第三章-海洋的声学特性.docx

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1、第三章海洋的声学特性本章从声学角度讨论海洋、海洋的不均匀性和多变性.弄清声信号传播的环境,有助干海中目标探测、声信号识别、通讯和环境监测等问即的解决。3.1海水中的声速声速，海洋中重要的声学参数,也是海洋中声传播的最根本物理参数.海洋中声波为弹性纵波,声速为：式中，密度P和葩热压缩系数民都是温度T、盐度S和静压力P的函数，因此，声速也是T、S、P的函数。1、声速经收公式海洋中的声速C（WtZv）温度T（七）、盐度S（%。）、压力Pkcnr的增加而增加.经脸公式是许多海上祗量实验的总结得到的，常用的经脸公式为：，较为准确的经兼公式：式中.cr=4.62337-5.4585IO-2T2+2.822

2、IO4T3-5.07KrT上代适用范围:-3CTM）C,33%vSv37%,1.013/10,汽/，/（1个大气压）P9801.0N/,/.海水中盐度变化不大，典型值35%。：经常用深度普代静压力,每下降Iom水深近似增加1个大气压的压力。声速r的数值变化虽然微小，但它对长地离传播南线的分布、射程、传播时间等量的影响很大，因此需要有准确的声速数值,但上式计算比拟繁顼，在精度要求不太高时，可使用比拟简单的姓裟公式，许多文献资料，掷给出较为简单的声速经验公式，这里介绍叵侬或:式中.压力P的位是大气压,Wm=1.OI3N112、声速涌常用的测量仪器设备为：谓度深度记录仪和声速仪.温我深度记录仪通过热

3、敏探头冽豉水中温度同时通过压力传感器给出深衣信息,这样就可以转换给出声速。声速仪是声学装置，它是通过测球发射而频短脓冲次数，它用“内循环”原理工作：前一个脉冲到达接收器.触发后一个脉冲从发射器发出,记录每杪钟脉冲的发射次数/.发射器和接收器的即-离那么声速为：C=.3、海洋中的声速变化（一）海洋中声速的垂亶分层性质和声速梯度实测海洋的等温战和等盐度戌几乎是水平平行的，也就是说，声速近似为水平分层变化。因此，在式中，打、心、8分别为温度梯度、和压力的变化率（偏微分）：根据乌伤公式，那么得：ar=4.21.-0.74Tas=1.14（mCap=0.175nsa声速梯度：gc=（4.1.2-0.74

4、T1.v,（二）海中声速得根本结构（I）典型深海声通剖面温度垂直,分布的“三层结构”：A4k-Krt（乩M也也1.Eiem人E1.盐度梯度和压力梯度：5、%、Op分别为声速对温僮、拉便（.ntsyrcm+1.1.s+O.I75gr表面B,通（卡号）Um1-15088/IS24外如显刷-j-xJm海洋中声速x.y.z）=z）,z为垂直坐标，限F为水平坐标。声速梯度:光照射水温较高,但又受到风雨搅拌作用.鬻/1季节跃变层：在外表层之下，特征足他的温度9M一（一一度或声速悌度，此梯度随季节而异.夏、秋季胴雪层明显：冬、#（北冰洋）季节.班交匚,gjN外表层合并在一起.今主跋变层：海度随深度巨变的层,

5、特征是负的2744度梯度或声速梯度，季节对它的影响微弱。深海等温层：在深海内部，水潮比拟低而且稳3660-特征是正声速梯度.在主跃变层（负）和深海等温层（JE）之间，速极小伯，速择,伯海的温度分布,（2）度的季节变化、日变化和纬度文化温度的季节变化和日变化主要发生在海洋上层.图为近门慕大海区温度随月份的变化情况.夏季跳行外表等温层.季节跃支层9JS梯节，f*等层与.有一声又有外表负梯度层：冬季有很深的外衣混合层。季节变化而海洋深处的湿度影响较小“F1.变化；裔风速中午外表温度，受高风速的作用,温位梯度,在燃，可能出现正温度梯度，在低纬度海域,主跃变层的深度较深：在高纬庆海域（3）浅海声速剖面浅

6、海常递剖面分布具有明显的季节特征,在冬季,腐于等温层的内速网面,殳季为负跃变层声速梯度剖面.（三）海水阻度的起伏变化前面，我们将温度和声速看成不遂时间变化，只随出现明显的混合层；低风速一一外表呈现负声速正梯度一直延伸到接近海洋外表.在TEIyry,招窣大多v71.1.1.N1.bE1./，J浮W加3437SWM月份变化，这是海洋描述再速变化的粗略近似，等温层是宏观而言，激观而言温度随肘间起伏变化的。般,温僮起伏在下午和靠近海面到达最大.温度起伏的原因多种多样：湍波、海面波浪、涡旋和海中内波等因案.在水声学中,经常将声速表示称为确定性的声速率H分布与随机不均匀声速起伏的线性组合：C=tz)+c。

7、宏观而言，声速分布分成四类：(I)深海声道声速分布图中S)和(b)为深海声道典型声速分布,在某一深度二处有一声速最小值.而这不同之处：图（八）外衣声速小于海底声速；图(bJ外表声速大于海底声速。(2)外衰声道声速分布图中(C)为外表声道声速分布，在某一深度J处有一声速极大伯.形成原因：在秋冬季节,水面墨度较低,加上风浪搅拌,海外表层温度均匀分布,在层内形成正声速梯度分布。(3)反声道声速分布图中IdJ为反声道声速分布，泮速的深度单调下降。形成原因：海泮上部的海水受到太阳强烈照射的结梁.(4)浅海常见声速分布图中(C)为浅海常见声速分布.声速随深度单调下降.形成原因；海洋上部的海水受到太阳强烈照

8、射的结果,图(e)与图(d)不同之处：前者是浅海中的负速度分布，滞计入海底时声传播的影响.3.2海水中的声吸收1、传播KK述声波传播的强度衰减(传播损失)原因：(1)扩展损失(几何衰减)：声波波阵面在传播过程中不断扩展引起的声强我战。(2)吸收损失：均匀介顺的粘滞性、热传导性以及其它地侬过程引起的再覆衰减，(3)散射：介顺的不均匀性引起的声波散射和比强衰减,包括：海洋中泥沙、气泡、浮游生物等悬浮粒子以及介质本身的不均匀性和海水界面对声波的放射.1JJH在理想介质中,沿X轴方向传播的简谐平面波声乐可写成为：平面波声乐幅值外和声强忌均不随距阳N变化的常数，因而,平面波波阵面不随距离扩展，没有扩展根

9、失。传播损失表示泮传播食M：即在理想介质中,平面波的T1.等于OdB.在理想介质中.沿，方向传播的简谐球曲波声压可写成为：平面波声压幅值pjr和声强/Xp1.r2均匐距离r变化.因而,球面波T1.：一般，可以把扩展损失写成；根据不同的传播条件,n取不同的数值：（1） M=O适用管道中的声假播,平面波传播，T1.=O.（2） =1适用外表声道和深海声道，柱面波传播，T1.=K）I8，.相当于全反射海杼和全反射海面组成的理想波导中的传播条件.（3）11=32适用计及海底声吸收时的浅海泮传播，T1.=I51gr,相当于计入界面声吸收所引起的对柱面波的传播损失的修正。（4）n=2适用于开阔水域（自由场

10、），球曲波传播，77,=201.（51n=3声波通过浅海声速负氏变层后的声传播.71-301.gr.（6）=4适用供板子声源或计及平整海面虚源干预的远场声传播，T1.=40r,相当于计入声波干预后，对球面波传播报失的憾正。Ja1.在介质中，肉吸收和声散射引起的出传播损失铃常同时存在,很难区分开来.快设平面波传播即禹云后,由于声吸收而引起声强降低d/.那么式中，尸0是比例常数，负号表示力是声强的负标量（0）积分得声强：对上式取自然对数得也可表示为：声压振帼的1*1然对数哀减为无fit纲量,称为奈贝（Neper）.I：式为单位即离的奈贝数,Ncperzm.实际上经常将声强写成下式：那么有式中，称为

11、吸收系数。声强之比的以10为底的对数为贝尔（Be1.）,贝尔伯的IO倍称为分贝SB；。吸收系数“原位是地位距理的分贝数.dBnu即INePer=8.6&1B.声吸收引起的传播损失为（吸收系数乘卜.传播扣肉：总传播损失（扩散加吸收）等于均匀介质的经典内吸收：=%+其中1,为介顺切变粘滞的油吸收系数；%为介质热传导声吸收系数.实际吸收系数的测负值远大于羟典啜收系数理论值，两者差值称为超吸校.2、纯水和海水的超吸收（一）纯水的超吸收1947年，Ha1.1.提出了水的结构地像理论，成功解择了水介质的超吸收原因.图中曲线A:HaI1.理论计算曲线）和B（经典泮吸收）垂直坐标之差为纯水的超吸收。吸收她像坏

12、，到性跳详细理论见何祚训编著声学根底3（P378-38（二）海水的超吸收海水声吸收系数值领率变化的冽状值见下列图.海水超原因：海水中含有溶解度较小的MgSO,，它的化学反响的过程引起超吸收.:在海中声波作刖下，MgSOi的化学反响的平衡被破达新的动态平衡，这种化学的触像过程，导诙河波的吸收。Schu1.kin和Marsh根据225kHz频率范国内所作的大E测M结果，归纳的半羟裟公式；式中，A=1.89x1.O-2:8=2.72x10-2：S为盘度（）:/为声波频率kHz）：分为驰狡柒率（kHz）：式中,T为摄氏温度（-C）t驰梗城率随温度升高而增加（3CM）C.73kHz-206kHzE画。主

13、要是MgSOj地像现象引起的吗？实粉结果；解水中含有溶解度很大的NaC1.NaCI的存在使得海水邮吸收反而下降,这是由TNaCI对水的分子结构变化产生膨响所致。在裔频，NaC1.浓度超大，吸收越小.O在5kHz短率以下低频.声吸收乂明显增加，比S-M公式所给的结果更大,为什么？这是中于海水还存在包括网酸在内的其它化学地像现象。Thorp给出了低频段（弛做频率约为IkHZ）吸收系数的经验公式：上式适用4C温位附近的吸收系数,在低频,假设计入纯水的拈滞系数，原么吸收系数为：吸收采数与压力的关系:的乐力的增加而减小：式中,如为水面吸收系数值：为水深（m）深度每增加Ikm其吸妆系数减小6.7%。g:海

14、水的声吸收系数与声波频率、温度、压力、盐度等因素有关.但盐度的影响较小：对I不同声波物率，应选择不同的经验公式，来计随海水的吸收系数,3、非均匀液体中的声表充一般海水含有各种杂质,入气泡、浮游生物、悬浮粒子以及淌流形成温度不均匀区域等一一海水的非均匀性它将增加海水的声传播损失含有气泡群的海水具有非常高的声吸收：令热传疗效应；气泡压缩、膨眠，内部温度升高，发生热交换，声能转化为热能而消耗掉。粘滞性：海水对气泡压缩、膨张的粘滞作用，也消耗局部声能.。声侬射：气泡压缩、膨版形成二次声幅射.对入射声产生散射,使声能明显减小.海洋内部气泡密度很小，可以忽略它对声吸收的影响.在有风浪的海面附近.由于风浪的搅拌作用.会产生许多气泡，影响声传播，视船航行形成的尾流也含有大量气泡，严重影响声传播H俄驱逐假以15节航速航行将产生50Om长的尾流，8kHz兖减系数为0.8dB.,n,40kHz衰M系数为1.8dBm.1节=1海里切、时=0.515米/秒（I海里=1852米为3.3海底海底结构、地形和沉积层是影响声波住播的杀要因素，它对声波的吸收、散射和反射等声学特性，关系到水声设备作用距寓底远近.实验研究说明，海底声波反射系数J海底地形仃明显的依赖关系。时于高于几标频率的声波，海的粗糙美是影响声波反射的主要作用。右图给出不同频率，深