海洋聲學(xué)特性

1、海洋聲學(xué)特性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。2.1 海水中的聲速1、聲速 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：聲速經(jīng)驗(yàn)公式上式適用范圍：-3T30、33S37 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：2.1 海水中的聲速聲速經(jīng)驗(yàn)公式 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（

2、1oF-32）5/9。2.1 海水中的聲速2.1 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？ 烏德公式2.1 海水中的聲速 P的單位是大氣壓。2.1 海水中的聲速2、聲速測(cè)量 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。 2.1 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。 2、

3、聲速測(cè)量 2.1 海水中的聲速3、海洋中聲速變化 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。 2.1 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： 根據(jù)烏德公式 聲速梯度2.1 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。 2.1 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：（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

4、明顯；冬、春（北冰洋）季節(jié)，躍變層與表面層合并在一起。 2.1 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。 2.1 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。 2.1 海水中的聲速 請(qǐng)解釋一下深海聲速梯度分布？2.1 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

5、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。 2.1 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)正溫度梯度。 2.1 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。 2.1 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。 2.1 海水中的聲速海洋中聲速的基本結(jié)構(gòu)淺

6、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。 2.1 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。 2.1 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： 特點(diǎn)：在某一深度處有一聲速最小值。聲速垂直分布分類(lèi)深海聲道聲速分布：2.1 海水中的聲速特點(diǎn)：在某一深度處有一聲速極大值

7、。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(lèi)表面聲道聲速分布：2.1 海水中的聲速特點(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(lèi)反聲道聲速分布：2.1 海水中的聲速特點(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(lèi)淺海常見(jiàn)聲速分布：2.1 海水中的聲速反聲道聲速分布與淺海常見(jiàn)聲速分布有何不同？ 2.2 海水中的聲吸收1、傳播損失概述聲波傳播的強(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)

8、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。2.2 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： 傳播損失為： 2.2 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： 2.2 海水中的聲吸收擴(kuò)展損失一般，可以把擴(kuò)展損失寫(xiě)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 2.2 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，

9、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）n=3/2 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。 2.2 海水中的聲吸收擴(kuò)展損失（4）n=2 適用于開(kāi)闊水域(自由場(chǎng))，球面波傳播。 （5）n=3 聲波通過(guò)淺海聲速負(fù)躍變層后的聲傳播。（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。 2.2 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(kāi)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，則聲壓振幅的自

10、然對(duì)數(shù)衰減為無(wú)量綱量，稱(chēng)為奈貝（Neper）。 2.2 海水中的聲吸收吸收系數(shù) 聲強(qiáng)可以寫(xiě)成： 吸收系數(shù)：?jiǎn)挝痪嚯x的分貝數(shù)，dB/m 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(chēng)為分貝（dB）。 2.2 海水中的聲吸收吸收系數(shù) Neper，聲吸收引起的傳播損失（吸收系數(shù)乘以傳播距離）：2.2 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(chēng)為超吸收。Why? 2.2 海水中的聲吸收2、純水和海水的超吸收純水超吸收 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AHa

11、ll理論計(jì)算曲線B經(jīng)典聲吸收2.2 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。 2.2 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： 馳豫頻率隨溫度升高而增加 。2.2 海水中的聲吸收 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)水分子結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生影響所致。在高頻，

12、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。2.2 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 ）： 在低頻，若計(jì)入純水的粘滯系數(shù)，則吸收系數(shù)為： 2.2 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?。?深度每增加1km其吸收系數(shù)減小6.7%。 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)公式計(jì)算海水的吸收系數(shù)。 2.2 海水中的聲吸收3、非均勻

13、液體中的聲衰減 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、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。 2.2 海水中的聲吸收3、非均勻液體中的聲衰減海洋內(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)

14、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） 2.2 海水中的聲吸收2.2 海水中的聲吸收2.3 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2.3 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(lài)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2.3 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)

15、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。 2.3 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)。 2.3 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）：孔隙度n 體積百分比深海平原和丘陵，粉砂粘土是主要沉積物類(lèi)型。（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(lèi)型沉積物的聲速、密度

16、和孔隙度的實(shí)驗(yàn)值（見(jiàn)教材）。 孔隙度可測(cè)量和計(jì)算，因此可以預(yù)報(bào)聲速。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 海底（3）衰減損失沉積層中聲波衰減系數(shù)：2.3 海底K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。2.3 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： 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。 2.3 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。

17、 2.3 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。 2.3 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。 2.3 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(lài)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)。 2

18、.3 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：該模型表示海底反射損失的基本特征。2.3 海底（4）三參數(shù)模型參數(shù)計(jì)算：分界掠射角全內(nèi)反射角掠射角等于反射系數(shù)模分析聲場(chǎng)的平均結(jié)構(gòu)2.4 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)2.4 海面（1）重力波 以重力作為恢復(fù)力的波動(dòng)1、波浪基本特征忽略粘滯性的影響，水深 h的均勻海洋波速：2.4 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：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。 2.4 海面（2）表面張力波 對(duì)于小波長(zhǎng)的波：波速與頻率有關(guān)

19、，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。 2.4 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(jiàn)書(shū)中列表。了解不同海況 的海面征兆描述。2.4 海面（3）波浪形成和等級(jí)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2.4 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。 2.4

20、海面（2）波浪譜 P-M（Pierson-Moskowity）譜：2、波浪統(tǒng)計(jì)特征2.4 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2.5 海面的聲反射及對(duì)聲傳播影響海面反射性質(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。 2.5 海面的聲反射及對(duì)聲傳播影響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

21、聲壓：2.5 海面的聲反射及對(duì)聲傳播影響1、波動(dòng)表示方法 從射線聲學(xué)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)？ 2.5 海面的聲反射及對(duì)聲傳播影響2、聲壓振幅隨距離的變化 假設(shè) 、 ，則可得 2.5 海面的聲反射及對(duì)聲傳播影響2、聲壓振幅隨距離的變化 接收點(diǎn)P聲壓： 2.5 海面的聲反射及對(duì)聲傳播影響2、聲壓振幅隨距離的變化（1）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。2.5 海面的聲反射及對(duì)聲傳播影響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

22、聲壓不等于零，是由于兩者到接收點(diǎn)距離不等。2.5 海面的聲反射及對(duì)聲傳播影響（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)： 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。2.5 海面的聲反射及對(duì)聲傳播影響3、傳播損失2.5 海面的聲反射及對(duì)聲傳播影響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2.5 海面的聲反射及對(duì)聲傳播影響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： 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)。 2.5 海面的聲反射及對(duì)聲傳播影響4、非絕對(duì)反射海面下的傳播損失直達(dá)聲與海面反射聲的合成聲場(chǎng)： 2.6 海洋