来源:节选自《工程学前沿》讲座课件
球面波 (spherical waves)

球对称声场,物理量仅为径向坐标的函数。如:
p'=p'(r,t)
u'=u'(r,t)
由质量守恒关系得:

由动量守恒关系得:

由质量守恒关系方程和动量守恒关系方程及关系p'=c²ρ 得:


由球坐标下:

可得相同结果。

球对称声波方程

解为:

向外传播的频率为ω 的简谐波可表示为

由前面结果可得压力脉动和质点速度的关系为:

球面波的声阻抗 (p'/u) 比平面波的要小。压力和速度为非同相位变化。当r 很小时,压力的相位领先速度90°,且

随着r 增大时 (c/ω),压力和速度几乎同相,越来越接近平面波。
当计算对称球面波的声功率,可选择距球面距离较远的地方,而避免了不得不确定p' 和u 之间的相位差。

脉动球 (Pulsating Sphere)

假设在球表面a ε(t) 上的径向脉动速度为ua(t),由于表面振动产生的向外传播的声波为:

确定函数f,通过表面的动量守恒

确定声波为角速度为ω 的简谐波,则物理量将正比于
,如

令,k=ω/c,由于表面振动产生的向外传播的声波方程可写为

对函数f,通过表面的动量守恒方程进行变换 ,得

由边界条件

得

因此,由球面脉动产生的声波为

无量纲表面声阻抗可定义为

当ka>>1时,Z/ρ0c→1
当ka<<1时,Z/ρ0c→ika=i2πa/λ=i 圆周长/波长
亥姆霍兹数 (Helmholtz number)He=ka


当ka>>1,(non-compact)

当ka<<1,(compact)


与声速无关,在表面p‘ 和u’ 相差90°,有
。如果球的体积变化为

有



刚性球振荡 (rigid sphere oscillating )
声波方程的其它解

可见
也是方程的解。




刚性球其中心沿x1 轴作小幅简谐振动。球的速度为
之实部。
在任意角度θ 处的径向速度为
。由简谐振动产生的声场可以表示为

由径向动量守恒关系得:

由边界条件,在r=a 有



当ka>>1,


其中



当ka<<1,(poor radiator)

散射(scatter)

在气泡表面压力平衡

气泡表面的散射为

共振散射 (resonant scatter)

气泡散射引起的声场,由前面结果

总的表面压力为

气泡表面张力T 的贡献2T/a。有气泡表面的受力平衡得

假设气泡内气体为理想绝热

由
得

以及

得

