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水下声学基础.声波的概念 声音是怎样产生的？观察各种发声物体，可以发现它们只有振动时才能发出声音，振动停止时，声音 也消失了。这说明声音是由物体的振动产生的。 振动着的发声物体就叫做声源。 声源振动发出的声音，怎么能传到人耳呢？原来在声源和人耳中存在着能够传播振动的物质，比如空 气等，这种能够传播声音的物质叫做声音的媒质 声源的振动，使周围的媒质产生疏密的变化，形成疏密 相间的织波，这就是声波。不仅空气能够传播声波，其它气体、固体和液体也能传播声波。因为真空中没 有传播声音的媒质，故声波不能在真空中传播。人耳能够听到的振动频率，是有一定范围的，即在 20Hz~ 20 000 五z之间。频率在 10-Fz~20 Hz 的机械波，人耳是听不到的，称为次声波。频率在 2×10"Hz~2× 0"Fz 的机械波，人耳也感觉不到，称为超声波。 当然，是否引起人的听觉，不完全由机械波的频率决定，还与声强有关，对每一频率的声波，声强都 有一个上限值， 一个下限值，低于下限值或高于上限值都不能引起人耳听觉。 f=1/T (2-13) 在声波的传播过程中，振动传播的速度叫波速，用 V表示。它的大小取决于媒质的性质。 例如：声波在 0C的空气中速度为 332m/s，20°C时是 344 m/s，30°C时是 349 m/s。声波在几种媒质中 的传播速度见表 2-5。 0C时几种媒质中的声速 m/s 媒质 经公 水 铁 玻 璃 声建 332 1 450 3 800 4 900 5 000-- 6 000 #I* 3 320 花2-5 橡駮 30~50 在一周期的时间工 内，振动在媒质中传播的距离，叫波长，用入表示。 波长^与频率 士和波速 V 有着密切的关系。在均匀媒质中，振动是匀速传播的，也就是说波速是恒量。 这时，波长等于波速与周期的乘积，即： 入=VT或 V=Af (2-14) 声源振动发出的声音，差别很大。有的声音，比如各种乐器发出的声音，悦耳动听，我们把这种声音 叫乐音。有的声音，比如泥凝士搅拌机、空气压缩机等发出的声音，嘈杂刺耳，我们把这种声音叫噪声。 噪声对人体的有严重危害，长期处在较高噪声环境里工作，会使人的神经紧张，心率加快，严重 危害人的身心。

水的物理性质 水的分子是由两个氢原子和一个氧原子组成的。其分子式为 HO. 纯净的水是一种无色、无味、透明的液体。在4°C时密度 ，为1g/cm’，比空气的密度大 770倍。 水的沸点是 100°C，冰点是0C。 水与空气比较是不可压缩的。但是一定量的水，当加压至 20MPa时，它的体积会减少 1%。由于水的 压缩性很小，故可忽略不计。因此，我们通常称水是不可压缩的。 一般情况下，非纯净水的密度较纯净水的大。海水的密度约为 1.025 g/cm3。海水含盐量为 30~35g/L. 水与其它液体一样，具有易流动性。 这是因为水在压力作用下，可达到平衡状态；而在拉力或切力的 作用下，会产生变形。由于水具有流动性，因此它是一种流体。 二、水的压强 (一）压强的概念 单位面积上受到的压力叫做压强。压力既可以由物体的重量产生，例如大气的重量和水的重量可分别 产生大气的压力和水的压力：又可以由物体间的作用力产生，例如空气压缩机的活塞对气红内空气的作用 所产生的压缩力。压强的基本单位为帕(Pa)，因帕的单位很小，故在计算水和气体的压强时，常用兆帕(MPa)。 1Pa= N/m? IMPa= 10°Pa 需要注意的是，在 法定计量单位颁布前，潜水界经常使用大气压、公斤力/厘米？等作为压强单位， 现己不允许使用。大气压作为压强的一个概念仍在使用，不过己不再是压强的法定单位。 在医学和潜水等 领域，经常把压强称作压力，这个压力不是物理学概念的压力，而是特指压强。 潜水员在水中所承受的压强包括由水的重量所产生的静水压强，以及由水面大气的重量所产生的大气 压强， 水面大气压强随海拔高度 和天气的变化而变化，但一般情况下，我们认为地球表面的气压近似等于 0.1MPa〔一个大气压）。对于气体的压强， 一般使用压力表即可测出，当我们把压力表置于海平面大气中 时，压力表的指针指到刻度盘上“0”的位置。这并非说大气的压强为零，实际上大气的压强是 0.IMPa， 也就是说压力表所显示的压强值不包含大气压强。 为了研究方便，我们经常使用 压强和相对压强的概 念。 所渭相对压强 (也叫表压或附加压），表示气体实际承受的压强与大气压之间的压差。压力表所显示 的压强是相对压强。 所谓 压强，表示物体实际承受的压强，也就是施加的总压强。 压强等于相对压强加上 0.MPa（一个大气压）。 在气体定律的计算，以及研究高压环境对人体的生理效应时，应使用 压强。 （二）静水压强 由于水的重量而产生的压力叫做静水压力。单位面积上承受的静水压力就是静水压强。 在中学的物理课程中，我们学习过：液体内部同一点各个方向的压强都相等，而且深度增加，压强也 增加。 在同一深度，各点的压强都相等。若p为某种液体的密度，则深度为h 处的静水压强p为： p= gph 式中：p一静水压强，Pa 8一重力加速度，Nkg p一液体的密度，kg/cm3 h一水的深度，m 在潜水中，我们经常近似认为江河湖海的水密度都是 1g/cm’。重力加速度取 1ONKkg，静水压强以 MPa 为单位，则2-1式可简化为： p=0.01h 当h=10m 时， p=0.MMPa(相当于一个大气压)：同理当 h=20m 时，p=0.2MPa（二个大气压）? (2-2) 也 就是说当水深每增加 10m 时，静水压强即增加 0.1MPa（一个大气压）。 例2.1 某潜水员潜入 36m 水深处，问其承受多大的压强。 解：潜水员在水下受的压强由静水压强和水面上的大气压强歪加而成。 p=0.01h=0.01x36=0.36(MPa) Pe=p+O.IMPa=0.36+0.1=0.46(MPa) （三）帕斯卡定律 潜水员工作环境是具有自由液面的水下，在这种具有自由液面的水中，不同深度压强是不同的。 如果把水或其它液体放入一个没有自由液面的密闭容器内，并向容器内某点施加一个压力，情况会怎 样呢？ 实验证明：在密闭容器内的液体，能把它在一处受到的压强，大小不变地向液体各部分，各方向传递， 这就帕斯卡定律。 水压机及其它一切液压机械均是根据帕斯卡定律而工作的。 （四）水流动时压强与流速的关系 水的压强除了因自重产生的静水压强外，若水是流动的，因水的流动亦会产生压强的变化。 在稳定流动的水中，截面面积小的地方，流速大，压强小：截面大的地方，流速小，压强大。当然 流速和压强并非成简单的反比关系。