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1、第三章第三章 海洋的声学特性海洋的声学特性第六讲第六讲 海底海面声学特性和海洋内部不均匀性海底海面声学特性和海洋内部不均匀性College of Underwater Acoustic Engineering2本讲主要内容本讲主要内容n海底声学特性（了解）海底声学特性（了解）n海面声学特性（了解）海面声学特性（了解）n海洋内部的不均匀性（了解）海洋内部的不均匀性（了解）College of Underwater Acoustic Engineering31、海底声学特性、海底声学特性n海底结构、地形和沉积层是影响声波传播的重要因素海底结构、地形和沉积层是影响声波传播的重要因素College o
2、f Underwater Acoustic Engineering4n海底对声波的海底对声波的吸收吸收、散散射射和和反射反射等声学特性关等声学特性关系到水声设备作用距离系到水声设备作用距离的远近的远近n海底声波反射系数与海海底声波反射系数与海底地形有明显的依赖关底地形有明显的依赖关系。高于几千赫频率的系。高于几千赫频率的声波，海底粗糙度是影声波，海底粗糙度是影响声波反射的主要作用响声波反射的主要作用n反向散射强度反向散射强度(朝声源方朝声源方向的声散射。向的声散射。) ：单位单位界面上单位立体角中所界面上单位立体角中所散射出去的功率与入射散射出去的功率与入射波强度之比。波强度之比。Colleg
3、e of Underwater Acoustic Engineering5n深海平原海底反向散射强度与入射角的关系深海平原海底反向散射强度与入射角的关系q在在小入射角小入射角时，散射时，散射强度随入射角增大而减小，强度随入射角增大而减小，与频率一般无关与频率一般无关q入射角入射角5度度时，散射时，散射强度强度10lgms近似与近似与 成正比成正比q大入射角大入射角时，散射强度可能与频率的四次方时，散射强度可能与频率的四次方成正比成正比2cosCollege of Underwater Acoustic Engineering6n非常粗糙海底反向散射强度与入射角的关系非常粗糙海底反向散射强度与入
4、射角的关系q反向散射强度反向散射强度几乎几乎与入射角无关与入射角无关q反向散射强度反向散射强度几乎几乎与频率无关与频率无关College of Underwater Acoustic Engineering7n人们关心的海底参数人们关心的海底参数q声速（声速（反演反演）q密度（密度（反演反演）q衰减系数（衰减系数（反演反演）q底质（底质（取样取样）q垂直分层结构（垂直分层结构（取样取样）2001年中美联合考察年中美联合考察2005年黄海实验年黄海实验College of Underwater Acoustic Engineering8n海底特性探测海底特性探测q多波束侧扫声纳探测海底地形多波束
5、侧扫声纳探测海底地形College of Underwater Acoustic Engineering9n海底沉积层海底沉积层q描述描述：覆盖海底之上的一层非凝固态（处于液态和：覆盖海底之上的一层非凝固态（处于液态和固态之间）的物质。固态之间）的物质。 q声速声速：沉积层中有：沉积层中有压缩波速度压缩波速度（声速）（声速） 和和切变波切变波速度速度 两种。两种。q衰减系数衰减系数（dB/m） K为常数；为常数；f为频率，单位为频率，单位kHz；m为指数，通常取为指数，通常取1 n海底声反射损失海底声反射损失q定义定义：反射声振幅相对入射声振幅减小的分贝数：反射声振幅相对入射声振幅减小的分贝数
6、cscmKfVppBLirlg20lg20College of Underwater Acoustic Engineering10q海底海底反射系数模反射系数模和和反射损失反射损失BL值随值随掠射角掠射角的变化的变化 高声速海底高声速海底低声速海底低声速海底College of Underwater Acoustic Engineering11q深海实测的海底反射损失深海实测的海底反射损失College of Underwater Acoustic Engineering12q海底反射损失的三个特征海底反射损失的三个特征n存在一个存在一个“分界掠射角分界掠射角” ，是海底反射损失，是海底反射损
7、失的一个特征参数的一个特征参数n当当 时，反射损失值较小时，反射损失值较小,随随 增大而增加增大而增加n当当 时，反射损失较大时，反射损失较大,与与 无明显依赖关无明显依赖关系系n海底反射损失简化模型海底反射损失简化模型-三参数模型三参数模型 2,ln0 ,ln200constVQVCollege of Underwater Acoustic Engineering13q三参数：三参数： 、 、q参数计算参数计算1） 的计算的计算2）V0的计算的计算3）Q的计算的计算Q0lnV narccos21/ccn nmnmV012m 0lnVQ2222sincossincosnimnimViiiiCo
8、llege of Underwater Acoustic Engineering14注意注意：实际海底存在吸收，可将海底声速视为复数，此：实际海底存在吸收，可将海底声速视为复数，此时不会发生全内反射。按照书上的方法计算：时不会发生全内反射。按照书上的方法计算：又又2*2*/Re/21ln21lnVVVVVVVVVVV222222222cossincos/sincoscos2nimnnimVCollege of Underwater Acoustic Engineering15令：令：与书上结果：与书上结果： 略有不同！略有不同！2121iMMn222122MMmMQ注意：注意：三参数模型可用于
9、分析海洋中声场的平均结构三参数模型可用于分析海洋中声场的平均结构221210*2iMMiMMimVV2221202*2/ReMMmMVVVQCollege of Underwater Acoustic Engineering162、海面声学特性、海面声学特性 n海面波浪海面波浪q周期性周期性周期、波长、波周期、波长、波速和波高等量描述其特征；速和波高等量描述其特征；q随机起伏性随机起伏性概率密度分概率密度分布、方差、谱和相关函数等布、方差、谱和相关函数等描述其特征。描述其特征。College of Underwater Acoustic Engineering17n波浪的基本特征波浪的基本特征
10、q重力表面波重力表面波：以重力作为恢复力的波动：以重力作为恢复力的波动q表面张力波表面张力波：以表面张力作为恢复力：以表面张力作为恢复力q波浪的形成和等级波浪的形成和等级n平均波高平均波高n有效波高有效波高n平均平均1/10最大波高最大波高n波浪的统计特征波浪的统计特征q波浪的概率密度分布波浪的概率密度分布 常识：常识：在水声学中经常将波面的概率分布视为高斯分在水声学中经常将波面的概率分布视为高斯分布。布。 q充分成长的海浪谱充分成长的海浪谱nPierson-Moskowitz谱（谱（P-M谱）谱）College of Underwater Acoustic Engineering18n海面表
11、面层内的气泡层海面表面层内的气泡层q声波的吸收体声波的吸收体q声波的散射体声波的散射体 n海面对声传播的影响简介海面对声传播的影响简介 q镜反射镜反射q漫散射漫散射：形成散射场。随着海面粗糙度增加，漫：形成散射场。随着海面粗糙度增加，漫散射场占主要分量。散射场占主要分量。q反向声散射反向声散射：形成海面混响：形成海面混响q海面波动：导致海面散射波产生多普勒频移海面波动：导致海面散射波产生多普勒频移College of Underwater Acoustic Engineering193、海洋内部的不均匀性、海洋内部的不均匀性n湍流湍流q描述描述：流体流经固体表面或是流体内部出现的一：流体流经固
12、体表面或是流体内部出现的一种不规则运动。它是一种随机运动的旋转流。种不规则运动。它是一种随机运动的旋转流。q它形成海水中温度和盐度的细微结构变化，引起它形成海水中温度和盐度的细微结构变化，引起声速的微结构变化。声速的微结构变化。 n内波内波q描述描述：两种不同密度液体在其叠合界面上所产生：两种不同密度液体在其叠合界面上所产生的波动。的波动。q波长可达几十公里到几百公里，波高从波长可达几十公里到几百公里，波高从10米到米到100米。米。q对低频、远距离的声传播信号有重大影响。对低频、远距离的声传播信号有重大影响。 College of Underwater Acoustic Engineerin
13、g20n海流海流q描述描述：海水从一个地方向另一个地方作连续流动：海水从一个地方向另一个地方作连续流动的现象。基本在水平方向上流动，流速较快，呈的现象。基本在水平方向上流动，流速较快，呈长带状。其边缘将海洋分成物理性质差异很大的长带状。其边缘将海洋分成物理性质差异很大的水团的锋区，对声波传播影响较大。水团的锋区，对声波传播影响较大。n深水散射层深水散射层q描述描述：海洋中某些深度上水平聚居的生物群。：海洋中某些深度上水平聚居的生物群。q随着昼夜上下移动，同时也随纬度和季节变化。随着昼夜上下移动，同时也随纬度和季节变化。q由于气囊的共振散射，它会产生很大的混响背景由于气囊的共振散射，它会产生很大的混响背景（体积混响的主要来源之一体积混响的主要来源之一）。）。