2012届毕业设计说明书
较广，从10?4Hz到1012Hz，因此当那种周期性变化的频率在声频 范围2092?201012内时，就将其称为是声音或声波：变化频率低于声频范围的弹性波被称为次声波；而变化频率髙于声频范围的弹性波则称为超声波。在声波探测技术中,习惯上将声波和超声波统称为声波。
声波不仅可以在气体媒质中传播，同时也可以在液体和固体中传播。当其在空气中传播时，只能发生压缩和膨胀，即空气质点的运动方向与波的传播方向一致，因此在空气中的传播的声波属于纵波。
衡量声波的物理量主要有两个方面：一方面是声音强度的度量，即反应声的大小；另一方面是声频的高低度量。具体体现在：声压、声强、声功率以及声能密度等。 (1) 声压
声波对传播媒质作用时，使媒质质点受到挤压而产生压力变化，并发生周期性的压缩和膨胀，从而引起媒质中压强的变化。在空气中，由于声波扰动的影响,使空气压强发生起伏变化，而出现压强增量，该压强增量就称为声压，单位为帕 (Pa)。声压是用来表示声音强弱的物理量。通常釆用的声压有瞬时声压、峰值声压和有效声压。瞬时声压是指媒质中某点瞬时压强和静压强的差值；某一时刻内最大的瞬时声压称为峰值声压；当瞬时声压对时间取方均根值时就称为有效声压。 通常所说的声压都是指有效声压。
声压一般是时间和空间的函数，即：
P=P(x,y,z,t) (2.4)
P(t,x)=P0?ej(wt?kx) (2.5)
?c式中 ?——圆频率，?= 2?f； k——波数，k?；
P0——声压幅值；
此声场是一个波阵面为平面，沿正x方向以速度c传播的平面行波。 (2) 声强和声功率
声强是指在垂直于声波传播方向上，单位时间内通过单位面积的声能；其单位为：W/m2；而且声强越大，说明声音越强。
第 6 页 共 38 页
2012届毕业设计说明书
在平面波自由声场中，声波仅来自声源方向，此时的声强可表示为：
2Prms I? (2.6)
?c式中 Prms——有效声压； ? ——空气密度；
c ——空气中声波传播速度，即声速；
在扩散声场中，声强可表示为：
2Prms I?4?c (2.7)
通过上式，可知某点的声强和该点的声压平方成正比。 其中：?和
c的乘积也被称做是媒质的特性阻抗；对空气来说，20℃时的特性阻
抗为：407瑞利（Pa?s/m）。
声功率，是声源声输出的一种基本度量，也是声源本身的一种基本物理特性；它是指声源在单位时间内辐射出的总的声能量，单位为：W；
在自由声场中，声源中声功率与声强有如下关系： W式中
?I?4?r2 (2.8)
r ——离开声源的距离；
W ——声源辐射的声功率；
(3) 声能密度
声能密度是指在传播媒质中，媒质单位体积内所包含的声能。 在平面波声场中，声能密度可表示为:
2Prms D? (2.9)
?c2式中 Prms——有效声压；
?
——空气度；
c ——空气中声波传播速度，即声速；
第 7 页 共 38 页
2012届毕业设计说明书
(4) 声学量的级
在声学中，直接使用声压、声强和声功率是极不方便的，为此，引入了 “级” 的概念，来表示声音的强弱。声学量的级就是指某个声学量与其同类基准值之比的对数。基准值是用来规定声学量级中的零分贝值。级的类别用名称表示有声压级、声强级和声功率级等[7]。通常所使用的级的单位是分贝，符号表示为dB。
声压级的数学表达式为：
Lp?10lgP2P02?20lgPP0 (2.10)
声强级的数学表达式为：
LI?10lgII0 (2.11)
声功率级的数学表达式为：
LW?10lgWW0 (2.12) 上述表达式中P0、I0、W0分别表示基准声压、基准声强和基准声功率，其中I0和W0的值分别为： I0?10?12Wm2和W0?10?12W； 2.3 声波在空气中的传播特性
声波在空气中传播时，其形状可根据波阵面的形状来划分，主要有平面波和球面波。波阵面为平面的波称为平面波，并且此波阵面具有与声传播方向的垂直平面相平行的特征；在不考虑介质吸收波能量的情况下，即在理想媒质中，声压不随着声源距离的变化而变化，即此时的声压为恒量。球面波则是波阵面为同心球面的声波；球面波在介质中传播时，球面波的声强与距声源距离的平方成反比，也就是说声压与传播距离成反比；在理想媒质中，声压与球面声波的半径成反比。声波在媒质中传播时，其振幅随传播距离的增大而减小的现象，就称为声波的衰减。声波在空气中传播时，声波的传播方向会由于大气温度梯度和传播速度梯度的存在而发生变化，同时大气的扰动会导致声波发生崎变，以及空气的粘滞性造成声能的吸收等，这些都造成了声波在空气中传播时发生衰减，此衰减与空气的温度、湿度和声波的频率等有关[8]。除这些原因外，声波在传播媒质中的悬浮粒子上发生的散射，也是形成衰减的重要原因。对于声波衰减现象可用数学表达式表示为：当声波传播一段较小的距离办后，振幅的减小量与原来的振幅成正比，也与这段距离成正比，即
第 8 页 共 38 页
2012届毕业设计说明书
??d?m?????m?dx (2.13)
?m当x=0时，??x??m0，因此有?m??m0?e (2.14)
式中 ?——媒质对声波的衰减系数，由两部分组成，即吸收衰减系数和散射衰减系数；其单位为：奈培.米-1
在均匀介质中，对于被动声设备其接收点信号强度的衰减可表示为：
IH?0.1?rIr??10?? 0 (2.15)
r2式中 I0、IH——分别为接收点和发射点的信号强度；
r——收发间距（或是带有接收换能器的声源装置与目标间的距离）；
?——吸收系数； 由于介质往往是不均匀的，因此对上式进行修正：
I0?r??式中
IH?0.1?r?10?A?r? (2.16) 2r? ——空间衰减系数；
A?r?——异常值，即：在相同距离上，不均匀介质中信号强度与均匀介质中
的信号强度之比；其不是距离的单调函数； 2.4 声源定位原理
声源定位技术是利用声学与电子装置接收目标声场信息以确定目标声源位置的一种技术。被动声目标定位就是指传声器工作在被动状态方式下，利用目标发射出的噪声信号对目标位置进行估测。如何布设性能优良、结构简单合理的传声器阵列是被动声目标定位和跟踪系统中的关键技术之一；通常传声器阵列布设的结构可以分为线型阵列、平面阵列和立体阵列等。对线型阵列来说，它只能对以阵列所在直线为界的半个平面进行目标定位，确定目标的二维参量，否则无唯一解；并且当目标位于线型阵列的端射方向时，线型阵列将失去测距的能力；平面阵列不仅可以对整个平面进行目标定位，同时也可以对阵列所在平面为界的半个空间进行定位，确定目标的三维参量；立体阵列则可以对整个空间进行定位，但其定位算 法比较复杂。
第 9 页 共 38 页
2012届毕业设计说明书
被动声目标定位算法按照测量依据来分主要有两种:一种是基于时延估计(信号到达不同传声器间的时间差)的目标参数估计测量法，而另一种则是基于瞬时频率估计的参数估计测量方法[9]；由于前者具有较高的测向、测距精度，并有较强的抗干扰性能，是目前被动声测系统中广泛釆用的方法。若按照传声器阵列的排布方式，有直线定位法、平面三角定位法、平面圆形定位法、平面正方形定位法和球面三角形定位法等。 2.5 本章小结
本章主要概述了声学理论的基础知识及声波的物理传播特性，并简述了声源定位原理，列举了声源定位的两种方法及几种类型，继而为后面研究时延估计的声源定位技术打好基础。
第 10 页 共 38 页