号的形成......................................................................................309
11.3.2 回波信号的一般特征.............................................................................. 311
11.3.3 回波信号的亮点模型..............................................................................313
11.4 目标强度的测量.................................................................................................314
11.4.1 比较法......................................................................................................315
11.4.2 直接法......................................................................................................316
11.4.3 应答器法..................................................................................................316
11.5 目标强度的降低——消声瓦.............................................................................317
思考题 ...........................................................................................................................321
第 12 章 检测阈 ............................................................................................................................. 322
12.1 检测阈的定义.....................................................................................................322
12.2 检测所需的输入信噪比.....................................................................................326
12. 3 影响检测阈的因素............................................................................................327
12.4 检测阈估计.................................................................................................328
思考题 ...........................................................................................................................329
第 13 章 声呐方程的应用............................................................................................................. 330
13.1 被动声呐方程.....................................................................................................330
13.1.1 宽带平方律检波......................................................................................331
13.1.2 窄带警戒..................................................................................................332
13.2 主动声呐方程.....................................................................................................332
13.3 声呐设计.............................................................................................................333
13.4 声呐性能预报.....................................................................................................337
思考题 ...........................................................................................................................342
参考文献............................................................................................................................................ 343