華北理工水聲學(xué)課件02海洋的聲學(xué)特性-1海洋聲學(xué)參數(shù)及傳播損失

第2章

海洋的聲學(xué)特性第三講海洋聲學(xué)參數(shù)及傳播損失2第2章知識要點介質(zhì)的特性阻抗與聲阻抗率平面波球面波柱面波發(fā)生全透射的條件、特點發(fā)生全反射的條件、特點發(fā)生全內(nèi)反射的條件、特點等間距均勻點源離散直線陣的方向性函數(shù)3主瓣、柵瓣、旁瓣的位置主極大、副極大、次極大、零點的位置方向銳角或波束寬度、-3dB波束寬度波束寬度與基陣孔徑、聲波頻率的關(guān)系可逆換能器陣的發(fā)射方向性與接收方向性關(guān)系4本講主要內(nèi)容聲速經(jīng)驗公式（了解）海洋中聲速的變化（重點）傳播衰減概述（重點）純水和海水的超吸收（重點）非均勻液體中的聲衰減（了解）51．海水中的聲速聲速(SoundSpeed)：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)流體介質(zhì)中，聲波為彈性縱波，聲速為：式中，密度和絕熱壓縮系數(shù)都是溫度T、鹽度S和靜壓力P的函數(shù)，因此，聲速也是Temperature、Salinity、Pressure的函數(shù)。6聲速經(jīng)驗公式海洋中的聲速c（m/s）隨溫度T（℃）、鹽度S（‰）、壓力P（kg/cm2）的增大而增大。經(jīng)驗公式是許多海上測量實驗總結(jié)得到的。Caution：單位海水中鹽度變化不大，典型值35‰；經(jīng)常用深度替代靜壓力，每下降10m水深近似增加1個大氣壓的壓力。7式中，壓力P單位是大氣壓

烏德公式8聲速測量聲速剖面儀SVP——SoundVelocityProfile溫鹽深測量儀CTD—Conductivity,Temperature,Depth拋棄式溫度測量儀XBT——eXpendable

BathyThermograph92001年中美聯(lián)合亞洲海水聲實驗102002年海上實驗11海洋中的聲速變化海洋中聲速的垂直分層性質(zhì)聲速梯度溫度變化1度，聲速變化約4m/s鹽度變化1‰，聲速變化約1m/s壓力變化1個大氣壓，聲速變化約0.2m/s12典型深海聲速剖面Caution：在主躍變層和深海等溫層之間，有一聲速極小值—聲道軸

海中聲速的基本結(jié)構(gòu)13溫度垂直分布的“三層結(jié)構(gòu)”：表面層（表面等溫層或混合層）：海洋表面受到陽光照射，水溫較高，但又受到風(fēng)雨攪拌作用。季節(jié)躍變層：在表面層之下，特征是負(fù)溫度梯度或聲速梯度，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)，躍變層與表面層合并在一起。主躍變層：溫度隨深度巨變的層，特征是負(fù)的溫度梯度或聲速梯度，季節(jié)對它的影響微弱。深海等溫層：在深海內(nèi)部，水溫比較低而且穩(wěn)定，特征是正聲速梯度。14溫度的季節(jié)變化、日變化和緯度變化季節(jié)變化近百慕大海區(qū)溫度隨月份的變化情況15說明：溫度的季節(jié)變化和日變化主要發(fā)生在海洋上層溫度日變化和緯度變化16淺海溫度剖面淺海溫度剖面分布具有明顯的季節(jié)特征：冬季，大多屬于等溫層的聲速剖面；夏季為負(fù)躍變層聲速梯度剖面。17

海水溫度的起伏變化

溫度起伏的原因多種多樣：湍流海面波浪渦旋內(nèi)波等因素——聲傳播起伏的原因之一18

聲速分布分類（分成四類

）

第一類深海聲道聲速分布右圖為深海聲道典型聲速分布，特點：在某一深度處有一聲速最小值。兩圖不同之處：圖（a）表面聲速小于海底聲速；圖（b）表面聲速大于海底聲速。19

聲速分布分類

第二類表面聲道聲速分布右圖為表面聲道聲速分布，特點：在某一深度處有一聲速極大值。形成原因：在秋冬季節(jié)，水面溫度較低，加上風(fēng)浪攪拌，海表面層溫度均勻分布，在層內(nèi)形成正聲速梯度分布20

聲速分布分類

第三類反聲道聲速分布右圖為反聲道聲速分布，特點：聲速隨深度單調(diào)下降。形成原因：海洋上部的海水受到太陽強烈照射的結(jié)果。21

聲速分布分類

右圖為淺海常見聲速分布，特點：聲速隨深度單調(diào)下降。形成原因：海洋上部的海水受到太陽強烈照射的結(jié)果。圖（d

）與圖（e

）不同之處：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。第四類淺海常見聲速分布222．海水中的聲吸收傳播衰減概述聲波傳播的強度衰減（傳播損失）原因：擴展損失（幾何衰減）：聲波波陣面在傳播過程中不斷擴展引起的聲強衰減。吸收損失：均勻介質(zhì)的粘滯性、熱傳導(dǎo)性以及其它馳豫過程引起的聲強衰減。散射：介質(zhì)的不均勻性引起的聲波散射導(dǎo)致聲強衰減不均勻性包括：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聲波的散射。

23擴展損失簡諧平面波聲壓沒有擴展損失簡諧球面波聲壓

擴展損失

24擴展損失的一般形式n=0：適用管道中的聲傳播，平面波傳播，TL=0；n=1：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成的理想波導(dǎo)中的傳播條件；

n=1.5：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柱面波的傳播損失的修正；n=2：適用于開闊水域（自由場），球面波傳播，TL=20logr；

25

吸收系數(shù)均勻介質(zhì)的聲吸收介質(zhì)切變粘滯的聲吸收（經(jīng)典聲吸收）介質(zhì)熱傳導(dǎo)聲吸收（經(jīng)典聲吸收）馳豫吸收（超吸收）假設(shè)平面波傳播距離

后，由于聲吸收而引起聲強降低為，則26取自然對數(shù)得：

為聲壓振幅的自然對數(shù)衰減，無量綱，稱為：奈貝(Neper)物理意義：單位距離的分貝數(shù)，Neper/m通常將聲強寫成下式：取常用對數(shù)得：物理意義：單位距離的分貝數(shù)，dB/m27總傳播損失（擴展+吸收）等于：即：1Neper=8.68dB聲吸收引起的傳播損失：28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)典吸收系數(shù)理論值，兩者差值稱為超吸收

純水的超吸收29海水的超吸收Caution：海水的聲吸收系數(shù)與聲波頻率、溫度、壓力、鹽度等因素有關(guān)，但鹽度的影響較??；對于不同聲波頻率，應(yīng)選擇不同的經(jīng)驗公式來計算海水的吸收系數(shù)

海水和淡水的聲吸收系數(shù)30非均勻液體中的聲衰減含有氣泡群的海水具有非常高的聲吸收熱傳導(dǎo)效應(yīng)：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。粘滯性：海水對氣泡壓縮、膨脹的粘滯作用，也消耗部分聲能。聲散射：氣泡壓縮、膨脹形成二次聲輻射，對入射聲產(chǎn)生散射，使聲能明顯減小。常識：一艘驅(qū)逐艦以15節(jié)航速航行將產(chǎn)生500m長的尾流，8kHz衰減系數(shù)為0.8dB/m，40kHz衰減系數(shù)為1.8dB/m。1節(jié)＝1海里/小時＝0.515米/秒（1海里＝1852米）。31本講思考題海水中的聲速與哪些因素有關(guān)？畫出三種常見的海水聲速分布。聲波在海水中傳播時其聲強會逐漸減少。（1）說明原因；（2）解釋什么叫物理衰減？