第三章 海洋聲學(xué)特性

1、第三章 海洋的聲學(xué)特性本章從聲學(xué)角度討論海洋、海洋的不均勻性和多變性，弄清聲信號(hào)傳播的環(huán)境，有助于海中目標(biāo)探測(cè)、聲信號(hào)識(shí)別、通訊和環(huán)境監(jiān)測(cè)等問(wèn)題的解決。3.1 海水中的聲速聲速：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)。海洋中聲波為彈性縱波，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T、S、P的函數(shù)。1、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）的增加而增加。經(jīng)驗(yàn)公式是許多海上測(cè)量實(shí)驗(yàn)的總結(jié)得到的，常用的經(jīng)驗(yàn)公式為： 較為準(zhǔn)確的經(jīng)驗(yàn)公式：式中，上式適用范圍：-3T30、33S37、。注意：海水中鹽度

2、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。聲速c的數(shù)值變化雖然微小，但它對(duì)長(zhǎng)距離傳播聲線的分布、射程、傳播時(shí)間等量的影響很大，因此需要有準(zhǔn)確的聲速數(shù)值。但上式計(jì)算比較繁瑣，在精度要求不太高時(shí)，可使用比較簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)公式。許多文獻(xiàn)資料，都給出較為簡(jiǎn)單的聲速經(jīng)驗(yàn)公式，這里介紹烏德公式：式中，壓力P單位是大氣壓， 。2、聲速測(cè)量常用的測(cè)量?jī)x器設(shè)備為：溫度深度記錄儀和聲速儀。溫度深度記錄儀通過(guò)熱敏探頭測(cè)量水中溫度，同時(shí)通過(guò)壓力傳感器給出深度信息，這樣就可以轉(zhuǎn)換給出聲速。聲速儀是聲學(xué)裝置，它是通過(guò)測(cè)量發(fā)射高頻短脈沖次數(shù)。它用“聲循環(huán)”原理工作：前一個(gè)脈沖到達(dá)接收

3、器，觸發(fā)后一個(gè)脈沖從發(fā)射器發(fā)出，記錄每秒鐘脈沖的發(fā)射次數(shù)f，發(fā)射器和接收器的距離L已知，則聲速為：c=fL。3、海洋中的聲速變化（一）海洋中聲速的垂直分層性質(zhì)和聲速梯度實(shí)測(cè)海洋的等溫線和等鹽度線幾乎是水平平行的，也就是說(shuō)，聲速近似為水平分層變化。因此，在海洋中聲速，z為垂直坐標(biāo)，x、y為水平坐標(biāo)。聲速梯度：式中，、分別為溫度梯度、鹽度梯度和壓力梯度；、分別為聲速對(duì)溫度、鹽度和壓力的變化率（偏微分）；根據(jù)烏德公式，則得：（m/s）/（m/s）/（m/s）/atm聲速梯度：（二）海中聲速得基本結(jié)構(gòu)（1）典型深海聲速剖面溫度垂直分布的“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

4、，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)的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。注意：在主躍變層（負(fù)）和深海等溫層（正）之間，有一聲速極小值。解釋一下深海的溫度分布。（2）溫度的季節(jié)變化、日變化和緯度變化溫度的季節(jié)變化和日變化主要發(fā)生在海洋上層。圖為近百慕大海區(qū)溫度隨月份的變化情況，夏季既有表面等溫層，又有表面負(fù)梯度層；冬季有很深的表面混合層。季節(jié)變

5、化對(duì)海洋深處的溫度影響較小。日變化：高風(fēng)速中午表面溫度，受高風(fēng)速的作用，出現(xiàn)明顯的混合層；低風(fēng)速表面呈現(xiàn)負(fù)溫度梯度，在早晨，可能出現(xiàn)正溫度梯度。在低緯度海域，主躍變層的深度較深；在高緯度海域，聲速正梯度一直延伸到接近海洋表面。（3）淺海聲速剖面淺海聲速剖面分布具有明顯的季節(jié)特征。在冬季，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。（三）海水溫度的起伏變化前面，我們將溫度和聲速看成不遂時(shí)間變化，只隨深度變化，這是海洋描述聲速變化的粗略近似，等溫層是宏觀而言，微觀而言溫度隨時(shí)間起伏變化的。一般，溫度起伏在下午和靠近海面到達(dá)最大。溫度起伏的原因多種多樣：湍流、海面波浪、渦旋和海中內(nèi)波等因素

6、。在水聲學(xué)中，經(jīng)常將聲速表示稱為確定性的聲速垂直分布與隨機(jī)不均勻聲速起伏的線性組合：。宏觀而言，聲速分布分成四類：（1）深海聲道聲速分布圖中（a）和（b）為深海聲道典型聲速分布，在某一深度處有一聲速最小值。而這不同之處：圖（a）表面聲速小于海底聲速；圖（b）表面聲速大于海底聲速。（2）表面聲道聲速分布圖中（c）為表面聲道聲速分布，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。（3）反聲道聲速分布圖中（d）為反聲道聲速分布，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。（4）淺海常見(jiàn)聲速分布圖中

7、（e）為淺海常見(jiàn)聲速分布，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。圖（e）與圖（d）不同之處：前者是淺海中的負(fù)速度分布，需計(jì)入海底對(duì)聲傳播的影響。3.2 海水中的聲吸收1、傳播衰減概述聲波傳播的強(qiáng)度衰減（傳播損失）原因：（1）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。（2）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。（3）散射：介質(zhì)的不均勻性引起的聲波散射和聲強(qiáng)衰減。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。（一）擴(kuò)展損失在理想介質(zhì)中，沿x軸方向傳播的簡(jiǎn)諧平面波聲壓可寫成

8、為：平面波聲壓幅值和聲強(qiáng)均不隨距離x變化的常數(shù)，因而，平面波波陣面不隨距離擴(kuò)展，沒(méi)有擴(kuò)展損失。傳播損失表示聲傳播衰減：即在理想介質(zhì)中，平面波的TL等于0dB。在理想介質(zhì)中，沿r方向傳播的簡(jiǎn)諧球面波聲壓可寫成為：平面波聲壓幅值和聲強(qiáng)均隨距離r變化，因而，球面波TL：一般，可以把擴(kuò)展損失寫成：根據(jù)不同的傳播條件，n取不同的數(shù)值：（1） 適用管道中的聲傳播，平面波傳播，。（2） 適用表面聲道和深海聲道，柱面波傳播，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。（3） 適用計(jì)及海底聲吸收時(shí)的淺海聲傳播，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。（4） 適用于開闊水域（自由場(chǎng)），球

9、面波傳播，。（5） 聲波通過(guò)淺海聲速負(fù)躍變層后的聲傳播，。（6） 適用偶極子聲源或計(jì)及平整海面虛源干涉的遠(yuǎn)場(chǎng)聲傳播，相當(dāng)于計(jì)入聲波干涉后，對(duì)球面波傳播損失的修正。（二）吸收系數(shù)在介質(zhì)中，聲吸收和聲散射引起的聲傳播損失經(jīng)常同時(shí)存在，很難區(qū)分開來(lái)。假設(shè)平面波傳播距離dx后，由于聲吸收而引起聲強(qiáng)降低dI，則式中，是比例常數(shù)，負(fù)號(hào)表示是聲強(qiáng)的負(fù)標(biāo)量（）。積分得聲強(qiáng)：對(duì)上式取自然對(duì)數(shù)得也可表示為：聲壓振幅的自然對(duì)數(shù)衰減為無(wú)量綱量，稱為奈貝（Neper）。上式為單位距離的奈貝數(shù)，Neper/m。實(shí)際上，經(jīng)常將聲強(qiáng)寫成下式：則有式中，稱為吸收系數(shù)。聲強(qiáng)之比的以10為底的對(duì)數(shù)為貝爾（Bel），貝爾值的10倍稱

10、為分貝（dB）。吸收系數(shù)單位是單位距離的分貝數(shù)，dB/m。即1Neper=8.68dB。聲吸收引起的傳播損失為（吸收系數(shù)乘上傳播距離）：總傳播損失（擴(kuò)散加吸收）等于均勻介質(zhì)的經(jīng)典聲吸收：，其中為介質(zhì)切變粘滯的聲吸收系數(shù)；為介質(zhì)熱傳導(dǎo)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，兩者差值稱為超吸收。2、純水和海水的超吸收（一）純水的超吸收1947年，Hall提出了水的結(jié)構(gòu)馳豫理論，成功解釋了水介質(zhì)的超吸收原因。圖中曲線A（Hall理論計(jì)算曲線）和B（經(jīng)典聲吸收）垂直坐標(biāo)之差為純水的超吸收。注意：詳細(xì)理論見(jiàn)何祚鏞編著聲學(xué)基礎(chǔ)（P378380）（二）海水的超吸收海水聲吸收系數(shù)隨頻率變化的

11、測(cè)量值見(jiàn)下圖，海水超吸收原因：海水中含有溶解度較小的MgSO4，它的化學(xué)反應(yīng)的馳豫過(guò)程引起超吸收。常識(shí)：在海中聲波作用下，MgSO4的化學(xué)反應(yīng)的平衡被破壞，達(dá)到新的動(dòng)態(tài)平衡，這種化學(xué)的馳豫過(guò)程，導(dǎo)致聲波的吸收。Schulkin和Marsh根據(jù)225kHz頻率范圍內(nèi)所作的大量測(cè)量結(jié)果，歸納的半經(jīng)驗(yàn)公式：式中，；為鹽度（）；為聲波頻率（kHz）；為馳豫頻率（kHz）：式中，T為攝氏溫度（）。馳豫頻率隨溫度升高而增加（330，73kHz206kHz）。疑問(wèn)： 主要是MgSO4馳豫現(xiàn)象引起的嗎？實(shí)驗(yàn)結(jié)果：海水中含有溶解度很大的NaCI，NaCI的存在使得海水超吸收反而下降。這是由于NaCI對(duì)水的分子結(jié)

12、構(gòu)變化產(chǎn)生影響所致。在高頻，NaCI濃度越大，吸收越小。 在5kHz頻率以下低頻，聲吸收又明顯增加，比S-M公式所給的結(jié)果更大，為什么？這是由于海水還存在包括硼酸在內(nèi)的其它化學(xué)馳豫現(xiàn)象。Thorp給出了低頻段（馳豫頻率約為1kHz）吸收系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式：上式適用4溫度附近的吸收系數(shù)。在低頻，若計(jì)入純水的粘滯系數(shù)，則吸收系數(shù)為：吸收系數(shù)與壓力的關(guān)系：隨壓力的增加而減?。菏街?，為水面吸收系數(shù)值；為水深（m）。深度每增加1km其吸收系數(shù)減小6.7%。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)，但鹽度的影響較小；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)。3、非均勻液

13、體中的聲衰減一般海水含有各種雜質(zhì)，入氣泡、浮游生物、懸浮粒子以及湍流形成溫度不均勻區(qū)域等海水的非均勻性，它將增加海水的聲傳播損失。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。海洋內(nèi)部氣泡密度很小，可以忽略它對(duì)聲吸收的影響。在有風(fēng)浪的海面附近，由于風(fēng)浪的攪拌作用，會(huì)產(chǎn)生許多氣泡，影響聲傳播。艦船航行形成的尾流也含有大量氣泡，嚴(yán)重影響聲傳播。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，

14、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）。3.3 海底海底結(jié)構(gòu)、地形和沉積層是影響聲波傳播的重要因素，它對(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)備作用距離底遠(yuǎn)近。實(shí)驗(yàn)研究表明，海底聲波反射系數(shù)與海底地形有明顯的依賴關(guān)系。對(duì)于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。右圖給出不同頻率，深海平原的反向散射強(qiáng)度與入射角的關(guān)系。反向散射強(qiáng)度：?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。注意：朝聲源方向上的聲散射。規(guī)律： 在小入射角時(shí)，散射強(qiáng)度隨的減小而增加。 在入射角時(shí)，散射強(qiáng)度近似與

15、成正比。 在小入射角時(shí)，散射強(qiáng)度一般與頻率無(wú)關(guān)； 在大入射角時(shí)，散射強(qiáng)度可能與頻率的四次方乘正比。右圖為非常粗糙海底上的反向散射強(qiáng)度與入射角的關(guān)系： 反向散射強(qiáng)度基本上與入射角和頻率無(wú)關(guān)。1、海底沉積層海底沉積層：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)。下面介紹海底沉積層的物理性質(zhì)：（一）密度沉積物密度（質(zhì)飽和容積密度）等于：式中，孔隙度是指沉積物體積中含有水分體積的百分?jǐn)?shù)；為孔隙水密度，也可認(rèn)為與海底的海水密度相等，?。粸闊o(wú)機(jī)物固體密度?？紫抖却笮∮性S多因素決定，如無(wú)機(jī)物的大小、形狀和分布，礦物成分，沉積物構(gòu)造和固體顆粒的緊密程度等。常識(shí)：深海平原和丘陵，粉砂粘土是主要沉積物

16、類型，深海平原，深海丘陵。（二）聲速沉積層中有壓縮波速度（聲速）和切變波速度兩種： 式中，和為沉積層的彈性模量和剛性（切變）模量?？紫抖仁强梢詼y(cè)量和計(jì)算的量，因此可以預(yù)報(bào)聲速值。與呈線性關(guān)系，因此聲速和之間關(guān)系與聲速和之間關(guān)系相同。Hamilton給出三種不同類型沉積物的聲速、密度和孔隙度的實(shí)驗(yàn)值。（三）衰減損失大量測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果（Hamilton），沉積層中聲波的衰減系數(shù)（dB/m）：式中，K為常數(shù)；f為頻率，kHz；m為指數(shù)，。圖為天然飽和沉積物和沉積層中聲波衰減系數(shù)與頻率一次方成比例。2、海底聲反射損失海底反射損失：反射聲振幅相對(duì)入射聲振幅減小的分貝數(shù)，定義為：海底反射損失為正值，BL分貝

17、數(shù)越大，海底反射損失越大；為反射系數(shù)模值。（一）高聲速海底特點(diǎn)：海底呈液態(tài)、聲速大于海水聲速（，）。海底反射損失BL值和反射系數(shù)模隨掠射角的變化，如圖（a）所示。曲線a是海底沒(méi)有聲吸收情況；曲線b和c是海底有聲吸收情況，曲線c海底聲吸收大于曲線b的海底聲吸收。（二）低聲速海底特點(diǎn)：聲速小于海水聲速（，）。海底反射損失BL值和反射系數(shù)模隨掠射角的變化，如圖（b）所示。曲線a是海底沒(méi)有聲吸收情況；曲線b和c是海底有聲吸收情況，曲線c海底聲吸收大于曲線b的海底聲吸收。聲波垂直入射，反射系數(shù)和海底反射損失為： 右圖為根據(jù)深海實(shí)測(cè)到的海底反射損失的平均值，小掠射角的數(shù)據(jù)是實(shí)驗(yàn)值的外推。由此圖可看出，海底

18、沉積層的反射損失隨掠射角變化有三個(gè)特征：（1）存在一個(gè)“分界掠射角”；當(dāng)時(shí)，反射損失值較??；當(dāng)時(shí)，反射損失較大。是海底反射損失的一個(gè)特征參數(shù)。（2）小掠射角范圍內(nèi)，反射損失隨二增加。（3）大掠射角范圍內(nèi)，反射損失與無(wú)明顯依賴關(guān)系，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)反射損失值的“振蕩”變化，一般可近似為常數(shù)。根據(jù)海底反射的特征，我國(guó)學(xué)者尚爾昌提出三參數(shù)模型：模型：三個(gè)參數(shù)為：、和。該模型表示海底反射損失的基本特征。參數(shù)計(jì)算：根據(jù)反射系數(shù)表達(dá)式和Hamilton總結(jié)的沉積物衰減系數(shù)求得。（1）“分界掠射角”為全內(nèi)反射角：，聲速比。（2）為掠射角等于時(shí)的反射系數(shù)模：，密度比。（3）參數(shù)等于。根據(jù)全內(nèi)反射時(shí)反射系數(shù)：令（將海

19、底聲速視為復(fù)數(shù)），則。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)。3.4 海面海面波浪：周期性周期、波長(zhǎng)、波速和波高等量來(lái)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)等來(lái)描述其特征。1、波浪的基本特征（一）重力波重力波：以重力作為恢復(fù)力的波動(dòng)。描述波浪的四要素：波長(zhǎng)、波高、周期和波速，它們之間的關(guān)系：。波浪的波數(shù)：。忽略粘滯性的影響，水深h的均勻海洋的波速：式中，為重力加速度。（二）表面張力波表面張力波：表面張力為主要恢復(fù)力的波動(dòng)。通常是小風(fēng)速時(shí)，海水表面曲率半徑只有幾厘米。波速為：式中，為表面張力。波長(zhǎng)越長(zhǎng)，代表表面張力波速的第二項(xiàng)就減小，見(jiàn)圖中虛線a。常識(shí)：波長(zhǎng)大于10cm基

20、本上屬于重力波。注意：波長(zhǎng)與波速之間的變化關(guān)系，重力波與表面張力波不同。對(duì)于小波長(zhǎng)的波，表面深水有，則波速簡(jiǎn)寫成：根據(jù)上述波速（相速度）表達(dá)式，波速與頻率（和波長(zhǎng)）有關(guān)，形成波浪頻散彌散波。對(duì)于多個(gè)頻率傳播的波，其傳播速度由群速度決定。（三）波浪的形成和等級(jí)波浪的形成與風(fēng)速、風(fēng)持續(xù)時(shí)間、風(fēng)區(qū)等因素有關(guān)。風(fēng)傳給波浪的能量等于波浪破碎時(shí)損失的能量（達(dá)到平衡狀態(tài)），風(fēng)浪成為充分成長(zhǎng)的風(fēng)浪。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)：海況分成9級(jí)，見(jiàn)書中列表。概念：平均波高：波峰到波谷垂直距離的平均值。有效波高：記錄中1/3最大波高的平均值；平均1/10最大波高：記錄中1/10最大波高的平均值；三者之間關(guān)系：2、波浪的統(tǒng)計(jì)特征波浪有隨機(jī)性，將其視為隨機(jī)過(guò)程，研究其統(tǒng)計(jì)特性：（一）波浪的概率密度分布海面偏離平衡位置的位移服從高斯分布：1960年，Kinsman實(shí)際測(cè)量表明：海面的概率分布服從正偏態(tài)的Gram-Charlier分布，與高斯分布稍有差別。常識(shí)：在水聲學(xué)中經(jīng)常將波面的概率分布視為高