海洋的聲學(xué)特性

海洋的聲學(xué)特性第1頁(yè)/共53頁(yè)2主瓣、柵瓣、旁瓣的位置主極大、副極大、次極大、零點(diǎn)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)系第2頁(yè)/共53頁(yè)3本講主要內(nèi)容聲速經(jīng)驗(yàn)公式（了解）海洋中聲速的變化（重點(diǎn)）傳播衰減概述（重點(diǎn)）純水和海水的超吸收（重點(diǎn)）非均勻液體中的聲衰減（了解）第3頁(yè)/共53頁(yè)41．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)。第4頁(yè)/共53頁(yè)5聲速經(jīng)驗(yàn)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(yàn)公式是許多海上測(cè)量實(shí)驗(yàn)總結(jié)得到的。注意：?jiǎn)挝缓Ｋ宣}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(gè)大氣壓的壓力。第5頁(yè)/共53頁(yè)6式中，壓力P單位是大氣壓

烏德公式第6頁(yè)/共53頁(yè)7聲速測(cè)量聲速剖面儀SVP——SoundVelocityProfile溫鹽深測(cè)量?jī)xCTD—Conductivity,Temperature,Depth拋棄式溫度測(cè)量?jī)xXBT——eXpendableBathyThermograph第7頁(yè)/共53頁(yè)82001年中美聯(lián)合亞洲海水聲實(shí)驗(yàn)第8頁(yè)/共53頁(yè)92002年海上實(shí)驗(yàn)第9頁(yè)/共53頁(yè)102006年海上實(shí)驗(yàn)第10頁(yè)/共53頁(yè)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(gè)大氣壓，聲速變化約0.2m/s第11頁(yè)/共53頁(yè)12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)第12頁(yè)/共53頁(yè)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(yáng)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(duì)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。第13頁(yè)/共53頁(yè)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第14頁(yè)/共53頁(yè)15說(shuō)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第15頁(yè)/共53頁(yè)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。第16頁(yè)/共53頁(yè)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第17頁(yè)/共53頁(yè)18

聲速分布分類(lèi)（分成四類(lèi)

）

第一類(lèi)深海聲道聲速分布右圖為深海聲道典型聲速分布，特點(diǎn)：在某一深度處有一聲速最小值。兩圖不同之處：左圖表面聲速小于海底聲速；右圖表面聲速大于海底聲速。第18頁(yè)/共53頁(yè)19

聲速分布分類(lèi)

第二類(lèi)表面聲道聲速分布右圖為表面聲道聲速分布，特點(diǎn)：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第19頁(yè)/共53頁(yè)20

聲速分布分類(lèi)

第三類(lèi)反聲道聲速分布右圖為反聲道聲速分布，特點(diǎn)：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(yáng)強(qiáng)烈照射的結(jié)果。第20頁(yè)/共53頁(yè)21

聲速分布分類(lèi)

右圖為淺海常見(jiàn)聲速分布，特點(diǎn)：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(yáng)強(qiáng)烈照射的結(jié)果。第三和第四類(lèi)聲速有何不同：后者是淺海中的負(fù)梯度分布，需計(jì)入海底對(duì)聲傳播的影響。第四類(lèi)淺海常見(jiàn)聲速分布第21頁(yè)/共53頁(yè)222．海水中的聲吸收傳播衰減概述聲波傳播的強(qiáng)度衰減（傳播損失）原因：擴(kuò)展損失（幾何衰減）：聲波波陣面在傳播過(guò)程中不斷擴(kuò)展引起的聲強(qiáng)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(guò)程引起的聲強(qiáng)衰減。散射：介質(zhì)的不均勻性引起的聲波散射導(dǎo)致聲強(qiáng)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(duì)聲波的散射。

第22頁(yè)/共53頁(yè)23擴(kuò)展損失簡(jiǎn)諧平面波聲壓沒(méi)有擴(kuò)展損失簡(jiǎn)諧球面波聲壓

擴(kuò)展損失

第23頁(yè)/共53頁(yè)24擴(kuò)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(jì)及海底聲吸收時(shí)的淺海聲傳播

，TL=15logr，相當(dāng)于計(jì)入界面聲吸收所引起的對(duì)柱面波的傳播損失的修正；n=2：適用于開(kāi)闊水域（自由場(chǎng)），球面波傳播，TL=20logr；

第24頁(yè)/共53頁(yè)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(qiáng)降低為，則第25頁(yè)/共53頁(yè)26取自然對(duì)數(shù)得：

為聲壓振幅的自然對(duì)數(shù)衰減，無(wú)量綱，稱(chēng)為：奈貝(Neper)物理意義：?jiǎn)挝痪嚯x的奈貝數(shù)，Neper/m通常將聲強(qiáng)寫(xiě)成下式：取常用對(duì)數(shù)得：物理意義：?jiǎn)挝痪嚯x的分貝數(shù)，dB/m第26頁(yè)/共53頁(yè)27總傳播損失（擴(kuò)展+吸收）等于：即：1Neper=8.68dB聲吸收引起的傳播損失：第27頁(yè)/共53頁(yè)28純水聲吸收系數(shù)實(shí)際吸收系數(shù)的測(cè)量值遠(yuǎn)大于經(jīng)典吸收系數(shù)理論值，兩者差值稱(chēng)為超吸收

純水的超吸收第28頁(yè)/共53頁(yè)29海水的超吸收注意：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(duì)于不同聲波頻率，應(yīng)選擇不同的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算海水的吸收系數(shù)

海水和淡水的聲吸收系數(shù)第29頁(yè)/共53頁(yè)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(duì)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(duì)入射聲產(chǎn)生散射，使聲能明顯減小。常識(shí)：一艘驅(qū)逐艦以15節(jié)航速航行將產(chǎn)生500m長(zhǎng)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(shí)＝0.515米/秒（1海里＝1852米）。第30頁(yè)/共53頁(yè)31本節(jié)思考題海水中的聲速與哪些因素有關(guān)？畫(huà)出三種常見(jiàn)的海水聲速分布。聲波在海水中傳播時(shí)其聲強(qiáng)會(huì)逐漸減少。（1）說(shuō)明原因；（2）解釋什么叫物理衰減？什么叫幾何衰減？（3）寫(xiě)出海洋中聲傳播損失的常用TL表達(dá)式，并指明哪項(xiàng)反映的主要是幾何衰減，哪項(xiàng)反映的主要是物理衰減；（4）試給出三種不同海洋環(huán)境下的幾何衰減的TL表達(dá)式。聲吶A，B有相等的聲源級(jí)，但聲吶A工作頻率fA高于聲吶B工作頻率fB,問(wèn)哪臺(tái)聲吶作用距離遠(yuǎn)，說(shuō)明原因。

第31頁(yè)/共53頁(yè)第三章

海洋的聲學(xué)特性第32頁(yè)/共53頁(yè)33本講主要內(nèi)容海底聲學(xué)特性（了解）海面聲學(xué)特性（了解）海洋內(nèi)部的不均勻性（了解）第33頁(yè)/共53頁(yè)341、海底聲學(xué)特性海底結(jié)構(gòu)、地形和沉積層是影響聲波傳播的重要因素第34頁(yè)/共53頁(yè)35海底對(duì)聲波的吸收、散射和反射等聲學(xué)特性關(guān)系到水聲設(shè)備作用距離的遠(yuǎn)近海底聲波反射系數(shù)與海底地形有明顯的依賴(lài)關(guān)系。高于幾千赫頻率的聲波，海底粗糙度是影響聲波反射的主要作用反向散射強(qiáng)度(朝聲源方向的聲散射。)：?jiǎn)挝唤缑嫔蠁挝涣Ⅲw角中所散射出去的功率與入射波強(qiáng)度之比。第35頁(yè)/共53頁(yè)36深海平原海底反向散射強(qiáng)度與入射角的關(guān)系在小入射角時(shí)，散射強(qiáng)度隨入射角增大而減小，與頻率一般無(wú)關(guān)入射角>5度時(shí)，散射強(qiáng)度10lgms近似與成正比大入射角時(shí)，散射強(qiáng)度可能與頻率的四次方成正比第36頁(yè)/共53頁(yè)37非常粗糙海底反向散射強(qiáng)度與入射角的關(guān)系反向散射強(qiáng)度幾乎與入射角無(wú)關(guān)反向散射強(qiáng)度幾乎與頻率無(wú)關(guān)第37頁(yè)/共53頁(yè)38人們關(guān)心的海底參數(shù)聲速（反演）密度（反演）衰減系數(shù)（反演）底質(zhì)（取樣）垂直分層結(jié)構(gòu)（取樣）2001年中美聯(lián)合考察2005年黃海實(shí)驗(yàn)第38頁(yè)/共53頁(yè)39海底特性探測(cè)多波束側(cè)掃聲納探測(cè)海底地形第39頁(yè)/共53頁(yè)40海底沉積層描述：覆蓋海底之上的一層非凝固態(tài)（處于液態(tài)和固態(tài)之間）的物質(zhì)。

聲速：沉積層中有壓縮波速度（聲速）和切變波速度兩種。衰減系數(shù)（dB/m）K為常數(shù)；f為頻率，單位kHz；m為指數(shù)，通常取1

海底聲反射損失定義：反射聲振幅相對(duì)入射聲振幅減小的分貝數(shù)第40頁(yè)/共53頁(yè)41海底反射系數(shù)模和反射損失BL值隨掠射角的變化高聲速海底低聲速海底第41頁(yè)/共53頁(yè)42深海實(shí)測(cè)的海底反射損失第42頁(yè)/共53頁(yè)43海底反射損失的三個(gè)特征存在一個(gè)“分界掠射角”，是海底反射損失的一個(gè)特征參數(shù)當(dāng)時(shí)，反射損失值較小,隨增大而增加當(dāng)時(shí)，反射損失較大,與無(wú)明顯依賴(lài)關(guān)系海底反射損失簡(jiǎn)化模型-三參數(shù)模型第43頁(yè)/共53頁(yè)44三參數(shù)：、、參數(shù)計(jì)算1）的計(jì)算2）V0的計(jì)算3）Q的計(jì)算

第44頁(yè)/共53頁(yè)45注意：實(shí)際海底存在吸收處理方法：將海底聲速視為復(fù)數(shù)，此時(shí)不會(huì)發(fā)生全內(nèi)反射。按照書(shū)上的方法計(jì)算：又第45頁(yè)/共53頁(yè)46令：與書(shū)上結(jié)果：略有不同！注意：三參數(shù)模型可用于分析海洋中聲場(chǎng)的平均結(jié)構(gòu)第46頁(yè)/共53頁(yè)472、海面聲學(xué)特性海面波浪周期性——周期、波長(zhǎng)、波速和波高等量描述其特征；隨機(jī)起伏性——概率密度分布、方差、譜和相關(guān)函數(shù)等描述其特征。第47頁(yè)/共53頁(yè)48波浪的基本特征重力表面波：以重力作為恢復(fù)力的波動(dòng)表面張力波：以表面張力作為恢復(fù)力波浪的形成和等級(jí)平均波高有效波高平均1/10最大波高記錄中1/10最大波高的平均值

波峰到波谷垂直距離的平均值記錄中1/3最大波高的平均值第48頁(yè)/共53頁(yè)49波浪的統(tǒng)計(jì)特征波浪的概率密度分布

常識(shí)：在水聲學(xué)中經(jīng)常將波面的概率分布視為高斯分布。

充分成長(zhǎng)的海浪譜Pierson-Moskowitz譜（P-M譜）第49頁(yè)/共53頁(yè)50海面表面層內(nèi)的氣泡層聲波的吸收體聲波的散射體海面對(duì)聲傳播的影響簡(jiǎn)介鏡反射漫散射：形成散射場(chǎng)。隨著海面粗糙度增加，漫散射場(chǎng)占主要分量。反向聲散射：形成海面混響海面波動(dòng)：導(dǎo)致海面散射波產(chǎn)生多普勒頻移第50頁(yè)/共53頁(yè)513、海洋內(nèi)部的不均勻性湍流描述：流體流經(jīng)固體表面或是流體內(nèi)部出現(xiàn)的一種不規(guī)則運(yùn)動(dòng)。它是一種隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)流。它形成海水中溫度和鹽度的細(xì)微結(jié)構(gòu)變化，引起聲速的微結(jié)構(gòu)變化。內(nèi)波描述：兩種不同密度液體在其疊合