【声学基础】概述——辐射

第六章.声波的辐射

  本章研究的内容是声源的振动如何转化成媒质中的声波的。主要有两个方面的内容,一是声源振动激发的声场的分布特征,其中包括指向性、随距离的变化规律等;二是研究声场对声源的反作用,即辐射阻。

脉动球源的辐射

  求解特殊形式的声波方程(本质就是球对称情况下球坐标系下的波动方程),得到声压解析式,其反比于距离 r r r,此时利用运动方程可求得媒质质点振速,再根据声源表面振速与接触的媒质的振速连续,可以求得声压表达式的系数 A A A,经典的波动方程+边界条件=解。可以发现,系数 ∣ A ∣ |A| A在低频时正比于 k r 0 2 kr_0^2 kr02,高频时正比于 r 0 r_0 r0,故可以发现,低频时辐射弱,且通过增加声源的尺度,可以增加辐射。
  上面是以媒质中的声波为分析对象,从波动方程+边界条件分析的,现在我们从声源的角度进行分析。声源振动时是一个力学系统,其对周围媒质作用才产生了声波,那根据牛三,周围媒质会给声源一个反作用,所以,在对声源列运动方程时,还需要考虑声场的反作用。因为已知声压,故对表面积积分可以得到声场对声源的反作用力,加入运动方程,提取出表面振速进行合并,可以得到一个等效阻抗项,该项即称为辐射阻。其实上面这顿操作的本质就是求出声源表面处的声压与介质速度之比,然后乘上表面积,即将表面处的声阻抗通过变量器转变为力阻抗,这个力阻抗即为辐射阻。辐射阻反应的是振动能量向声能的转换,辐射抗相当于给力学系统添加了一个质量。
  球面波在远场时为什么可以近似为平面波?从幅值上考虑,远场时,幅值基本不变,从波阵面上考虑,远场时波阵面半径很大,远大于接收器的尺度,故此时波阵面可近似为平面波,其实这两个角度是相互等价的。
  求出声强,然后求出波阵面上的声功率;求出声源的辐射功率;可以发现声源辐射功率=声场的声功率,即能量守恒。

声偶极子辐射

  声偶极子由两个距离很近,相位相反的点源组成的声源。
  求远场时的声场表达式,可以发现存在指向性,低频时近似为 c o s θ cos\theta cosθ(这里的角度是端射方向的),因为此时选取的依然是球坐标系,所以根据远场声压表达式求出径向速度表达式。此时再求出声强表达式,在波阵面上对声强进行面积积分(注意因为这里声强也有指向性,积分的时候存在角度积分)即可得到声功率。
  接下来求声偶极子的辐射阻,这里从能量守恒的角度去考虑。利用声功率=声源辐射功率,求得偶极子等效辐射阻,可以发现低频时辐射阻正比于 ( k r 0 ) 4 (kr_0)^4 (kr0)4,即低频时比两个点源分别辐射的效率更低。物理图像上,低频时振动进行得比较缓慢,又因为两个点源振动反相,故一个点源周围的媒质压缩,变成稠密区,另一个点源周围的媒质膨胀,变成稀疏区,稠密区的媒质来得及流入稀疏区,抵消了形变,振动状态不能向外传播了,故声辐射就弱了。

同相小球源的辐射

  远场条件下求解同相小球源的辐射声场,其指向性为 D ( θ ) = ∣ s i n ( 2 △ ) 2 s i n ( △ ) ∣ D(\theta)=|\frac{sin(2\triangle)}{2sin(\triangle)}| D(θ)=2sin()sin(2),低频时无指向性,随着频率的升高,逐渐显出指向性,且可能会出现副极大。如何不出现副极大,从干涉的角度,当间距 l l l小于波长 λ \lambda λ时不会出现干涉相长,无副极大;从空间离散傅里叶变换的角度,波数 k k k须小于采样间隔导致的频域周期 2 π l \frac{2\pi}{l} l2π具体推导见【实验5】——波束形成技术,这就是波束形成中的自然指向性。
  如何求同相小球源的等效辐射阻?上面介绍的是能量守恒的方法,这里还有一种新的方法。取一个点源进行分析,其受到的媒质作用来自于自身激发的声场以及另一个点源激发的声场,即辐射阻抗=自辐射阻抗+互辐射阻抗。自辐射阻抗就是点源自身的辐射阻抗,互辐射阻抗即另一个点源在此处的声阻抗(这里假设了 k r 0 ≪ 1 kr_0\ll1 kr01,因为我们本身就是在讨论低频情况下的点源叠加后的辐射效率),再经过变量器转为力阻抗即为互辐射阻。可以发现,低频时 ( k l ≪ 1 ) (kl\ll1) (kl1)每个点源的辐射阻为原来的2倍,即低频时辐射增强,为单个点源的4倍。这也与上面的声场结论一致,低频时无指向性,声压处处为原来的两倍,辐射功率为单个点源的4倍。需要注意的是,高频或者两个点源间距过大时,此时两个点源几乎没有相互作用,总辐射声功率等于各自单独存在时的叠加。所以这就是我们常说低频补偿,却没听说过高频补偿。
  小小地总结一下,通过声柱(多个同相小球源组合)的结构,低频时能提高辐射效率,高频时形成一定的指向性。

格林函数

  前面铺垫了那么多点声源的声场性质,接下来就引入格林函数。因为线性系统中能够利用 δ \delta δ函数分解激励源,输出即为冲激响应与激励做卷积,当然本质就是各个冲激响应的线性组合。所以故我们利用 δ \delta δ函数对声源进行分解,每个 δ \delta δ函数此时的响应就叫格林函数,然后再进行求合(积分)就得到了声场表达式。需要注意的是,格林函数如何选取是需要考虑的,若在给定边界条件下求解格林函数,那么声场就直接是格林函数的积分;若选取无限大空间条件下的格林函数,那么声场不仅包括格林函数的积分带来的直达声,还包括边界处的反射声和辐射声。具体推导可以看【声辐射】——格林函数、泊松公式及基尔霍夫-亥姆霍兹积分公式。

Reference:
杜功焕.声学基础(第三版)[M].南京大学出版社

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