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1、第三章海洋的声学特性第1页，本讲稿共53页第二章知识要点第二章知识要点n介质的特性阻抗与声阻抗率介质的特性阻抗与声阻抗率q平面波平面波q球面波球面波q柱面波柱面波n发生全透射的条件、特点发生全透射的条件、特点n发生全反射的条件、特点发生全反射的条件、特点n发生全内反射的条件、特点发生全内反射的条件、特点n等间距均匀点源离散直线阵的方向性函数等间距均匀点源离散直线阵的方向性函数第2页，本讲稿共53页q主瓣、栅瓣、旁瓣的位置主瓣、栅瓣、旁瓣的位置q主极大、副极大、次极大、零点的位置主极大、副极大、次极大、零点的位置q方向锐角或波束宽度、方向锐角或波束宽度、-3dB波束宽度波束宽度q波束宽度与基阵孔
2、径、声波频率的关系波束宽度与基阵孔径、声波频率的关系n可逆换能器阵的发射方向性与接收方向性关系可逆换能器阵的发射方向性与接收方向性关系第3页，本讲稿共53页本讲主要内容本讲主要内容n声速经验公式（了解）声速经验公式（了解）n海洋中声速的变化（重点）海洋中声速的变化（重点）n传播衰减概述（重点）传播衰减概述（重点）n纯水和海水的超吸收（重点）纯水和海水的超吸收（重点）n非均匀液体中的声衰减（了解）非均匀液体中的声衰减（了解）第4页，本讲稿共53页1海水中的声速海水中的声速n声速声速(Sound Speed)：海洋中重要的声学参数，：海洋中重要的声学参数，也是海洋中声传播的最基本物理参数也是海洋中
3、声传播的最基本物理参数n流体介质中，声波为弹性纵波，声速为：流体介质中，声波为弹性纵波，声速为：n式中，密度式中，密度 和绝热压缩系数和绝热压缩系数 都是温度都是温度T、盐度盐度S和静压力和静压力P的函数，因此，声速也是的函数，因此，声速也是Temperature、Salinity、Pressure的函数。的函数。第5页，本讲稿共53页n声速经验公式声速经验公式q海洋中的声速海洋中的声速c（m/s）随温度）随温度T（）、盐）、盐度度S（）、压力）、压力P（kg/cm2）的增大而增大。）的增大而增大。q经验公式是许多海上测量实验总结得到的。经验公式是许多海上测量实验总结得到的。注意：注意：q单位
4、单位q海水中盐度变化不大，典型值海水中盐度变化不大，典型值35；q经常用深度替代静压力，每下降经常用深度替代静压力，每下降10m水深近似水深近似增加增加1个大气压的压力。个大气压的压力。第6页，本讲稿共53页式中，压力式中，压力P单位是大气压单位是大气压 n乌德公式乌德公式第7页，本讲稿共53页n声速测量声速测量q声速剖面仪声速剖面仪SVPSound Velocity Profileq温盐深测量仪温盐深测量仪CTDConductivity,Temperature,Depthq抛弃式温度测量仪抛弃式温度测量仪XBT eXpendable BathyThermograph第8页，本讲稿共53页20
5、01年中美联合亚洲海水声实验年中美联合亚洲海水声实验第9页，本讲稿共53页2002年海上实验年海上实验第10页，本讲稿共53页2006年海上实验年海上实验第11页，本讲稿共53页n海洋中的声速变化海洋中的声速变化q海洋中声速的垂直分层性质海洋中声速的垂直分层性质q声速梯度声速梯度 温度变化温度变化1度，声速变化约度，声速变化约4m/s盐度变化盐度变化1，声速变化约，声速变化约1m/s压力变化压力变化1个大气压，声速变化约个大气压，声速变化约0.2m/s第12页，本讲稿共53页典型深海声速剖面典型深海声速剖面Caution：在主跃变层和在主跃变层和深海等温层之深海等温层之间，有一声速间，有一声速
6、极小值极小值声道声道轴轴 n海中声速的基本结构海中声速的基本结构第13页，本讲稿共53页n温度温度垂直分布的垂直分布的“三层结构三层结构”：q表面层表面层（表面（表面等温层等温层或混合层）：海洋表面受到阳或混合层）：海洋表面受到阳光照射，水温较高，但又受到风雨搅拌作用。光照射，水温较高，但又受到风雨搅拌作用。q季节跃变层季节跃变层：在表面层之下，特征是：在表面层之下，特征是负负温度温度梯度梯度或或声速梯度，此梯度随季节而异。夏、秋季节，跃变声速梯度，此梯度随季节而异。夏、秋季节，跃变层明显；冬、春（北冰洋）季节，跃变层与表面层层明显；冬、春（北冰洋）季节，跃变层与表面层合并在一起。合并在一起。
7、q主跃变层主跃变层：温度随深度巨变的层，特征是：温度随深度巨变的层，特征是负负的温的温度度梯度梯度或声速梯度，季节对它的影响微弱。或声速梯度，季节对它的影响微弱。q深海等温层深海等温层：在深海内部，水温比较低而且稳定，：在深海内部，水温比较低而且稳定，特征是特征是正声速梯度正声速梯度。第14页，本讲稿共53页n温度的季节变化、日变化和纬度变化温度的季节变化、日变化和纬度变化季节变化季节变化近百慕大海区温度随月份的变化情况近百慕大海区温度随月份的变化情况 第15页，本讲稿共53页说明：说明：温度的季节变化和日变化主要发生在海洋上层温度的季节变化和日变化主要发生在海洋上层 温度温度日变化日变化和和
8、纬度变化纬度变化第16页，本讲稿共53页浅海温度剖面浅海温度剖面浅海温度剖面分布具有明显的季节特征：浅海温度剖面分布具有明显的季节特征：冬季，大多属于冬季，大多属于等温层等温层的声速剖面；的声速剖面；夏季为夏季为负跃变层负跃变层声速梯度剖面。声速梯度剖面。第17页，本讲稿共53页n 海水温度的起伏变化海水温度的起伏变化 q 温度起伏的原因多种多样：温度起伏的原因多种多样：湍流湍流海面波浪海面波浪涡旋涡旋内波等因素内波等因素声传播起伏的原因之一声传播起伏的原因之一 第18页，本讲稿共53页n 声速分布分类（声速分布分类（分成四类分成四类）第一类第一类 深海声道声速分布深海声道声速分布右图为深海声
9、道典型声速分右图为深海声道典型声速分布，特点：布，特点：在某一深度处有一声速最小在某一深度处有一声速最小值值。两图不同之处：两图不同之处：左图表面声速左图表面声速小于小于海底声速；海底声速；右图表面声速右图表面声速大于大于海底声速。海底声速。第19页，本讲稿共53页n 声速分布分类声速分布分类 第二类第二类表面声道声速分布表面声道声速分布右图为表面声道声速分布，特右图为表面声道声速分布，特点：点：在某一深度处有一声速极大值。在某一深度处有一声速极大值。形成原因：形成原因：在秋冬季节，水面温度较低，加上在秋冬季节，水面温度较低，加上风浪搅拌，海表面层温度均匀分布，风浪搅拌，海表面层温度均匀分布，
10、在层内形成正声速梯度分布在层内形成正声速梯度分布第20页，本讲稿共53页n 声速分布分类声速分布分类 第三类第三类反声道声速分布反声道声速分布右图为反声道声速分布，特点：右图为反声道声速分布，特点：声速随深度单调下降。声速随深度单调下降。形成原因：形成原因：海洋上部的海水受到太阳强烈照射海洋上部的海水受到太阳强烈照射的结果。的结果。第21页，本讲稿共53页n 声速分布分类声速分布分类 右图为浅海常见声速分布，特点：右图为浅海常见声速分布，特点：声速随深度单调下降。声速随深度单调下降。形成原因：形成原因：海洋上部的海水受到太阳强烈照射的结果。海洋上部的海水受到太阳强烈照射的结果。第三和第四类声速
11、有何不同：第三和第四类声速有何不同：后者是浅海中的负梯度分布，需计入海后者是浅海中的负梯度分布，需计入海底对声传播的影响。底对声传播的影响。第四类第四类浅海常见声速分布浅海常见声速分布第22页，本讲稿共53页2海水中的声吸收海水中的声吸收 n传播衰减概述传播衰减概述 q声波传播的强度衰减（传播损失）原因：声波传播的强度衰减（传播损失）原因：n扩展损失扩展损失（几何衰减）：声波波阵面在传播过程中不断扩（几何衰减）：声波波阵面在传播过程中不断扩展引起的声强衰减。展引起的声强衰减。n吸收损失吸收损失：均匀介质的：均匀介质的粘滞性粘滞性、热传导热传导性以及其它性以及其它驰豫过程驰豫过程引起的声强衰减。
12、引起的声强衰减。n散射散射：介质的不均匀性引起的声波散射导致声强衰减：介质的不均匀性引起的声波散射导致声强衰减q不均匀性包括不均匀性包括：海洋中泥沙、气泡、浮游生物等悬浮：海洋中泥沙、气泡、浮游生物等悬浮粒子以及介质本身的不均匀性和海水界面对声波的粒子以及介质本身的不均匀性和海水界面对声波的散射。散射。第23页，本讲稿共53页n扩展损失扩展损失q简谐平面波声压简谐平面波声压n没有扩展损失没有扩展损失q简谐球面波声压简谐球面波声压 n扩展损失扩展损失 第24页，本讲稿共53页n扩展损失的一般形式扩展损失的一般形式qn=0：适用管道中的声传播，平面波传播，：适用管道中的声传播，平面波传播，TL=0
13、；qn=1：适用表面声道和深海声道，柱面波传播，：适用表面声道和深海声道，柱面波传播，TL=10logr，相当于全反射海底和全反射海面组成相当于全反射海底和全反射海面组成的理想波导中的传播条件；的理想波导中的传播条件；qn=1.5：适用计及海底声吸收时的浅海声传播：适用计及海底声吸收时的浅海声传播，TL=15logr，相当于计入界面声吸收所引起的对柱相当于计入界面声吸收所引起的对柱面波的传播损失的修正；面波的传播损失的修正；qn=2：适用于开阔水域（自由场），球面波传播，：适用于开阔水域（自由场），球面波传播，TL=20logr；第25页，本讲稿共53页 n吸收系数吸收系数q均匀介质的声吸收均
14、匀介质的声吸收n介质介质切变粘滞切变粘滞的声吸收（的声吸收（经典声吸收经典声吸收）n介质介质热传导热传导声吸收（声吸收（经典声吸收经典声吸收）n驰豫驰豫吸收（吸收（超吸收超吸收）假设平面波传播距离假设平面波传播距离 后，由于声吸收而引后，由于声吸收而引起声强降低为起声强降低为 ，则，则第26页，本讲稿共53页取自然对数得：取自然对数得：为声压振幅的自然对数衰减，为声压振幅的自然对数衰减，无量纲，称为：奈贝无量纲，称为：奈贝(Neper)物理意义：物理意义：单位距离的奈贝数，单位距离的奈贝数，Neper/m通常将声强写成下式：通常将声强写成下式：取常用对数得：取常用对数得：物理意义：物理意义：单
15、位距离的分贝数，单位距离的分贝数，dB/m第27页，本讲稿共53页总传播损失（总传播损失（扩展扩展+吸收吸收）等于：）等于：即：即：1Neper=8.68dB 声吸收引起的传播损失：声吸收引起的传播损失：第28页，本讲稿共53页纯水声吸收系数纯水声吸收系数实际吸收系数的测量值远大于经典吸收系数理论实际吸收系数的测量值远大于经典吸收系数理论值，两者差值称为值，两者差值称为超吸收超吸收 n纯水的超吸收纯水的超吸收第29页，本讲稿共53页n海水的超吸收海水的超吸收q注意：注意：n海水的声吸收系数与海水的声吸收系数与声波频率、温度、压声波频率、温度、压力、盐度等因素有关，力、盐度等因素有关，但盐度的影
16、响较小；但盐度的影响较小；n对于不同声波频率，对于不同声波频率，应选择不同的经验公应选择不同的经验公式来计算海水的吸收式来计算海水的吸收系数系数 海水和淡水的声吸收系数海水和淡水的声吸收系数第30页，本讲稿共53页n非均匀液体中的声衰减非均匀液体中的声衰减q含有气泡群的海水具有非常高的声吸收含有气泡群的海水具有非常高的声吸收 n热传导效应：热传导效应：气泡压缩、膨胀，内部温度升高，气泡压缩、膨胀，内部温度升高，发生热交换，声能转化为热能而消耗掉。发生热交换，声能转化为热能而消耗掉。n粘滞性：粘滞性：海水对气泡压缩、膨胀的粘滞作用，也海水对气泡压缩、膨胀的粘滞作用，也消耗部分声能。消耗部分声能。
17、n声散射：声散射：气泡压缩、膨胀形成二次声辐射，对气泡压缩、膨胀形成二次声辐射，对入射声产生散射，使声能明显减小。入射声产生散射，使声能明显减小。常识：常识：一艘驱逐舰以一艘驱逐舰以15节航速航行将产生节航速航行将产生500m长的尾长的尾流，流，8kHz衰减系数为衰减系数为0.8dB/m，40kHz衰减系数为衰减系数为1.8dB/m。1节节1海里海里/小时小时0.515米米/秒（秒（1海里海里1852米）。米）。第31页，本讲稿共53页本节思考题本节思考题n海水中的声速与哪些因素有关？画出三种常见的海水海水中的声速与哪些因素有关？画出三种常见的海水声速分布。声速分布。n声波在海水中传播时其声强
18、会逐渐减少。（声波在海水中传播时其声强会逐渐减少。（1）说明原因；）说明原因；（2）解释什么叫物理衰减？什么叫几何衰减？（）解释什么叫物理衰减？什么叫几何衰减？（3）写出海洋中声传播损失的常用写出海洋中声传播损失的常用TL表达式，并指明哪项表达式，并指明哪项反映的主要是几何衰减，哪项反映的主要是物理衰减；反映的主要是几何衰减，哪项反映的主要是物理衰减；（4）试给出三种不同海洋环境下的几何衰减的）试给出三种不同海洋环境下的几何衰减的TL表表达式。达式。n声呐声呐A，B有相等的声源级，但声呐有相等的声源级，但声呐A工作频率工作频率fA高于声高于声呐呐B工作频率工作频率fB,问哪台声呐作用距离远，说
19、明原因。问哪台声呐作用距离远，说明原因。第32页，本讲稿共53页第三章第三章 海洋的声学特性海洋的声学特性第33页，本讲稿共53页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）第34页，本讲稿共53页1、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第35页，本讲稿共53页n海底对声波的海底对声波的吸收吸收、散射散射和和反射反射等声学特性关系到水声等声学特性关系到水声设备作用距离的远近设备作用距离的远近n海
20、底声波反射系数与海底海底声波反射系数与海底地形有明显的依赖关系。地形有明显的依赖关系。高于几千赫频率的声波，高于几千赫频率的声波，海底粗糙度是影响声波反海底粗糙度是影响声波反射的主要作用射的主要作用n反向散射强度反向散射强度(朝声源方向的朝声源方向的声散射。声散射。)：单位界面上单单位界面上单位立体角中所散射出去的位立体角中所散射出去的功率与入射波强度之比。功率与入射波强度之比。第36页，本讲稿共53页n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
21、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成时，散射强度可能与频率的四次方成正比正比第37页，本讲稿共53页n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第38页，本讲稿共53页n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
22、中美联合考察年中美联合考察2005年黄海实验年黄海实验第39页，本讲稿共53页n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侧扫声纳探测海底地形第40页，本讲稿共53页n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
23、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第41页，本讲稿共53页q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第42页，本讲稿共53页q深海实测的海底反射损失深海实测的海底反射损失第43页，本讲稿共53页q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”，是海底反射损失的一个，是海底反射损失的一个特征参数特征参数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 无明显依赖关系无
24、明显依赖关系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第44页，本讲稿共53页q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 第45页，本讲稿共53页注意注意：实际海底存在吸收：实际海底存在吸收处理方法：将海底声速视为复数，此处理方法：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：又又第46页，本讲稿共53页令：令：与书上结果：与书上结果：略有不同！略有不同！注意：注意：三参数模型可用于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第47页，本讲稿共53
25、页2、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。第48页，本讲稿共53页n波浪的基本特征波浪的基本特征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最大波高最大波高记录记录中中1/10最大波高的平均最大波高的平均值
26、值 波峰到波谷垂直距离的平均值波峰到波谷垂直距离的平均值记录中记录中1/3最大波高的平均值最大波高的平均值第49页，本讲稿共53页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布。在水声学中经常将波面的概率分布视为高斯分布。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）第50页，本讲稿共53页n海面表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
27、。随着海面粗糙度增加，漫散：形成散射场。随着海面粗糙度增加，漫散射场占主要分量。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第51页，本讲稿共53页3、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种：流体流经固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。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，引起声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。速的微结构变化。n内波内波q
28、描述描述：两种不同密度液体在其叠合界面上所产生的：两种不同密度液体在其叠合界面上所产生的波动。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。第52页，本讲稿共53页n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的：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，呈长带现象。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水团的状。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。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）。）。第53页，本讲稿共53页