（ii）近场特性
k p 2 cu0 sin 2

r a r
2 2

a
活塞面中心点处,r=0时
ka a p 0 2 cu0 sin 2 cu0 sin 2
a 2n

2
, p0 0
a ( 2 n 1)
自由声场中，声源附近瞬时声压与瞬时质点振速不同
相的声场。
2.自由场的建立 （1）天然水域
（2）实验室
（1）天然水域自由场条件
· 水域应有足够的空间，以便从边界反射回来的干扰能用 脉冲声技术、消声边界或长距离传输等方法消除； · 应有很低的噪声环境，以保证测量所需的信噪比； · 在水介质中要避免有可能引起折射和散射的任何因素， 诸如流、温度梯度、海洋生物、气泡和污物等； · 要有良好的气候条件，以保证测量的顺利进行和便利； · 在高频和超声频范围测量时，水深通常小于20m；对 1kHz以下的频率，水深应大于20m。
对于其他情况
r r
最大线度尺寸L L2/λ
声场误差小于0.5dB
（2）等效声中心的确定
①问题的提出
Δd
0 0`
d0 d
pd Δd
0 0`
d0 d
pd
Δd
0 0`
d0 d
pd
②确定方法
pd——远场中某处声压；
d——以参考点为起点的测量距离；
Δd——参考点与实际声中心的偏差。
A/Pd
A/P2
A/P1
（2）实验室自由场条件： · 消声水池 · 非消声水池采用脉冲声技术
3.测量距离的确定
（1）远场判据
（2）等效声中心的确定
(1)远场判据
① 理论推导
以活塞发射器和点接收器组成的系统为例，推导远场距离判据。
p dp
s
kc j u 0 e j t kr ds 2r
工作原理
∆t
（1）电串漏信号：
电或电磁的信号，经非声学途径传播，是发 射与接收系统直接 电耦合所至，可能是接地 线不妥当或水听器屏蔽不好。
（2）直达信号：
经声传播时间延迟后到达，由于电子设备和 换能器滤波特性，致使直达脉冲信号形状产生畸 变。
（3）反射信号：
由于各种反射途径均比直达声程远，因此各 种反射波均在直达声后面出现。
p=max
r
在法线上将会出现声压极大、极小值的交替分布现象
离发射面最远处声压极大值点对应于n=0
即
r0
a
2



4
这表明，最后一个最大值的位臵恰好是边缘声线和 轴向声线程差为 的点，超过此点，活塞面上任何两 个元波到达法线上点的程差都小于 ，声压幅值变为 单调的减小，于是声场逐渐进入弗朗霍夫尔区。在此点 附近，声压幅值变化很缓慢，类似于平面波。
式中：
r
u0
——活塞发射器表面振动幅度
r
——活塞上面元到观察点的距离
c ——水中声速 ——水的密度
ds ——面元面积
（i）远场特性
u0 a 2 2 J 1 (ka sin ) j (t kr ) p(r , t ) j e 2r ka sin
式中：a—活塞发射器半径；
ka 2 a 2 p 2 cu0 sin 2 cu0 sin 4 r 2 r
当

很小时， sin
所以
若
ka 2 ka 2 sin 4r 4r
ka p cu0 2r
2
u0 a 2 2 J 1 (ka sin ) j (t kr ) p(r , t ) j e 2r ka sin
Q f0
Q——发射换能器的品质因数； fo——发射换能器的谐振频率。
（Ⅳ）为与连续信号测量相比拟，使换能器各部分之播方向上水听器的尺寸；
（Ⅴ）为保证声信号不发生畸变，测试设备等带宽应为
f
2

（2）脉冲周期的选择
2 T T60 3
T60——水池混响时间。
2 2
c
接近远场区（分析近场公式）
r》a 时，
2 4 a a r 2 a2 r 3 2r 8r
k 2 2 p 2 cu0 sin r a r 2
若
时，即
则
ka 2 a 2 p 2 cu0 sin 2 cu0 sin 4 r 2 r
三、实验
1. 脉冲声技术认知实验 2.声场测量条件认知实验
实验室比较法测量系统
正弦填充脉冲输出信号
3015
3 1
功放输入端 （后面版）
功放输出端 （后面版）
外 触 发 信 号
2713
监测信号 输出端 （电压）
3
2
6050 1
5810 1
Hx
Hp
t d 1500
结束3！
第三章
水声测量
一、测量条件 二、脉冲声技术
三、实验
一、测量条件
1.基本概念
2.自由场的建立
3.测量距离的确定
1.基本概念
（1）自由场 （2）远场
（3）近场
（1）自由场 均匀各向同性的媒质中，边界影响可以不计时的声场.
（2）远场 自由声场中，离声源远处瞬时声压与瞬时质点振速同 相的声场。
（3）近场
p

2
, p 0 2 cu 0
圆面活塞中心点处声压 根据a与λ之间关系 可以确定可大可小。
r
b
在活塞法线上声压幅值极大极小点处
k 2
k 2
p
r

2
2
a r n
2

n=0,1,2· · ·
p=0
1 r a r n 2
2

n=0,1,2· · ·
1 声压幅值按照 r
球面波规律衰减。
②结论
活塞发射器和点接收器组成的系统的远场 距离判据为：
③经验公式
对于均匀圆形活塞换能器
ra
a r
2
代表一定误差下对幅度的要求； （二项式展开舍去高次项）
代表一定误差下对相位的要求； （正弦函数用小角度代替）
近似于圆形或方形活塞
r r
面积/波长 最大线度尺寸
∆t
∆t
∆t
∆t
工作示意图
L
4
6 5 d 7 H
B
2、实现方法
（1）脉冲宽度（τ）的选择
（I）避免边界影响
1 c
1 c


d2 H2 d

d 2 B2 d

1 L d c
（Ⅱ）换能器尺寸大于声波长时，避免换能器之间的反射 影响
2d c
（Ⅲ）为与连续信号测量相比拟，使换能器达到稳态条件
O` o
Δd
d1
d2
d
二、脉冲声技术
1、原理 2、实现方法
1、原理
利用正弦填充矩形脉冲信号或不同于连续单频 信号的短促脉冲信号激励发射换能器，并控制接收 系统使其只在脉冲声信号从发射器直达水听器的那 一段时间内接收和测量，而在此段时间之前到达的 脉冲电信号（如电串漏信号）或此段时间之后到达 的脉冲声信号（如从水面、水底、池壁或支架等反 射的信号）将被接收系统拒绝接收，这样即可将被 测有用信号与不希望的噪声信号在时域上分离开来， 从而形成时间域上的自由场。