第十章-海洋中的聲光傳播.ppt

1、第十章 海洋中的聲、光傳播,1 海洋聲學(xué),1.1 水聲學(xué)與海洋聲學(xué)的發(fā)展 水中的各種能量輻射形式中，以聲波的傳播性能為最好，在含有鹽、氣泡和浮游生物的海水中，光波和電磁波的衰減都非常大。它們的傳播距離較短，遠(yuǎn)不能滿足人類在海洋活動(dòng)中的需要。因此，在水下目標(biāo)探測、通訊、導(dǎo)航等方面均以聲波做為水下唯一有效的輻射能。 發(fā)現(xiàn)過程： 第一次大戰(zhàn)期間，由于德國的潛艇活動(dòng)，約4000多艘同盟國艦船被擊沉，這個(gè)數(shù)目相當(dāng)于同盟國擁有艦船的三分之一，從而迫使同盟國集中很大力量去研究同潛艇做斗爭的手段。 1914年郎之萬、康斯坦丁首先做成了電容(靜電式)發(fā)射器和碳粒微音接收器。 1918年利用這樣的發(fā)射和接收器，接

2、收到來自海底的回波和于200m深處一塊甲板的回波。 同時(shí)，郎之萬等人用石英晶體做成壓電式發(fā)射器和接收器，并采用了剛研制成的真空管放大器，制成第一臺(tái)回聲定位儀，以后簡稱聲吶(sonar)?！奥晠取泵Q的由來，是仿照雷達(dá)一詞對“聲導(dǎo)航和回聲定位”的英文“sound navigation and ranging”的縮寫。,用途：除軍事的用途之外，也廣泛應(yīng)用于聲導(dǎo)航系統(tǒng)、探魚、測深和海底地形測繪、海底底質(zhì)剖面結(jié)構(gòu)等方面。目前水聲技術(shù)已是開發(fā)海洋和研究海洋廣泛采用和行之有效的手段，如水下通訊、聲遙測遙控、數(shù)據(jù)圖像傳輸，以及用聲波遙測海洋渦旋的運(yùn)動(dòng)和變化與全球海洋溫度的監(jiān)測等方面。 聲波在海洋中的傳播規(guī)律

3、與海洋環(huán)境的定量關(guān)系：取決于海洋的邊界條件、海水的溫、鹽分布、海水中含有成分(如MgSO4)對聲波的吸收等；而且還受到海洋動(dòng)力因素和海洋時(shí)空變化的制約。,1.2海洋聲學(xué)研究內(nèi)容,正問題： 因海洋中的聲速鉛直分布不均勻而形成的深海聲道傳播特性，以及聲的波導(dǎo)傳播與非波導(dǎo)傳播； 海水因含MgSO4等化學(xué)成分引起的超吸收； 對遠(yuǎn)距離傳播有極大影響的海底沉積層的聲學(xué)特性； 沉積層的分層結(jié)構(gòu)和海底的不平整地形等的反射損失和散射； 內(nèi)波引起聲傳播振幅和相位的起伏； 海洋水層中浮游生物群和游泳動(dòng)物的聲散射； 大洋深處的湍流、渦旋對聲波傳播的影響以及海洋動(dòng)力噪聲、水下噪聲和海洋生物發(fā)聲等； 逆問題： 反過來又可

4、應(yīng)用上述的聲傳播信號(hào)特征尋求海洋內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和邊界狀態(tài)，如聲學(xué)方法監(jiān)測大洋溫度等，則為海洋聲學(xué)的逆問題。逆問題在開發(fā)海洋和研究海洋方面具有可觀的潛力。,1.3 海水中聲能的損失,海水、海面和海底構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜的聲傳播空間，聲波通過這個(gè)空間時(shí)，聲信號(hào)將減弱、延遲和失真，并損失部分聲能。 引起聲能損失的原因有：聲能在空間擴(kuò)展；海水介質(zhì)的吸收；海中氣泡、浮游生物和海水團(tuán)塊的散射；波動(dòng)海面的反射與散射；以及海底沉積層的反射和吸收等。,1.3.1海水的聲吸收 海水聲吸收是將聲能變?yōu)椴豢赡娴暮Ｋ肿觾?nèi)能，聲在流體介質(zhì)中的傳播過程近似地認(rèn)為是絕熱過程。 根據(jù)彈性理論，縱向應(yīng)力由切變和壓縮應(yīng)力組成，聲波對介質(zhì)

5、狀態(tài)的擾動(dòng)直接由壓力變化引起；或者是由于體積變化時(shí)相伴生的溫度升、降所致。流體介質(zhì)存在粘滯性與導(dǎo)熱性，介質(zhì)因壓縮變形而引起聲能耗散稱為機(jī)械能耗散。動(dòng)態(tài)壓縮時(shí)，分子間的非彈性碰撞使部分聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，通常稱這部分聲吸收為由分子過程引起的聲吸收。,1.3.2海面波浪的聲散射 如果海面平靜如鏡，可以看作理想的聲反射面。聲波在其上反射后，只有相位變化沒有能量損失。 波動(dòng)的海面有大量的氣泡和浮游生物，既是聲的反射界面又是聲的散射體。 海面波浪可看作兩部分疊加，即周期波(或準(zhǔn)周期波)和隨機(jī)波的疊加。 用周期、波長和波高等量描述波浪的特性，同時(shí)也用隨機(jī)過程的能量譜的概率密度分布、方差、相關(guān)函數(shù)等描述波浪特征

6、。 聲波入射到具有波浪的海面即相當(dāng)于入射到周期變化的不平整表面，因不平整性、氣泡和浮游生物的散射，一部分聲能彌散到其它方向而損失，只有那些遵從折射定律的聲波到達(dá)接收點(diǎn)。 所損失的聲能與海況和浮游生物有關(guān)。,1.4 海水中聲學(xué)特性,1.4.1海底聲學(xué)特性 海底是海洋的另一個(gè)聲反射和散射界面，它雖然是靜止不動(dòng)的，但海底表面粗糙不平，其組成成分因地而異，可從軟泥、沙質(zhì)到堅(jiān)硬的巖石。 海底沉積層各層的密度不同，因而各層的聲速值也不同； 相同的組成成分又因孔隙率的不同其聲速值也不同。 聲波經(jīng)過海底不僅有縱波也產(chǎn)生橫波。 因此海底的聲反射系數(shù)和海底底質(zhì)的聲吸收是表征海底聲學(xué)特征的重要物理量。海底的反射系數(shù)

7、與海底的密度和其中的聲速度有關(guān)，由于海底沉積物及分層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，實(shí)際測量中僅能測其綜合效果即海底反射損失，以分貝(dB)表示。 從現(xiàn)有資料可知，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為海底的吸收系數(shù)與頻率的關(guān)系接近線性關(guān)系。 表面波浪和大量氣泡引起的散射使聲能損失了一部分。,深海水下聲道 聲的超遠(yuǎn)距離傳播稱為聲道現(xiàn)象。世界各大洋區(qū)都有水下聲道。用射線的概念，很容易解釋水下聲道現(xiàn)象。大洋中各層海水的溫度、鹽度、靜壓力不同，各層的聲速也相應(yīng)不同。 在溫帶和熱帶的大洋深水區(qū)，由于水溫隨深度增加而下降，在某個(gè)深度上壓力對聲速有顯著影響，使c(z)曲線有極小值。若將聲源置于聲速極小值所在處，從聲源向各方向輻射的聲線束將按圖10-

8、10（圖略）中的路徑向聲速極小值所在的水層彎曲。此時(shí)聲速極小值上下的水層有類似透鏡聚焦的作用，將聲能的大部分限制在此水層間。聲速極小值所在的深度為聲道軸。 根據(jù)折射定律，從聲源向各方向輻射的聲線經(jīng)過一段距離后，重新會(huì)聚在聲道軸上下的水層中，所輻射的大部分聲能被限制在聲道軸上下具有一定厚度的水層中傳播，能量損失最小，聲能大部分集中的水層稱為聲道。 在極地海域，聲道軸上升到冰層以下的水面附近。有些近岸的大陸架海區(qū)，聲道軸約在水下60100m附近，這種情況稱為表面聲道。 有的海區(qū)有兩個(gè)聲道：一個(gè)是表面聲道，另一個(gè)是水下聲道。表面聲道常常是不穩(wěn)定的，聲波在表面聲道中不如在水下聲道中傳播得遠(yuǎn)。這是因?yàn)?

9、1.4.2淺海表面聲道 中國沿海廣闊海域大部屬于淺海大陸架海域，深度大多在200m以內(nèi)。聲吶在冬季的作用距離比夏季遠(yuǎn)得多。這是因?yàn)槎镜膫鞑l件為波導(dǎo)型，而夏季為反波導(dǎo)型傳播。中國大陸架淺海區(qū)冬季水溫鉛直分布基本上是均勻的，而由于靜壓力作用，下層聲速略大于上層，形成弱的表面聲道。 如果發(fā)射器有方向性，聲波在其間傳播，除海面波浪和氣泡的散射外，能量損失較小，因此傳播距離相對增加。其它季節(jié)里，多數(shù)海區(qū)出現(xiàn)溫度躍層。在中國近海黃海海區(qū)夏季可形成強(qiáng)的溫躍層，其它如渤海、東海也有弱的溫躍層。春季出現(xiàn)的溫躍層較弱，躍層的深度也較淺，秋季躍層逐漸變?nèi)?，至冬季上層變?yōu)榛旌蠈踊蛉醯呢?fù)梯度，此種傳播條件形成了淺海

10、表面聲道。,1.4.3海洋中聲的波導(dǎo)傳播和反波導(dǎo)傳播 在圖10-7a（圖略）中聲線沒有經(jīng)過海底而彎向海面反射回來，在此情況下不存在海底吸收和散射，所以冬季聲能的傳播距離較夏季遠(yuǎn)得多。這種聲線傳播路徑稱為海洋中聲的波導(dǎo)傳播。 于炎熱夏季的淺海中聲速隨深度的分布多為負(fù)梯度，從聲源輻射的聲線束彎向海底(10-7b)。由于海底對聲波的吸收和散射，經(jīng)海底反射回來的聲能減弱；特別是在圖中斜線表示聲的影區(qū)內(nèi)，沒有直達(dá)聲，只有散射聲。所以聲的傳播距離受到極大的限制，這就是在10.1.1中所說的“午后效應(yīng)”。這種聲的傳播路徑稱為反波導(dǎo)型傳播。 海水的溫度不僅隨深度變化，也隨晝夜變化，因此傳播條件是不穩(wěn)定的。表層

11、溫度比底層愈高，則聲線愈向海底彎曲，傳播的條件也愈差。夏季熱而無風(fēng)的天氣，表層溫度很高，故聲的傳播條件最差。,1.5 海洋的環(huán)境噪聲,看作干擾或視為信號(hào)，這取決于觀察者的意圖。 通常稱海洋本身的噪聲為環(huán)境噪聲，包括海浪飛濺形成的噪聲、風(fēng)與海浪表面相互作用產(chǎn)生的噪聲、擊岸浪發(fā)出的聲音、雨滴聲、海洋湍流、生物噪聲、海水分子熱運(yùn)動(dòng)所輻射的噪聲、遠(yuǎn)處航船噪聲和沿岸工業(yè)噪聲(指已形成平穩(wěn)隨機(jī)過程的隨機(jī)噪聲)、地震擾動(dòng)形成的低頻聲波、冰層破裂產(chǎn)生的噪聲、火山爆發(fā)以及遠(yuǎn)處風(fēng)暴引起的噪聲等等。 頻率從人耳聽不到的超低頻直到超聲頻段。在低頻范圍，海洋環(huán)境噪聲聽起來像低沉的隆隆聲；在高頻段則像煎炸爆裂的咝咝聲。

12、上述的噪聲源中有一些被稱做間歇噪聲源，如能發(fā)聲的海洋生物。甲殼類的蝦群，人們用水聽器在海中測聽到許多間歇性的嗚聲、哼聲、音節(jié)聲、呻吟聲、吼聲等，大半都是由海洋生物發(fā)出的。 時(shí)、空分布：是無規(guī)則的、運(yùn)動(dòng)的。,2 海洋的光學(xué)性質(zhì),主要研究海洋水體的光學(xué)性質(zhì)、光在海中的傳播規(guī)律、激光與海水的相互作用以及光學(xué)波段探測海洋的方法與技術(shù)。 核心問題：海洋輻射傳遞的研究或光在海洋中傳播規(guī)律的研究成為海洋光學(xué)基礎(chǔ)研究。 海洋光學(xué)調(diào)查的主要目的就是調(diào)查海洋的光學(xué)性質(zhì)或光在海中的傳播規(guī)律，同時(shí)由海洋光學(xué)參數(shù)的測量獲取各類海洋學(xué)參數(shù)，以便進(jìn)行海洋光學(xué)的各種研究。,研究過程： 19世紀(jì)初，人們在進(jìn)行海洋調(diào)查時(shí)，用一個(gè)

13、直徑30cm的白色圓盤(透明度盤)垂直沉入海水中，直到剛剛看不見為止時(shí)的深度，這一深度叫海水的透明度。將透明度盤提升至透明度一半深度處，俯視透明度盤之上水柱的顏色，稱為海水的水色。 19世紀(jì)末，海洋學(xué)工作者把海水光學(xué)性質(zhì)的研究和海洋初級(jí)生產(chǎn)力結(jié)合起來，并測量了海洋的輻照度。 20世紀(jì)30年代到60年代是海洋光學(xué)的形成階段。研制了水中輻照計(jì)、水中散射儀、海水透射率計(jì)、水中輻亮度計(jì)等海洋光學(xué)儀器，系統(tǒng)地測量了海水的衰減、散射和光輻射場的分布，積累了基本的海洋光學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)；對光在海洋中的傳播規(guī)律，尤其是海洋輻射傳遞理論也進(jìn)行了基本的研究。 60年代中期到80年代是海洋光學(xué)的發(fā)展階段。近代光學(xué)、激光和

14、光學(xué)遙感技術(shù)的發(fā)展大大開拓了海洋光學(xué)的研究領(lǐng)域，多光譜衛(wèi)星遙感技術(shù)已成為探測海洋的重要手段。,2.1海洋光學(xué)中的一些輻射量,海洋光學(xué)中有兩個(gè)基本的輻射度量，用于描述海中光場的分布。 是輻亮度L，它是指沿特定方向垂直于單位截面積并沿此方向單位立體角的輻射量大??； 輻照度E，它表示單位面積接收到的輻射量,2.2海-氣交界面的光學(xué)性質(zhì),入射到海水表面的光，一部分被反射回空氣中，一部分折射到海中。光在海面的反射和折射遵從光的反射定律和折射定律。 海面受到風(fēng)作用時(shí)產(chǎn)生隨機(jī)起伏，這種風(fēng)生的海面斜率的隨機(jī)分布屬于高斯分布，故海面的均方斜率和風(fēng)速成正比。在太陽高度較小或觀察角較大的情況下，當(dāng)風(fēng)速增加時(shí)，海面均

15、方斜率的增加使海面平均入射角減小，導(dǎo)致海面平均反射系數(shù)減小。在太陽高度較大或觀察角較小的情況下，當(dāng)風(fēng)速增加時(shí)，海面均方斜率雖然增加，但平均入射角變化不大，因此海面平均反射系數(shù)幾乎不隨風(fēng)速而變。,2.3光在海水中的衰減,光進(jìn)入海中，受到海水的作用將衰減。即使最純凈的水，這種衰減也是很嚴(yán)重的。引起衰減的物理過程有兩個(gè)：吸收和散射。 （1）海水中光的吸收：光能量在水中損失的過程就是吸收。吸收也存在不同的物理過程：有些光子是在它的能量變?yōu)闊崮軙r(shí)損失了，有些光子被吸收后由一種波長變?yōu)榱肆硪环N波長的光。 （2）海水中光的散射：散射時(shí)，光子沒有消失，只是光子的前進(jìn)方向發(fā)生了變化。 也導(dǎo)致水中準(zhǔn)直光束能量的衰

16、減 海水中引起光散射的因素很多，主要有水分子和各種粒子，包括懸移質(zhì)粒子、浮游植物及可溶有機(jī)物粒子等。 散射的機(jī)制主要有兩種：瑞利散射和米氏散射。水分子散射遵從瑞利散射規(guī)律；粒子的散射遵從米氏散射規(guī)律。清潔大洋水主要是水分子散射，沿岸混濁水主要是大粒子散射。,2.4 海洋光學(xué)儀器,測量海洋光學(xué)性質(zhì)的儀器可分為兩類： 測量海水固有光學(xué)性質(zhì)的儀器。因?yàn)楣逃泄鈱W(xué)性質(zhì)不受環(huán)境條件的影響，可采樣在實(shí)驗(yàn)室中測量，也可在現(xiàn)場測量，故這類儀器又分為實(shí)驗(yàn)室儀器和現(xiàn)場測量儀器兩種。 測量海洋表觀光學(xué)性質(zhì)的儀器。因?yàn)楸碛^性質(zhì)都與環(huán)境有密切的關(guān)系，故必須在現(xiàn)場觀測。 1）測定海水固有光學(xué)性質(zhì)的儀器：測定體積衰減系數(shù)的c

17、儀(或準(zhǔn)直光透射率儀)、測定體積散射函數(shù)的儀、測定總散射系數(shù)的b儀，其中儀和b儀都稱為水中光散射儀。 2）測定表觀光學(xué)性質(zhì)的儀器：輻照度儀和輻亮度儀。,2.5 水中光的輻射傳遞理論,海洋輻射傳遞是研究光輻射通過海洋水體受到多次散射和光譜吸收所導(dǎo)致的海洋中輻射場的變化。海洋輻射傳遞理論是海洋光學(xué)的基本理論，它是水中能見度、激光水中傳輸、海面向上光譜輻射等應(yīng)用研究的理論基礎(chǔ)。 （1）水中能見度 即水中視程，它比大氣能見度低得多，一般水平方向水中能見視程為大氣能見視程的千分之一。這主要因?yàn)楣庠诤Ｋ械乃p比大氣快得多。 描述水下圖像的質(zhì)量主要利用兩個(gè)參量： 對比度是描述水中目標(biāo)與背景之間輻射差別的參量 光學(xué)傳遞函數(shù)用于定義圖像分辨率的變化。,（2）水下目標(biāo)的對比度 輻亮度為L的物體，相對于一個(gè)輻亮度為Lb的均勻輻射背景，其對比度為：C=(LLb)/Lb。 在水中，由于水對物體輻射的吸收和多次散射，導(dǎo)致物體的對比度降低。自身不發(fā)光理想黑物