如何计算亚音速运动声源向静止观察者辐射声音的延迟时间

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  • 运动声源亦然.众所周知,静止的点声源所辐射的声场是球对称的.然而,声源的运动不仅会导致辐射声波频率的各向异性——多普勒效应,还破坏了辐射声场的球对称性(或降低对称度),使其呈现指向特性.本文先给出运动点声源的声辐射理论,再集中讨论亚音速和超音速两种情形的辐射特性.

    设密度ρ0、声速c0的媒质中存在一点声源,沿z方向以速度V匀速运动,时间t=0时刻恰过坐标原点O,其体积流函数q可表为

    (1)

    式中,x=(x,y,z)为三维空间的坐标矢量,Q是声源的流率.此点源所辐射的声压场p满足有源波动方程

    (2)

    声源运动的快慢可用马赫数(Mach

    number)M衡量:

    (3)

    M1称为超音速(supersonic).为求方程(2)之解,引入声速度势v=grad(Φ)(或可定义为v=-grad(Φ),但对结果无任何影响).声压p与声速度势Φ具有简单关系

    (4)

    将其代入声压波方程(2),对方程两边作时间积分,得到速度势Φ所满足的波动方程

    (5)

    相比方程(2),此方程右端无时间导数,数学处理更方便.因此,问题归结为求解无初值、无边值的有源声波方程(5).莫尔斯等人在《理论声学》一书【1】中,采用了洛仑兹变换把所求运动声源问题转化为静止声源的问题,从而获得辐射声场解.本文拟采用格林函数方法直接求解.波动方程(5)对应的格林函数G(x,t; x',t')满足方程

    它存在时延解【2】

    其中,|x-x'|为观察点x到点声源位置x'的空间距离.格林函数的物理意义是:位于x'的点源在t=t'时刻发射一个脉冲经过时延|x-x'|/c0而传播至观察点x.利用格林函数,方程(5)具有如下积分形式解【2】:

    积分遍及声源体.把公式(1)给出的点源函数q代入,先利用δ函数的积分性质对x'和y'变量积分,结果上式简为

    式中,R是源点x'=(0,0,z')与观察点x=(x,y,z)之间的距离.为进一步求解此积分,特定义辅助函数

    此函数的零点(根)满足方程:

    此零点z' 的意义是:t 时刻观察点接收到的声波,是声源在 t'=t-R/c0 时刻在位置 z'=Vt' 所辐射的.对应的距离R必须满足方程

    其解有二:R=R+和R-,