水聲學(xué)原理第三章1

1、第三章第三章 海洋的聲學(xué)特性海洋的聲學(xué)特性第五講第五講 海洋聲學(xué)參數(shù)及傳播損失海洋聲學(xué)參數(shù)及傳播損失College of Underwater Acoustic Engineering2第二章知識要點第二章知識要點n介質(zhì)的特性阻抗與聲阻抗率介質(zhì)的特性阻抗與聲阻抗率q平面波平面波q球面波球面波q柱面波柱面波n發(fā)生全透射的條件、特點發(fā)生全透射的條件、特點n發(fā)生全反射的條件、特點發(fā)生全反射的條件、特點n發(fā)生全內(nèi)反射的條件、特點發(fā)生全內(nèi)反射的條件、特點n等間距均勻點源離散直線陣的方向性函數(shù)等間距均勻點源離散直線陣的方向性函數(shù)College of Underwater Acoustic Engineer

2、ing3q主瓣、柵瓣、旁瓣的位置主瓣、柵瓣、旁瓣的位置q主極大、副極大、次極大、零點的位置主極大、副極大、次極大、零點的位置q方向銳角或波束寬度、方向銳角或波束寬度、-3dB波束寬度波束寬度q波束寬度與基陣孔徑、聲波頻率的關(guān)系波束寬度與基陣孔徑、聲波頻率的關(guān)系n可逆換能器陣的發(fā)射方向性與接收方向性關(guān)系可逆換能器陣的發(fā)射方向性與接收方向性關(guān)系College of Underwater Acoustic Engineering4本講主要內(nèi)容本講主要內(nèi)容n聲速經(jīng)驗公式（了解）聲速經(jīng)驗公式（了解）n海洋中聲速的變化（重點）海洋中聲速的變化（重點）n傳播衰減概述（重點）傳播衰減概述（重點）n純水和海水的

3、超吸收（重點）純水和海水的超吸收（重點）n非均勻液體中的聲衰減（了解）非均勻液體中的聲衰減（了解）College of Underwater Acoustic Engineering51海水中的聲速海水中的聲速n聲速聲速(Sound Speed)：海洋中重要的聲學(xué)參數(shù)，：海洋中重要的聲學(xué)參數(shù)，也是海洋中聲傳播的最基本物理參數(shù)也是海洋中聲傳播的最基本物理參數(shù)n流體介質(zhì)中，聲波為彈性縱波，聲速為：流體介質(zhì)中，聲波為彈性縱波，聲速為： n式中，密度式中，密度 和絕熱壓縮系數(shù)和絕熱壓縮系數(shù) 都是溫度都是溫度T、鹽度鹽度S和靜壓力和靜壓力P的函數(shù)，因此，聲速也是的函數(shù)，因此，聲速也是Temperatur

4、e、Salinity、Pressure的函數(shù)。的函數(shù)。 sc1sCollege of Underwater Acoustic Engineering6n聲速經(jīng)驗公式聲速經(jīng)驗公式q海洋中的聲速海洋中的聲速c（m/s）隨溫度）隨溫度T（）、）、鹽度鹽度S（）、壓力）、壓力P（kg/cm2）的增大）的增大而增大。而增大。q經(jīng)驗公式是許多海上測量實驗總結(jié)得到的。經(jīng)驗公式是許多海上測量實驗總結(jié)得到的。Caution：q單位單位q海水中鹽度變化不大，典型值海水中鹽度變化不大，典型值35；q經(jīng)常用深度替代靜壓力，每下降經(jīng)常用深度替代靜壓力，每下降10m水深水深近似增加近似增加1個大氣壓的壓力。個大氣壓的壓力

5、。College of Underwater Acoustic Engineering7PSTTc175. 03514. 1037. 021. 41450225/10013. 11mNatm式中，壓力式中，壓力P單位是大氣壓單位是大氣壓 n烏德公式烏德公式College of Underwater Acoustic Engineering8n聲速測量聲速測量q聲速剖面儀聲速剖面儀SVPSound Velocity Profileq溫鹽深測量儀溫鹽深測量儀CTDConductivity, Temperature, Depthq拋棄式溫度測量儀拋棄式溫度測量儀XBT eXpendable Bath

6、yThermographCollege of Underwater Acoustic Engineering92001年中美聯(lián)合亞洲海水聲實驗?zāi)曛忻缆?lián)合亞洲海水聲實驗College of Underwater Acoustic Engineering102002年海上實驗?zāi)旰Ｉ蠈嶒濩ollege of Underwater Acoustic Engineering112006年海上實驗?zāi)旰Ｉ蠈嶒濩ollege of Underwater Acoustic Engineering12n海洋中的聲速變化海洋中的聲速變化q海洋中聲速的垂直分層性質(zhì)海洋中聲速的垂直分層性質(zhì)q聲速梯度聲速梯度 zczyx

7、c,PPSSTTcgagagadzdcg1. 溫度變化溫度變化1度，聲速變化約度，聲速變化約4m/s2. 鹽度變化鹽度變化1 ，聲速變化約，聲速變化約1m/s3. 壓力變化壓力變化1個大氣壓，聲速變化約個大氣壓，聲速變化約0.2m/sCollege of Underwater Acoustic Engineering13典型深海聲速剖面典型深海聲速剖面Caution：在主躍變層在主躍變層和深海等溫和深海等溫層之間，有層之間，有一聲速極小一聲速極小值值聲道軸聲道軸 n海中聲速的基本結(jié)構(gòu)海中聲速的基本結(jié)構(gòu)College of Underwater Acoustic Engineering14n溫度

8、溫度垂直分布的垂直分布的“三層結(jié)構(gòu)三層結(jié)構(gòu)”：q表面層表面層（表面（表面等溫層等溫層或混合層）：海洋表面受或混合層）：海洋表面受到陽光照射，水溫較高，但又受到風(fēng)雨攪拌作到陽光照射，水溫較高，但又受到風(fēng)雨攪拌作用。用。q季節(jié)躍變層季節(jié)躍變層：在表面層之下，特征是：在表面層之下，特征是負(fù)負(fù)溫度溫度梯梯度度或聲速梯度，此梯度隨季節(jié)而異。夏、秋季或聲速梯度，此梯度隨季節(jié)而異。夏、秋季節(jié)，躍變層明顯；冬、春（北冰洋）季節(jié)，躍節(jié)，躍變層明顯；冬、春（北冰洋）季節(jié)，躍變層與表面層合并在一起。變層與表面層合并在一起。q主躍變層主躍變層：溫度隨深度巨變的層，特征是：溫度隨深度巨變的層，特征是負(fù)負(fù)的的溫度溫度梯度

9、梯度或聲速梯度，季節(jié)對它的影響微弱?；蚵曀偬荻龋竟?jié)對它的影響微弱。q深海等溫層深海等溫層：在深海內(nèi)部，水溫比較低而且穩(wěn)：在深海內(nèi)部，水溫比較低而且穩(wěn)定，特征是定，特征是正聲速梯度正聲速梯度。 College of Underwater Acoustic Engineering15n溫度的季節(jié)變化、日變化和緯度變化溫度的季節(jié)變化、日變化和緯度變化季節(jié)變化季節(jié)變化近百慕大海區(qū)溫度隨月份的變化情況近百慕大海區(qū)溫度隨月份的變化情況 College of Underwater Acoustic Engineering16說明：說明：溫度的季節(jié)變化和日變化主要發(fā)生在海洋上層溫度的季節(jié)變化和日變化主要發(fā)生

10、在海洋上層 溫度溫度日變化日變化和和緯度變化緯度變化College of Underwater Acoustic Engineering17淺海溫度剖面淺海溫度剖面淺海溫度剖面分布具有明顯的季節(jié)特征：淺海溫度剖面分布具有明顯的季節(jié)特征：冬季，大多屬于冬季，大多屬于等溫層等溫層的聲速剖面；的聲速剖面；夏季為夏季為負(fù)躍變層負(fù)躍變層聲速梯度剖面。聲速梯度剖面。 College of Underwater Acoustic Engineering18n 海水溫度的起伏變化海水溫度的起伏變化 q 溫度起伏的原因多種多樣：溫度起伏的原因多種多樣：湍流湍流海面波浪海面波浪渦旋渦旋內(nèi)波等因素內(nèi)波等因素聲傳播起

11、伏的原因之一聲傳播起伏的原因之一 College of Underwater Acoustic Engineering19n 聲速分布分類（聲速分布分類（分成四類分成四類 ） 第一類第一類 深海聲道聲速分布深海聲道聲速分布右圖為深海聲道典型聲右圖為深海聲道典型聲速分布，特點：速分布，特點：在某一深度處有一在某一深度處有一聲速最小值聲速最小值。兩圖不同之處：兩圖不同之處：圖（圖（a）表面聲速）表面聲速小小于于海底聲速；海底聲速；圖（圖（b）表面聲速）表面聲速大大于于海底聲速。海底聲速。College of Underwater Acoustic Engineering20n 聲速分布分類聲速分布

12、分類 第二類第二類表面聲道聲速分布表面聲道聲速分布右圖為表面聲道聲速分布，右圖為表面聲道聲速分布，特點：特點：在某一深度處有一聲在某一深度處有一聲速極大值。速極大值。形成原因：形成原因：在秋冬季節(jié)，水面溫在秋冬季節(jié)，水面溫度較低，加上風(fēng)浪攪拌，度較低，加上風(fēng)浪攪拌，海表面層溫度均勻分布，海表面層溫度均勻分布，在層內(nèi)形成正聲速梯度在層內(nèi)形成正聲速梯度分布分布College of Underwater Acoustic Engineering21n 聲速分布分類聲速分布分類 第三類第三類反聲道聲速分布反聲道聲速分布右圖為反聲道聲速分布，特右圖為反聲道聲速分布，特點：點：聲速隨深度單調(diào)下降。聲速隨深

13、度單調(diào)下降。形成原因：形成原因：海洋上部的海水受到太陽海洋上部的海水受到太陽強(qiáng)烈照射的結(jié)果。強(qiáng)烈照射的結(jié)果。College of Underwater Acoustic Engineering22n 聲速分布分類聲速分布分類 右圖為淺海常見聲速分布，特點：右圖為淺海常見聲速分布，特點：聲速隨深度單調(diào)下降。聲速隨深度單調(diào)下降。形成原因：形成原因：海洋上部的海水受到太陽強(qiáng)海洋上部的海水受到太陽強(qiáng)烈照射的結(jié)果。烈照射的結(jié)果。圖（圖（ d ）與圖（）與圖（ e ）不同之處：）不同之處：后者是淺海中的負(fù)梯度分布，后者是淺海中的負(fù)梯度分布，需計入海底對聲傳播的影響。需計入海底對聲傳播的影響。 第四類第四類

14、淺海常見聲速分布淺海常見聲速分布College of Underwater Acoustic Engineering232海水中的聲吸收海水中的聲吸收 n傳播衰減概述傳播衰減概述 q聲波傳播的強(qiáng)度衰減（傳播損失）原因：聲波傳播的強(qiáng)度衰減（傳播損失）原因：n擴(kuò)展損失擴(kuò)展損失（幾何衰減）：聲波波陣面在傳播過程中（幾何衰減）：聲波波陣面在傳播過程中不斷擴(kuò)展引起的聲強(qiáng)衰減。不斷擴(kuò)展引起的聲強(qiáng)衰減。n吸收損失吸收損失：均勻介質(zhì)的：均勻介質(zhì)的粘滯性粘滯性、熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)性以及其它性以及其它馳豫過程馳豫過程引起的聲強(qiáng)衰減。引起的聲強(qiáng)衰減。n散射散射：介質(zhì)的不均勻性引起的聲波散射導(dǎo)致聲強(qiáng)衰：介質(zhì)的不均勻性引起的

15、聲波散射導(dǎo)致聲強(qiáng)衰減減q不均勻性包括不均勻性包括：海洋中泥沙、氣泡、浮游生物等：海洋中泥沙、氣泡、浮游生物等懸浮粒子以及介質(zhì)本身的不均勻性和海水界面對懸浮粒子以及介質(zhì)本身的不均勻性和海水界面對聲波的散射。聲波的散射。 College of Underwater Acoustic Engineering24n擴(kuò)展損失擴(kuò)展損失q簡諧平面波聲壓簡諧平面波聲壓n沒有擴(kuò)展損失沒有擴(kuò)展損失q簡諧球面波聲壓簡諧球面波聲壓 n擴(kuò)展損失擴(kuò)展損失 kxtippexp0 dBxIITL01lg10krtirppexp0 dBrrIITLlg201lg10College of Underwater Acoustic

16、Engineering25n擴(kuò)展損失的一般形式擴(kuò)展損失的一般形式qn=0：適用管道中的聲傳播，平面波傳播，：適用管道中的聲傳播，平面波傳播，TL=0；qn=1：適用表面聲道和深海聲道，柱面波傳播，：適用表面聲道和深海聲道，柱面波傳播，TL=10logr，相當(dāng)于全反射海底和全反射海面組相當(dāng)于全反射海底和全反射海面組成的理想波導(dǎo)中的傳播條件；成的理想波導(dǎo)中的傳播條件； qn=1.5：適用計及海底聲吸收時的淺海聲傳播：適用計及海底聲吸收時的淺海聲傳播 ，TL=15logr，相當(dāng)于計入界面聲吸收所引起的對相當(dāng)于計入界面聲吸收所引起的對柱面波的傳播損失的修正；柱面波的傳播損失的修正；qn=2：適用于開闊

17、水域（自由場），球面波傳：適用于開闊水域（自由場），球面波傳播，播，TL=20logr； dBrnTLlg10College of Underwater Acoustic Engineering26 n吸收系數(shù)吸收系數(shù)q均勻介質(zhì)的聲吸收均勻介質(zhì)的聲吸收n介質(zhì)介質(zhì)切變粘滯切變粘滯的聲吸收（的聲吸收（經(jīng)典聲吸收經(jīng)典聲吸收） n介質(zhì)介質(zhì)熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)聲吸收（聲吸收（經(jīng)典聲吸收經(jīng)典聲吸收） n馳豫馳豫吸收（吸收（超吸收超吸收）dx假設(shè)平面波傳播距離假設(shè)平面波傳播距離 后，由于聲吸收而引后，由于聲吸收而引起聲強(qiáng)降低為起聲強(qiáng)降低為 ，則，則IdxdI2dI xeIxI20College of Underwa

18、ter Acoustic Engineering27 xppx0ln1取自然對數(shù)得：取自然對數(shù)得： 為聲壓振幅的自然對數(shù)衰減，為聲壓振幅的自然對數(shù)衰減，無量綱，稱為：奈貝無量綱，稱為：奈貝(Neper)物理意義：物理意義：單位距離的分貝數(shù)，單位距離的分貝數(shù)，Neper/m通常將聲強(qiáng)寫成下式：通常將聲強(qiáng)寫成下式： 10010 xIxI取常用對數(shù)得：取常用對數(shù)得： xppxxIIx00lg20lg10物理意義：物理意義：單位距離的分貝數(shù)，單位距離的分貝數(shù)，dB/m xpp /ln0College of Underwater Acoustic Engineering28rrnTLlg10總傳播損失（

19、總傳播損失（擴(kuò)展擴(kuò)展+吸收吸收）等于：）等于： 68. 8lg20lnlg200exppex即：即：1Neper=8.68dB 111lg10 xxxxIITL聲吸收引起的傳播損失：聲吸收引起的傳播損失： College of Underwater Acoustic Engineering29純水聲吸收系數(shù)純水聲吸收系數(shù)實際吸收系數(shù)的測量值遠(yuǎn)大于經(jīng)典吸收系實際吸收系數(shù)的測量值遠(yuǎn)大于經(jīng)典吸收系數(shù)理論值，兩者差值稱為數(shù)理論值，兩者差值稱為超吸收超吸收 n純水的超吸收純水的超吸收College of Underwater Acoustic Engineering30n海水的超吸收海水的超吸收qCau

20、tion：n海水的聲吸收系數(shù)海水的聲吸收系數(shù)與聲波頻率、溫度、與聲波頻率、溫度、壓力、鹽度等因素壓力、鹽度等因素有關(guān)，但鹽度的影有關(guān)，但鹽度的影響較?。豁戄^?。籲對于不同聲波頻率，對于不同聲波頻率，應(yīng)選擇不同的經(jīng)驗應(yīng)選擇不同的經(jīng)驗公式來計算海水的公式來計算海水的吸收系數(shù)吸收系數(shù) 海水和淡水的聲吸收系數(shù)海水和淡水的聲吸收系數(shù)College of Underwater Acoustic Engineering31n非均勻液體中的聲衰減非均勻液體中的聲衰減q含有氣泡群的海水具有非常高的聲吸收含有氣泡群的海水具有非常高的聲吸收 n熱傳導(dǎo)效應(yīng)：熱傳導(dǎo)效應(yīng)：氣泡壓縮、膨脹，內(nèi)部溫度升氣泡壓縮、膨脹，內(nèi)部溫度升高，發(fā)生熱交換，聲能轉(zhuǎn)化為熱能而消耗掉。高，發(fā)生熱交換，聲能轉(zhuǎn)化為熱能而消耗掉。n粘滯性：粘滯性：海水對氣泡壓縮、膨脹的粘滯作用，海水對氣泡壓縮、膨脹的粘