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1、第五章第五章 典型传播条件下的声场典型传播条件下的声场第十二讲第十二讲 表面声道声传播表面声道声传播 本讲主要内容本讲主要内容n表面声道声传播时间表面声道声传播时间n表面声道截止频率表面声道截止频率n表面声道传播损失表面声道传播损失n传播损失的经验公式传播损失的经验公式2College of Underwater Acoustic Engineering HEUn声线经过微元声线经过微元 的传播时间：的传播时间：q根据折射定律：根据折射定律：q传播时间传播时间：一、表面声道声传播时间一、表面声道声传播时间3College of Underwater Acoustic Engineering H
2、EUn跨度跨度 的传播时间：的传播时间：假设声源与接收器靠近海面，则由源到接收器假设声源与接收器靠近海面，则由源到接收器N次循次循环的声线总传播时间近似为：环的声线总传播时间近似为：又循环数为又循环数为N的声线掠射角为：的声线掠射角为：一、表面声道声传播时间一、表面声道声传播时间4College of Underwater Acoustic Engineering HEUn传播时间与循环数的关系：传播时间与循环数的关系：q结论：结论：1.最接近表面层底部传播的声线，传播时间最短，最先到最接近表面层底部传播的声线，传播时间最短，最先到达接收点；达接收点；2.最靠近海面传播的声线，传播时间最长，最
3、后到达接收最靠近海面传播的声线，传播时间最长，最后到达接收点。换句话说，声线在海面反射的次数越多，其传播时点。换句话说，声线在海面反射的次数越多，其传播时间越长。间越长。3.单位时间内到达接收点的声线数目随单位时间内到达接收点的声线数目随N增加而增大。增加而增大。一、表面声道声传播时间一、表面声道声传播时间5College of Underwater Acoustic Engineering HEUn传播时间与循环数的关系：传播时间与循环数的关系：q举例举例：下图为大西洋实验记录：爆炸声源位于：下图为大西洋实验记录：爆炸声源位于700米深，米深，接收点位于接收点位于1200米深，两者相距米深，
4、两者相距1880米。米。解解：确定信号的整个持续时间，只考虑声道声线，有：确定信号的整个持续时间，只考虑声道声线，有：在远距离处：在远距离处：信号持续时间与距离成正比信号持续时间与距离成正比大西洋大西洋声信号声信号一、表面声道声传播时间一、表面声道声传播时间6College of Underwater Acoustic Engineering HEU二、表面声道截止频率二、表面声道截止频率n非均匀层的入射波和反射波非均匀层的入射波和反射波7College of Underwater Acoustic Engineering HEUn非均匀层的入射波和反射波非均匀层的入射波和反射波q反射波与入射
5、波之间的相移：反射波与入射波之间的相移：相移相移=传播路径相移传播路径相移+声线反转相移声线反转相移 1）传播路径引起的相移）传播路径引起的相移 2）声波的反转引入的相位损失声波的反转引入的相位损失二、表面声道截止频率二、表面声道截止频率8College of Underwater Acoustic Engineering HEUn非均匀层的入射波和反射波非均匀层的入射波和反射波q反射波与入射波之间的相移：反射波与入射波之间的相移：假设反射波与入射波的模相等，假设反射波与入射波的模相等，则海面的反射系数：则海面的反射系数：根据自由海面边界条件，反射系数满足：根据自由海面边界条件，反射系数满足：
6、二、表面声道截止频率二、表面声道截止频率9College of Underwater Acoustic Engineering HEUn非均匀层的入射波和反射波非均匀层的入射波和反射波q传播路径引起的相移传播路径引起的相移：q表面声道各阶简正波的临界频率表面声道各阶简正波的临界频率：二、表面声道截止频率二、表面声道截止频率10College of Underwater Acoustic Engineering HEUn非均匀层的入射波和反射波非均匀层的入射波和反射波q表面声道的截止频率表面声道的截止频率：q表面声道传播所允许的最大波长为：表面声道传播所允许的最大波长为：这里利用不均匀反射系数近
7、似表示式所应满足的边界条这里利用不均匀反射系数近似表示式所应满足的边界条件，推导出表面声道的截止频率。波动理论是利用频散方件，推导出表面声道的截止频率。波动理论是利用频散方程的根求得。程的根求得。二、表面声道截止频率二、表面声道截止频率11College of Underwater Acoustic Engineering HEUn表面声道中的声强表面声道中的声强 设表面声道中有一无方向性点源，在表面声道中作远设表面声道中有一无方向性点源，在表面声道中作远距离传播的声线掠射角距离传播的声线掠射角 ，离点声源单位距离处，离点声源单位距离处，在在 到到 范围内的声束能量分布在面积范围内的声束能量分
8、布在面积 上：上：三、表面声道传播损失三、表面声道传播损失12College of Underwater Acoustic Engineering HEUn表面声道中的声强表面声道中的声强q 的面积的面积：q 的面积的面积：q声传播损失声传播损失：三、表面声道传播损失三、表面声道传播损失13College of Underwater Acoustic Engineering HEUn声传播损失声传播损失q当传播距离当传播距离 时，声波按球面规律扩展；时，声波按球面规律扩展；q当传播距离当传播距离 时，声波过渡为柱面规律扩展；时，声波过渡为柱面规律扩展；q 称为称为过渡距离过渡距离 q与简正波方
9、法求解结果比较与简正波方法求解结果比较n表面声道的传播损失与简正波方法求得的浅海均匀声表面声道的传播损失与简正波方法求得的浅海均匀声场传播损失在形式上一样场传播损失在形式上一样三、表面声道传播损失三、表面声道传播损失14College of Underwater Acoustic Engineering HEUn声传播损失声传播损失q与简正波方法求解结果比较与简正波方法求解结果比较n共同点：共同点：声能被限制在深度为声能被限制在深度为H的层内，在远场符合的层内，在远场符合柱面衰减规律。柱面衰减规律。n不同点：不同点：临界掠射角不一样，表面声道的掠射角由临界掠射角不一样，表面声道的掠射角由声声道
10、参数道参数a、H和和 来决定，均匀浅海的临界掠射角由来决定，均匀浅海的临界掠射角由折射率折射率n决定。决定。n考虑海水介质声吸收和声泄漏引起的衰减：考虑海水介质声吸收和声泄漏引起的衰减：三、表面声道传播损失三、表面声道传播损失15College of Underwater Acoustic Engineering HEUnBaker给出的表面声道给出的表面声道TL的经验公式：的经验公式：q近距离：近距离：q远距离：远距离：吸收系数吸收系数：漏声系数漏声系数：四、传播损失的经验公式四、传播损失的经验公式16College of Underwater Acoustic Engineering HE
11、Un混合声道声强级沿深度的变化：混合声道声强级沿深度的变化：q混合层混合层内声强级内声强级大于大于球面扩展的声强级，传播损失小于球面扩展的声强级，传播损失小于球面波的传播损失球面波的传播损失q混合层以下混合层以下声强声强小于小于球面扩展声强，传播损失显著增加球面扩展声强，传播损失显著增加q声波声波频率越高频率越高，离表面声道的截止频率越远，声道现象，离表面声道的截止频率越远，声道现象越明显越明显四、传播损失的经验公式四、传播损失的经验公式17College of Underwater Acoustic Engineering HEU五、第四章作业点评五、第四章作业点评n声线弯曲满足的基本条件是
12、什么？并定性说明它们之间的声线弯曲满足的基本条件是什么？并定性说明它们之间的规律。规律。n海水中声速值从海面的海水中声速值从海面的1500m/s线性减小到线性减小到100m深处的深处的1450m/s。求（。求（1）速度梯度；（）速度梯度；（2）从海表面水平出射的）从海表面水平出射的声线达到声线达到100m深处时，水平传播距离为多少？（深处时，水平传播距离为多少？（3）上述）上述声线在声线在100m深处的掠射角是多少？深处的掠射角是多少？n某浅海海域水深某浅海海域水深40m，海面、海底都是平面。声源深度，海面、海底都是平面。声源深度10m，声速梯度为常数，海面声速为，声速梯度为常数，海面声速为1500m/s，海底处为，海底处为1480m/s。试计算并画出自声源沿水平方向发出的声线的。试计算并画出自声源沿水平方向发出的声线的轨迹，到第二次从海底反射为止。轨迹，到第二次从海底反射为止。n聚集因子聚集因子F是如何定义的，它有什么物理意义？举出二个是如何定义的，它有什么物理意义？举出二个F1的场合。的场合。18College of Underwater Acoustic Engineering HEUTHE ENDTHE END19College of Underwater Acoustic Engineering HEU