第2章-海洋的聲學(xué)特性.PPT課件

1、本章目的本章目的 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。第1頁(yè)/共91頁(yè)2.1 2.1 海水中的聲速海水中的聲速 sc1PSTcPSTs， 海洋中的重要聲學(xué)參數(shù)，也是海洋中聲傳播的基本物理參數(shù)。 海洋中聲波為彈性縱波，聲速為：第2頁(yè)/共91頁(yè)STPPSTccccc22.1449上式適用范圍：-3T30、33S37 2525/109801/10013. 1mNPmN個(gè)大氣壓 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

2、的經(jīng)驗(yàn)公式為：2.1 2.1 海水中的聲速海水中的聲速第3頁(yè)/共91頁(yè) 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(gè)大氣壓的壓力； 1（1oF-32）5/9。2.1 2.1 海水中的聲速海水中的聲速第4頁(yè)/共91頁(yè)2.1 2.1 海水中的聲速海水中的聲速 聲速的數(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。 精確計(jì)算聲速有什么意義？精確計(jì)算聲速有什么意義？ 第5頁(yè)/共91頁(yè)2.1 2.1 海水中的聲速海水中的聲速PSTTc175. 03514. 1037. 021. 414502 P的單位是大氣壓。

3、第6頁(yè)/共91頁(yè)2.1 2.1 海水中的聲速海水中的聲速 測(cè)量?jī)x器設(shè)備：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，可以轉(zhuǎn)換給出聲速。 第7頁(yè)/共91頁(yè)2.1 2.1 海水中的聲速海水中的聲速聲速儀是聲學(xué)裝置：聲循環(huán)原理工作： 前一個(gè)脈沖到達(dá)接收器，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。聲速：c=fL。 第8頁(yè)/共91頁(yè)2.1 2.1 海水中的聲速海水中的聲速 海洋中聲速的垂直分層性質(zhì)和聲速梯度垂直分層性質(zhì)： 實(shí)測(cè)海洋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。 zcz

4、yxc,第9頁(yè)/共91頁(yè)2.1 2.1 海水中的聲速海水中的聲速海洋中聲速的垂直分層性質(zhì)和聲速梯度聲速梯度： PPSSTTcgagagadzdcg根據(jù)烏德公式 CsmTaT074. 021. 4 /14. 1smaS atmsmaP175. 0 聲速梯度 PSTcgggTg175. 014. 1074. 021. 4 第10頁(yè)/共91頁(yè)2.1 2.1 海水中的聲速海水中的聲速海洋中聲速的基本結(jié)構(gòu)典型深海聲速剖面：溫度分布“三層結(jié)構(gòu)”：（1）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。 第11頁(yè)/共91頁(yè)2.1 2.1 海水中的聲速海水中的聲速海洋中聲速

5、的基本結(jié)構(gòu)典型深海聲速剖面：（2）季節(jié)躍變層： 在表面層之下，特征是負(fù)溫度梯度或負(fù)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。 第12頁(yè)/共91頁(yè)2.1 2.1 海水中的聲速海水中的聲速海洋中聲速的基本結(jié)構(gòu)典型深海聲速剖面：（3）主躍變層： 溫度隨深度巨變的層，特征是負(fù)的溫度梯度或負(fù)聲速梯度，季節(jié)對(duì)它的影響微弱。 第13頁(yè)/共91頁(yè)2.1 2.1 海水中的聲速海水中的聲速海洋中聲速的基本結(jié)構(gòu)典型深海聲速剖面：（4）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。 在主躍變層（負(fù)）和深海等溫層（正）之間，有一聲速極小值。

6、第14頁(yè)/共91頁(yè)2.1 2.1 海水中的聲速海水中的聲速 請(qǐng)解釋一下深海聲速梯度分布？請(qǐng)解釋一下深海聲速梯度分布？第15頁(yè)/共91頁(yè)2.1 2.1 海水中的聲速海水中的聲速海洋中聲速的基本結(jié)構(gòu)溫度的季節(jié)變化、日變化和緯度變化：（1）季節(jié)變化： 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)變化對(duì)海洋深處的溫度影響較小。 第16頁(yè)/共91頁(yè)2.1 2.1 海水中的聲速海水中的聲速海洋中聲速的基本結(jié)構(gòu)溫度的季節(jié)變化、日變化和緯度變化：（2）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

7、溫度梯度。 第17頁(yè)/共91頁(yè)2.1 2.1 海水中的聲速海水中的聲速海洋中聲速的基本結(jié)構(gòu)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。 第18頁(yè)/共91頁(yè)2.1 2.1 海水中的聲速海水中的聲速海洋中聲速的基本結(jié)構(gòu)溫度的季節(jié)變化、日變化和緯度變化：（）緯度變化 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。 第19頁(yè)/共91頁(yè)2.1 2.1 海水中的聲速海水中的聲速海洋中聲速的基本結(jié)構(gòu)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。 第20頁(yè)/共91頁(yè)2.1

8、 2.1 海水中的聲速海水中的聲速海水溫度起伏變化 描述海洋聲速變化粗略近似：將溫度和聲速看成不隨時(shí)間變化，只隨深度變化； 等溫層是宏觀而言，微觀而言溫度隨時(shí)間起伏變化。 溫度起伏在下午和靠近海面最大。 溫度起伏原因多種多樣：湍流、海面波浪、渦旋和海中內(nèi)波等因素。 第21頁(yè)/共91頁(yè)2.1 2.1 海水中的聲速海水中的聲速聲速描述 在水聲學(xué)中，經(jīng)常將聲速表示成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： czcc第22頁(yè)/共91頁(yè)特點(diǎn)：在某一深度處有一聲速最小值。聲速垂直分布分類深海聲道聲速分布：0cZmZc2.1 2.1 海水中的聲速海水中的聲速ZmZc0c第23頁(yè)/共91頁(yè)特點(diǎn)：

9、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。 聲速垂直分布分類表面聲道聲速分布：2.1 2.1 海水中的聲速海水中的聲速 c hZmZc第24頁(yè)/共91頁(yè)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。 聲速垂直分布分類反聲道聲速分布：2.1 2.1 海水中的聲速海水中的聲速Zc第25頁(yè)/共91頁(yè)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。 聲速垂直分布分類淺海常見聲速分布：2.1 2.1 海水中的聲速海水中的聲速Zc反聲道聲速分布與淺海常見聲速分布有何不同

10、？ 第26頁(yè)/共91頁(yè)2.2 2.2 海水中的聲吸收海水中的聲吸收聲波傳播的強(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)本身不均勻性和海水界面對(duì)聲波散射。第27頁(yè)/共91頁(yè)2.2 2.2 海水中的聲吸收海水中的聲吸收擴(kuò)展損失 在理想介質(zhì)中，沿x軸方向傳播簡(jiǎn)諧平面波聲壓： kxtippexp020pI 傳播損失為： dBxIITL01lg10第28頁(yè)/共91頁(yè)2.2 2.2

11、 海水中的聲吸收海水中的聲吸收擴(kuò)展損失 在理想介質(zhì)中，沿r方向傳播簡(jiǎn)諧球面波聲壓： 傳播損失為： kxtirppexp0220rpI dBrxIITLlg201lg10第29頁(yè)/共91頁(yè)2.2 2.2 海水中的聲吸收海水中的聲吸收擴(kuò)展損失一般，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）n=0 適用管道中的聲傳播，平面波傳播 dBrnTLlg100TL第30頁(yè)/共91頁(yè)2.2 2.2 海水中的聲吸收海水中的聲吸收擴(kuò)展損失（2）n=1 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。 rTLlg10（3）n=3/2 適用計(jì)及海底聲

12、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。 rTLlg15第31頁(yè)/共91頁(yè)2.2 2.2 海水中的聲吸收海水中的聲吸收擴(kuò)展損失（4）n=2 適用于開闊水域(自由場(chǎng))，球面波傳播。 rTLlg20（5）n=3 聲波通過(guò)淺海聲速負(fù)躍變層后的聲傳播。rTLlg30（6）n=4 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。 rTLlg40第32頁(yè)/共91頁(yè)2.2 2.2 海水中的聲吸收海水中的聲吸收吸收系數(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

13、引起聲強(qiáng)降低dI，則IdxdI2 xeIxI20 xIIx0ln21 xppx0ln1聲壓振幅的自然對(duì)數(shù)衰減為無(wú)量綱量，稱為奈貝（Neper）。 第33頁(yè)/共91頁(yè)2.2 2.2 海水中的聲吸收海水中的聲吸收吸收系數(shù) 聲強(qiáng)可以寫成： 10010 xIxI xppxxIIx00lg20lg10 吸收系數(shù)：?jiǎn)挝痪嚯x的分貝數(shù)，dB/m 68. 8lg20lnlg200exppex聲強(qiáng)之比的以10為底的對(duì)數(shù)為貝爾（Bel），貝爾值的10倍稱為分貝（dB）。 第34頁(yè)/共91頁(yè)2.2 2.2 海水中的聲吸收海水中的聲吸收吸收系數(shù) Neper=8.68dB，聲吸收引起的傳播損失（吸收系數(shù)乘以傳播距離）：

14、I 1TL=10lg11I xxx x第35頁(yè)/共91頁(yè)2.2 2.2 海水中的聲吸收海水中的聲吸收總傳播損失（擴(kuò)展吸收）均勻介質(zhì)的經(jīng)典聲吸收（粘滯性和熱傳導(dǎo)）：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。 rrnTLlg10k第36頁(yè)/共91頁(yè)2.2 2.2 海水中的聲吸收海水中的聲吸收純水超吸收 1947年，Hall提出水的結(jié)構(gòu)馳豫理論，成功解釋了水介質(zhì)的超吸收原因。曲線AHall理論計(jì)算曲線B經(jīng)典聲吸收第37頁(yè)/共91頁(yè)2.2 2.2 海水中的聲吸收海水中的聲吸收海水超吸收海水超吸收原因： 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。 在聲波

15、作用下，MgSO4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。 第38頁(yè)/共91頁(yè)2.2 2.2 海水中的聲吸收海水中的聲吸收海水超吸收 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： kmdBffBfffSfATTT/2221089. 1A21072. 2B27315206109 .21TTf馳豫頻率隨溫度升高而增加 。第39頁(yè)/共91頁(yè)2.2 2.2 海水中的聲吸收海水中的聲吸收 主要是MgSO4MgSO4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

16、NaCI對(duì)水分子結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生影響所致。在高頻，NaCI濃度越大，吸收越小。 在5kHz5kHz頻率以下低頻，聲吸收又明顯增加，比S-MS-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。第40頁(yè)/共91頁(yè)2.2 2.2 海水中的聲吸收海水中的聲吸收海水超吸收 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（適用4溫度附近 ）： kmdBffff/41007 .401102. 02222 在低頻，若計(jì)入純水的粘滯系數(shù)，則吸收系數(shù)為： kmdBfffff/1006. 341007 .401102. 0242222第41頁(yè)/共91頁(yè)2.2 2.2

17、海水中的聲吸收海水中的聲吸收吸收系數(shù)與壓力關(guān)系 隨壓力的增加而減小： 深度每增加1km其吸收系數(shù)減小6.7%。 H501067. 61海水的聲吸收系數(shù)與等因素有關(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)公式計(jì)算海水的吸收系數(shù)。 第42頁(yè)/共91頁(yè)2.2 2.2 海水中的聲吸收海水中的聲吸收 一般海水含有各種雜質(zhì)，如氣泡、浮游生物、懸浮粒子以及湍流形成溫度不均勻區(qū)域等，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、

18、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。 第43頁(yè)/共91頁(yè)2.2 2.2 海水中的聲吸收海水中的聲吸收海洋內(nèi)部氣泡密度很小，可以忽略它對(duì)聲吸收影響。在有風(fēng)浪的海面附近，由于風(fēng)浪攪拌作用，會(huì)產(chǎn)生許多氣泡，影響聲傳播。艦船航行形成尾流含有大量氣泡，嚴(yán)重影響聲傳播。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44頁(yè)/共91頁(yè)2.2 2.2 海水中的聲吸收海水中的聲吸收第45頁(yè)/共91頁(yè)2.2 2.2 海水中的聲吸收海水中的聲吸收第46頁(yè)/共91頁(yè)2.3

19、2.3 海底海底海底對(duì)聲傳播影響海底結(jié)構(gòu)、地形和沉積層 聲波吸收、散射和反射 水聲設(shè)備作用距離第47頁(yè)/共91頁(yè)2.3 2.3 海底海底實(shí)驗(yàn)研究表明：海底聲波反射系數(shù)與海底地形有明顯依賴關(guān)系。對(duì)于高于幾千赫頻率聲波，海底粗糙度是影響聲波反射主要作用。 海底對(duì)聲傳播影響反向散射強(qiáng)度ms：?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。 指向聲源方向的聲散射第48頁(yè)/共91頁(yè)2.3 2.3 海底海底海底對(duì)聲傳播影響深海平原反向散射強(qiáng)度與入射角關(guān)系: :在小入射角時(shí)，散射強(qiáng)度隨入射角減小而增加。在入射角大于15o時(shí)，10lgms與cos2成正比蘭伯特散射定律。在小入射角時(shí)，散射強(qiáng)度一般與頻率

20、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。 第49頁(yè)/共91頁(yè)2.3 2.3 海底海底海底對(duì)聲傳播影響粗糙海底反向散射強(qiáng)度與入射角關(guān)系: :反向散射強(qiáng)度基本上與入射角和頻率無(wú)關(guān)。 第50頁(yè)/共91頁(yè)2.3 2.3 海底海底1、海底沉積層概念描述：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)。 物理性質(zhì)（1）密度沉積層密度（指飽和容積密度：水無(wú)機(jī)物）：swnn1孔隙度n 體積百分比3/024. 1cmgws深海平原和丘陵，粉砂粘土是主要沉積物類型。第51頁(yè)/共91頁(yè)（2）聲速沉積層中有壓縮波速度（聲速）和切變波速度兩種：Hamilton給出三種不同類型沉積物的聲速、密度和

21、孔隙度的實(shí)驗(yàn)值（見教材）。 GEc34Gcs孔隙度可測(cè)量和計(jì)算，因此可以預(yù)報(bào)聲速。n聲速與密度的關(guān)系與聲速與孔隙度之間的關(guān)系相同 2.3 2.3 海底海底第52頁(yè)/共91頁(yè)（3）衰減損失沉積層中聲波衰減系數(shù)：2.3 2.3 海底海底mKfK為常數(shù)；f為頻率，kHz；m為指數(shù)，m1。A曲線為近陸地沉積層；B曲線為沿海粘土沙地；C曲線為海底。第53頁(yè)/共91頁(yè)2.3 2.3 海底海底2、海底聲反射海底反射損失：反射聲振幅相對(duì)入射聲振幅減小的分貝數(shù)，定義為： VppBLirlg20lg20海底反射損失為正值，BL分貝數(shù)越大，海底反射損失越大； 為反射系數(shù)模值。 V第54頁(yè)/共91頁(yè)2.3 2.3 海

22、底海底（1）高聲速海底特點(diǎn)：海底呈液態(tài)、聲速大于海水聲速。 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海底聲吸收。 12cc 1n第55頁(yè)/共91頁(yè)2.3 2.3 海底海底（2）低聲速海底特點(diǎn)：聲速小于海水聲速。 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海底聲吸收。 12cc1n第56頁(yè)/共91頁(yè)2.3 2.3 海底海底（3）實(shí)測(cè)海底反射損失根據(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。 第57頁(yè)/共91頁(yè)2.3 2.3 海底海底（3）實(shí)測(cè)海底反射損失海底沉積層的反射損失隨掠射角變化的三

23、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 而增加。（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)。 第58頁(yè)/共91頁(yè)2.3 2.3 海底海底（4）三參數(shù)模型根據(jù)海底反射特征，我國(guó)學(xué)者尚爾昌提出三參數(shù)模型： 2ln0ln0constVQVQ0lnV該模型表示海底反射損失的基本特征。第59頁(yè)/共91頁(yè)2.3 2.3 海底海底（4）三參數(shù)模型參數(shù)計(jì)算：0VQ分界掠射角全內(nèi)反射角掠射角等于反射系數(shù)模2 narccosnmnmV0 0

24、lnVQ222122MMmMQ分析聲場(chǎng)的平均結(jié)構(gòu)第60頁(yè)/共91頁(yè)2.4 2.4 海面海面海面波浪特征描述：周期性周期、波長(zhǎng)、波速和波高隨機(jī)起伏性概率密度函數(shù)、方差、譜和相關(guān)函數(shù)第61頁(yè)/共91頁(yè)2.4 2.4 海面海面（1）重力波 以重力作為恢復(fù)力的波動(dòng)1、波浪基本特征cTck 2忽略粘滯性的影響，水深 h的均勻海洋波速：khkgctanh2第62頁(yè)/共91頁(yè)2.4 2.4 海面海面（2）表面張力波 以表面張力作為恢復(fù)力的波動(dòng)。小風(fēng)速，海洋波速為：khkTkgcftanh2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。 第63頁(yè)/共91頁(yè)2.4 2.4 海面海面（2）表面張力波 對(duì)于小波

25、長(zhǎng)的波：1tanhkhkTkgcf2波速與頻率有關(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。 第64頁(yè)/共91頁(yè)2.4 2.4 海面海面（3）波浪形成和等級(jí)波浪形成：與風(fēng)速、風(fēng)持續(xù)時(shí)間、風(fēng)區(qū)等因素有關(guān)。風(fēng)傳給波浪的能量波浪破碎損失能量充分成長(zhǎng)波浪國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)：海況分成9級(jí)，見書中列表。了解不同海況 的海面征兆描述。第65頁(yè)/共91頁(yè)2.4 2.4 海面海面（3）波浪形成和等級(jí)H平均波高記錄中1/10最大波高的平均值 波峰到波谷垂直距離的平均值31H有效波高記錄中1/3最大波高的平均值101H平均1/10最大波高1013120. 025. 021HHH第66頁(yè)/共91頁(yè)2.

26、4 2.4 海面海面（1）波浪概率密度分布 海面偏離平衡位置的位移服從高斯分布2、波浪統(tǒng)計(jì)特征 222212Pe 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。 第67頁(yè)/共91頁(yè)2.4 2.4 海面海面（2）波浪譜 P-M（Pierson-Moskowity）譜：2、波浪統(tǒng)計(jì)特征 4052expagS3101 . 8a74. 05 .190ug第68頁(yè)/共91頁(yè)2.4 2.4 海面海面 有風(fēng)浪的海面下經(jīng)常形成一層空氣泡，它的厚度和濃度取決于波浪要素、表層水的湍動(dòng)混合強(qiáng)度、空化強(qiáng)度以及溶解在水中的空氣飽和程度。 3、海表面氣泡層第69頁(yè)/共91頁(yè)2

27、.5 2.5 海面的聲反射及對(duì)聲傳播影海面的聲反射及對(duì)聲傳播影響響海面反射性質(zhì)：鏡反射和漫散射，隨著海面粗糙度增加，漫散射場(chǎng)占主要分量。海面反向散射是海面混響的形成原因。海面散射場(chǎng)中含有多普勒頻移分量。 第70頁(yè)/共91頁(yè)2.5 2.5 海面的聲反射及對(duì)聲傳播影海面的聲反射及對(duì)聲傳播影響響1、波動(dòng)表示方法xoSS1zP(x,y,z)(0,z1)(0,-z1)R1R2R 設(shè)點(diǎn)源S靠近海面，視海面為絕對(duì)軟平面，根據(jù)鏡反射原理引入虛源S1。P點(diǎn)接收聲壓：212111jkRjkReReRp第71頁(yè)/共91頁(yè)2.5 2.5 海面的聲反射及對(duì)聲傳播影海面的聲反射及對(duì)聲傳播影響響1、波動(dòng)表示方法 從射線聲學(xué)

28、的角度來(lái)講，接收點(diǎn)是由直達(dá)聲線和海面反射系數(shù)為-1的反射聲線疊加。 對(duì)于平整海面，為什么可利用平面聲波的反射系數(shù)代替球面波的反射系數(shù)？ 第72頁(yè)/共91頁(yè)2.5 2.5 海面的聲反射及對(duì)聲傳播影海面的聲反射及對(duì)聲傳播影響響2、聲壓振幅隨距離的變化 假設(shè) 、 ，則可得 1zR zR 21221212121RzzRzRzzrR21221212221RzzRzRzzrR22yxr第73頁(yè)/共91頁(yè)2.5 2.5 海面的聲反射及對(duì)聲傳播影海面的聲反射及對(duì)聲傳播影響響1221Rz121Rzz2、聲壓振幅隨距離的變化 接收點(diǎn)P聲壓： 2111-1-12221111222211-1+22jzRjkzz Rj

29、kzz RjkRzzzzzzpeeeeRRRRR 11122cossinjkRzzzzzzpkjkeRRRRRzzkRp1sin2第74頁(yè)/共91頁(yè)2.5 2.5 海面的聲反射及對(duì)聲傳播影海面的聲反射及對(duì)聲傳播影響響2、聲壓振幅隨距離的變化（1）211NkzzRN,2,1,0N聲壓取極大值 ，且是單個(gè)點(diǎn)源的兩倍。直達(dá)聲與海面反射聲同相疊加。NRp2第75頁(yè)/共91頁(yè)2.5 2.5 海面的聲反射及對(duì)聲傳播影海面的聲反射及對(duì)聲傳播影響響2、聲壓振幅隨距離的變化（2）聲壓取極小值 。直達(dá)聲與海面反射聲反相疊加。合成聲壓不等于零，是由于兩者到接收點(diǎn)距離不等。MkzzRM1,2,1M312MRzzp 第

30、76頁(yè)/共91頁(yè)2.5 2.5 海面的聲反射及對(duì)聲傳播影海面的聲反射及對(duì)聲傳播影響響（3）近場(chǎng)菲涅耳（Fresnel）干涉區(qū)向遠(yuǎn)場(chǎng)夫朗和費(fèi)（Fraunhofer）區(qū)過(guò)渡點(diǎn)： 0210NkzzR12kzzR212122rkzzRkzzp近場(chǎng)菲涅耳區(qū)聲壓振幅起伏變化，遠(yuǎn)場(chǎng)夫朗和費(fèi)區(qū)聲壓振幅單調(diào)變化。對(duì)于非均勻聲速分布，該干涉現(xiàn)象仍存在。第77頁(yè)/共91頁(yè)2.5 2.5 海面的聲反射及對(duì)聲傳播影海面的聲反射及對(duì)聲傳播影響響3、傳播損失120lg20lg sinkzzTLRR RTLlg60 MkzzR1 ,2,1 MRTLlg40 )(21區(qū)區(qū)FraunhoferkzzR 第78頁(yè)/共91頁(yè)2.5 2.5 海面的聲反射及對(duì)聲傳播影海面的聲反射及對(duì)聲傳播影響響4、非絕對(duì)反射海面下的傳播損失海面散射鏡向反射彌漫散射相干波非相干波第79頁(yè)/共91頁(yè)2.5 2.5 海面的聲反射及對(duì)聲傳播影海面的聲反射及對(duì)聲傳播影響響4、非絕對(duì)反射海面下的傳播損失反射系數(shù)由平均反射系數(shù)給出： V 反映海面散射場(chǎng)中相干散射成分的大小，與波浪的垂直位移、聲波頻率和掠射角有關(guān)。 10第80頁(yè)/共91頁(yè)2.5 2.5 海面的聲反射及對(duì)聲傳播影海面的聲反射及對(duì)聲傳播影響響4、非