第4章 典型傳播條件下聲傳播3.ppt

1、第4章 典型傳播條件下的聲場,深海負梯度、深海負躍層和淺海表面聲道,特點 從聲源出發(fā)的聲線向海底折射，不再反轉(zhuǎn)回聲源所在的水平面上，與前面介紹的波導(dǎo)傳播情況相反，故稱為反波導(dǎo)傳播。,1、深海負梯度,存在一個與海面相切的極限聲線； 在極限聲線以內(nèi)為聲亮區(qū)； 在極限聲線以外為聲影區(qū)（直射聲線無法達到）。,1、深海負梯度,幾何作用距離 從聲源到觀察點深度影區(qū)邊緣的水平距離。,1、深海負梯度,設(shè)聲速分布的相對聲速梯度為a，則幾何作用距離：,通常聲影區(qū)不存在通常意義上的聲線，可引入衍射聲線概念。,特點 聲速顯著減小的水層。聲線通過負躍層時，聲線明顯彎曲，聲強減弱，對聲納作用距離影響很大。 聲道模型 負躍

2、層上方介質(zhì)聲速為 ，下方介質(zhì)聲速為 ，且 ，負躍層較薄。,2、深海負躍層,聲線經(jīng)過負躍層折射后，波陣面展寬，聲強減弱。,2、深海負躍層,設(shè)聲源位于層上方 ，則可求得傳播至層下方 水平距離r：,設(shè)聲源單位立體角的輻射功率為W，則射線聲學(xué)聲強公式為：,2、深海負躍層,若接收點位于負躍層的下方鄰近：,若接收點位于負躍層的上方鄰近，聲線未形成折射：,經(jīng)躍變層的傳播損失為：,2、深海負躍層,聲波經(jīng)過負躍層引起聲能損失,當(dāng) （相當(dāng)水溫有10以上變化）時，聲源掠射角 ，則 ；聲源掠射角 ，則 。,淺海與深海的劃分原則 海底對聲傳播影響的程度來劃分；深海可忽略海洋界面對聲傳播的影響；淺海的聲傳播明顯受海面和海

3、底邊界的影響。 淺海聲場 直達聲和海底、海面反射聲疊加，比深海聲場復(fù)雜。,3、均勻淺海聲場,淺海平均聲強 聲線經(jīng)過多次海面、海底反射，考慮海面、海底反射引入的損失，同時也計入海水介質(zhì)聲吸收，引入衰減因子：,3、均勻淺海聲場,為海水介質(zhì)的吸收系數(shù)； 為聲線對海底或海面的反射次數(shù)，對于遠距離傳播，海底和海面的反射次數(shù)近似相等； 為海底反射系數(shù)； 為海面反射系數(shù)。,平均聲強：,3、均勻淺海聲場,（1）硬底、聲速均勻淺海,3、均勻淺海聲場,聲速均勻,絕對反射,聲線跨度：,平均聲強：,（2）海底有吸收的均勻淺海,3、均勻淺海聲場,海底反射系數(shù)：,海底三參數(shù)模型中的Q,（2）海底有吸收的均勻淺海,3、均勻

4、淺海聲場,考慮海底聲吸收，海底聲速為復(fù)數(shù)，則可求得：,可由試驗數(shù)據(jù)求得,平均聲強：,3/2次方規(guī)律衰減,（3）3/2次方衰減率的適用距離,3、均勻淺海聲場,掠射角 的最大有效值量級為：,傳播簡正波的總數(shù)：,（3）3/2次方衰減率的適用距離,3、均勻淺海聲場,根據(jù)計算平均聲強的要求：,最大距離滿足：,3、均勻淺海聲場,此時僅有一階簡正波對聲場有貢獻，利用聲場的簡正波解可導(dǎo)出聲強的衰減規(guī)律。經(jīng)數(shù)學(xué)推導(dǎo)：,（4） 時聲強衰減率規(guī)律,若考慮海面反射損失，則有：,傳播損失 聲強隨距離衰減平均規(guī)律 （1）球面擴展,3、均勻淺海聲場,（2）3/2次方衰減率介質(zhì)吸收,（3）柱面擴展介質(zhì)吸收界面吸收,傳播損失

5、半經(jīng)驗公式,3、均勻淺海聲場,距離參數(shù)km,海水深度m,混合層厚度m,（1）近距離rR,（2）中等距離Rr8R,（3）遠距離r8R,近場異常衰減dB,海水吸收系數(shù)dB/km,淺海衰減系數(shù)dB/km,淺海聲場的虛源表示 射線理論：將海面和海底的反射聲線視為由各自的虛源發(fā)出的聲線，虛源數(shù)目與考慮的聲線反射次數(shù)有關(guān)，數(shù)目趨于無窮，則求得淺?？偮晥?。 （1）硬底均勻淺海 假設(shè)淺海聲速均勻?qū)由顬镠，海面為平整自由界面，海底為平整硬界面。,3、均勻淺海聲場,（1）硬底均勻淺海,3、均勻淺海聲場,點源 位于坐標(biāo) 處，觀察點位于坐標(biāo) 處，歸一化的直達波聲壓：,海底一次反射聲線，它由虛源 發(fā)射聲線，與直達聲疊加

6、：,（1）硬底均勻淺海,3、均勻淺海聲場,前面求得的聲壓滿足下界面條件，但不滿足上界面條件?？紤]上界面，需引入再兩個虛源 和 ：,（1）硬底均勻淺海,3、均勻淺海聲場,前面求得的聲壓滿足上界面條件，但不滿足下界面條件，恢復(fù)下界面對稱性，需再疊加兩個虛源 和 ：,（1）硬底均勻淺海,3、均勻淺海聲場,六點源關(guān)于海底界面對稱，滿足下界面邊界條件，破壞了上界面對稱性。需繼續(xù)增加虛源對數(shù)。每增加一對虛源，相應(yīng)于多計入一次海面或海底的反射聲線。虛源階數(shù)越高，聲線經(jīng)過海面和海底反射次數(shù)越多，虛源離觀察點距離越遠，對合成聲壓貢獻越小。則總聲場可寫為：,（2）一般均勻淺海,3、均勻淺海聲場,若令 為下界面的聲壓反射系數(shù)， 為上界面的聲壓反射系數(shù)，不同虛源聲線有不同的入射角 。如果假設(shè)反射系數(shù)與聲線入射角無關(guān)，則有：,即使反射系數(shù)與聲線入射角有關(guān)，則上式也近似成立。,注意：,4、淺海表面聲道,前面我們介紹的表面聲道有關(guān)計算適用于深海表面聲道情況。 淺海表面聲道形成：在冬季，由于冷空氣和風(fēng)浪攪拌作用，淺海也經(jīng)常形成表面聲道（等溫層或弱正聲速梯度分布）。 淺海表面聲道，除了翻轉(zhuǎn)聲線外，還有經(jīng)海底反射的聲線存在，該聲線以較小掠射角入射到海底，反射信號較強，對淺海表面聲道的聲傳播有明顯影響。,4、淺海表面聲道,淺海表面聲強可表示為：,海底反射聲線平均聲強,反轉(zhuǎn)聲線平均聲強,由于計