1.声波的接收原理

入射到接收换能器表面的声波对换能器表面产生了一个声压，在此声压的作用下，换能器表面发生振动，此振动转换成交变电信号，这就是声波的接收。

接收换能器具有方向特性，可以避免方向性角度范围以外的其他方向上的噪声进入到接收机，即压制了其他方向上的噪声，提高了接收信噪比；另外可以利用接收方向特性进行目标方向的定向。

当在声场中放置一个接收换能器时，在接收换能器的表面产生了一个声压，并被转换成交变电信号。一般情况下，作用在接收换能器表面的声压并不等于入射波声压（此声压为自由场声压），这是换能器引起声波散射的结果。因此，在接收换能器表面的实际声压应该等于入射波声压与散射波声压的叠加。

换能器表面通常可以认为是硬边界。在硬边界上入射波振速在法线方向上的分量与反射波振速在法线方向上的分量之和等于零。当声波垂直入射时，应当有vi+vr＝0或vi＝-vr。

声波的反射可以认为是接收换能器以振速vr向外辐射声波，介质对辐射面有一个反作用力：

式中，Zr为辐射声阻抗。

接收换能器表面受到的合力为入射波在换能器表面的作用力和反射波在换能器表面的作用力之和。记换能器表面积为S，则入射波在换能器表面的声压为piS，从而作用在换能器表面声作用的合力为：

对平面波，因为有故

接收换能器表面的声压p为：

式中，为换能器接收声波的畸变系数。

由此可见，接收换能器表面的声压p和入射波（自由场）声压pi不仅在数值上不同，在相位上也不同。

接收换能器的表面总声强与入射波声强的比例系数（即畸变系数k）与换能器的尺寸有关。当换能器表面尺寸与声波波长相比较小时，换能器对声波不是一个显著的障碍，反射作用小，故k≈1；当表面尺寸足够大时，换能器对声波是一个显著的障碍，这时换能器表面对声波的反射强度近似与入射波的强度相等，故k≈2，p≈2pi。

以圆形换能器为例，当接收换能器直径d与声波波长相比小于时，可以认为k≈1，而当时，k≈2。k值与的关系曲线如图3-24所示。

图3-24　声强放大系数与换能器尺寸参数的关系示意图

2.脉冲声波接收

在脉冲声压的作用下接收声波时，换能器将由静止状态演变到稳定的振动状态，即换能器接收声波时存在一个振动建立的过渡过程。

当脉冲声波作用到换能器表面时，换能器表面受到简谐策动力F＝Fmsin（ωt+φ）的作用，此时换能器物理力学振动系统的振动微分方程可写为：

解振动微分方程可得换能器表面振动位移的变化规律为：

式中，ξm为振动（位移）的稳态振幅；δ为衰减系数。

衰减系数δ与振动系统的品质因数Qm，接收换能器振动系统的固有频率f0和接收频率带宽Δf有关，描述为：

当接收脉冲声波结束时，外加策动力F消失，由于振动系统的惯性，接收换能器表面振动将按负指数规律衰减：

当接收换能器接收到一个脉宽为τ的声波后，接收换能器表面振动将经历振动过程的建立、稳定和衰减三个阶段，如图3-25所示。

一般认为振动系统的振动建立时间τ1为振动达到稳态振幅ξm的95%，即

由此得δτ1＝3.0，则

图3-25　声波的脉冲接收过程

由此可见，接收换能器振动系统的谐振曲线越尖锐，即品质因数越高，通频带越窄，系统的衰减系数越小，振动的过渡过程建立的时间就越长。从减小脉冲波形失真，缩小过渡过程建立的时间角度看，希望接收换能器具有较宽的通频带，但过大的通频带将引入较多的噪声干扰。实践中应合理选择接收换能器的通频带。

3.接收换能器灵敏度(www.daowen.com)

接收换能器将声能转变为电能，存在一个接收灵敏度问题。接收换能器灵敏度定义为：一个接收换能器在给定的频率下，单位平面波声压（1μPa＝1dyn/cm2）所产生的开路电压，含义为灵敏度声压响应，单位为V/μPa，记为M，从而有：

接收换能器灵敏度通常用分贝表示：

接收换能器灵敏度是频率和声波相对于接收换能器表面入射方向的函数，当频率一定时，接收换能器灵敏度是声波相对于接收换能器表面入射方向的函数，即接收换能器是有方向特性的。

4.接收换能器的方向特性

接收换能器的方向特性定义为：在自由场中声波沿某一方向入射时的接收灵敏度与声波沿接收换能器的最大接收灵敏度方向入射时的接收灵敏度之比，即式中，M（φ，θ）为声波沿（φ，θ）方向入射时接收换能器的自由场响应；M（φ0，θ0）为声波沿最大自由场声场方向的响应，而V（φ，θ）和V（φ0，θ0）分别为接收声波沿任一方向和最大方向传播至换能器表面所产生的开路电压。自由场相对响应也叫做接收换能器的相对电压响应。

当接收换能器的相对电压响应沿纵轴空间对称时，在φ＝0的平面内研究接收换能器的相对电压响应即可，此时

它的图像可以画在极坐标系中，即指向性图，还可以用声束图案描述接收换能器的方向特性，声束图案为：

声束图案正比于电压平方之比，故对应于接收换能器输出端的相对电功率。

对于长度为L的线型连续接收换能器，当声压幅值为pm的声波沿偏离线段法线方向θ角入射时，相距换能器中心点O为x的一小段接收元上所受到的力为：

整条换能器上的平均声压为：

设连续线型换能器的自由声场电压响应为M0，则声波沿θ方向入射时的接收换能器输出端开路电压为：

当声波沿长条形换能器法线方向入射时，换能器各部分同时受到声波作用，声压叠加后获得的最大开路电压为：

这样，连续线型换能器的自由场相对响应为：

比较连续线型接收换能器的自由场相对响应与相同类型发射换能器的方向性函数，可见从形式上两者完全相同，即具有互易性的换能器在接收和发射时具有相同的指向性。

对于均匀线列阵的自由场相对响应，利用类似的推导过程可以得出：

式中，n为均匀线列阵基元个数；d为均匀线列阵基元间距；θ为入射波与基阵法线之间的夹角。

均匀线列阵的自由场相对响应与均匀线列阵的发射方向性函数在形式上完全相同。由此可以推论，具有互易性的换能器（收发合一），无论任何形状，在接收和发射时具有相同的指向性。

产生接收换能器自由场相对响应的原因：换能器具有一定的几何形状，入射声波到达换能器不同位置，具有不同的声程差，所激起的电压也就有相位差，这些相位差随着入射角θ而改变，各基元电压迭加的结果，使得声波沿着不同方向入射到换能器会有不同的响应（灵敏度），因此接收换能器同样具有指向性。

5.接收换能器指向性指数

接收换能器具有指向性对水声测量具有较大的意义。水声设备可以依靠这种方向性提高从噪声场中提取有用信号的能力，相当于为设备提供了一个空间增益。用接收换能器指向性指数衡量换能器，以其声束图案从噪声场中提取有用信号的能力。

接收换能器指向性，可以理解为一个具有指向性的接收换能器在最大值方向的响应与一个无指向性的接收换能器的响应相同，把这两个接收换能器放在同一个各向同性的噪声场中，比较其输出，就可以清楚地理解接收换能器指向性的物理意义。显然，有指向性的接收换能器的响应（包括接收信噪比）比无指向性的接收换能器的响应要有所降低，因为有指向性的接收换能器对声束图案以外的噪声有所抑制。

定义接收换能器的指向性指数DI为：

从式（3.106）可见，接收换能器的指向性指数DI就是在各向同性的噪声场中，无指向性接收换能器的均方电压和同一噪声场中具有指向性的接收换能器在最大响应方向上接收换能器的均方电压的比值。展开后得：

当接收换能器指向性函数具有轴对称结构时，可得：

也就是说，接收换能器的指向性指数与发射换能器轴向聚集系数具有完全相同的表达式，仅意义不同。当同一个换能器用作发射器时，其发射的声能将被聚集在轴向某一个角度范围内，从而使得换能器轴向声能增大，而无指向性换能器要获得同样的声能，需要发射的声功率比有指向性换能器大γ0倍。当同一个换能器用作水听器时，在各向同性的噪声场中接收信号的信噪比要比无指向性水听器所接收信号的信噪比大γ0倍，相当于噪声被压缩了γ0倍。换能器的指向性为水声探测设备提供了信号处理的“空间增益”。