第2章海洋的声学特性.ppt

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1、 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，有助于海中目标探测、声信号识别、通讯和环境监测等问题的解决。sc1PSTcPSTs，海洋中的重要声学参数，也是海洋中声传播的基本物理参数。海洋中声波为弹性纵波，声速为：STPPSTccccc22.1449上式适用范围：-3T30、33S37 2525/109801/10013.1mNPmN个大气压 海洋中的声速c（m/s）随温度T（）、盐度S（）、压力P（kg/cm2）的增加而增加。经验公式是许多海上测量实验的总结得到的，常用的经验公式为：海水中盐度变化不大，典型值35；经常用深度替代静压力，每下降10m水深近似增加1个大

2、气压的压力；1（1oF-32）5/9。声速的数值变化虽然微小，但它对长距离传播声线的分布、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。精确计算声速有什么意义？精确计算声速有什么意义？PSTTc175.03514.1037.021.414502 P的单位是大气压。的单位是大气压。测量仪器设备：测量仪器设备：温度深度记录仪和声速仪。温度深度记录仪：温度深度记录仪：通过热敏探头测量水中温度，同时通过压力传感器给出深度信息，可以转换给出声速。声速仪是声学装置：声速仪是声学装置：声循环原理工作：声循环原理工作：前一个脉冲到达接收器，触发后一个脉冲从发射器发出，记录每秒钟脉冲的发射次数f，发射

3、器和接收器的距离L已知。声速：声速：c=fL。海洋中声速的垂直分层性质和声速梯度海洋中声速的垂直分层性质和声速梯度垂直分层性质：垂直分层性质：实测海洋等温线和等盐度线几乎是水平平行的，也就是说，声速近似为水平分层变化。zczyxc,海洋中声速的垂直分层性质和声速梯度海洋中声速的垂直分层性质和声速梯度声速梯度：声速梯度：PPSSTTcgagagadzdcg根据乌德公式 CsmTaT074.021.4 /14.1smaS atmsmaP175.0 声速梯度 PSTcgggTg175.014.1074.021.4 海洋中声速的基本结构海洋中声速的基本结构典型深海声速剖面：典型深海声速剖面：温度分布“

4、三层结构”：（1）表面层（表面等温层或混合层）：海洋表面受到阳光照射，水温较高，但又受到风雨搅拌作用。海洋中声速的基本结构海洋中声速的基本结构典型深海声速剖面：典型深海声速剖面：（2）季节跃变层：在表面层之下，特征是负温度梯度或负负声速梯度，此梯度随季节而异。夏、秋季节，跃变层明显；冬、春（北冰洋）季节，跃变层与表面层合并在一起。海洋中声速的基本结构海洋中声速的基本结构典型深海声速剖面：典型深海声速剖面：（3）主跃变层：温度随深度巨变的层，特征是负的温度梯度或负负声速梯度，季节对它的影响微弱。海洋中声速的基本结构海洋中声速的基本结构典型深海声速剖面：典型深海声速剖面：（4）深海等温层：在深海内

5、部，水温比较低而且稳定，特征是正正声速梯度。在主跃变层（负）和深在主跃变层（负）和深海等温层（正）之间，海等温层（正）之间，有一声速极小值。有一声速极小值。请解释一下深海声速梯度分布？请解释一下深海声速梯度分布？海洋中声速的基本结构海洋中声速的基本结构温度的季节变化、日变化和纬度变化：温度的季节变化、日变化和纬度变化：（1）季节变化：百慕大海区温度随月份的变化情况，夏季既有表面等温层，又有表面负梯度层；冬季有很深的表面混合层。季节变化对海洋深处的温度影响较小。海洋中声速的基本结构海洋中声速的基本结构温度的季节变化、日变化和纬度变化：温度的季节变化、日变化和纬度变化：（2）日变化：高风速：中午表

6、面温度受高风速的作用，出现明显的混合层。低风速：表面呈现负温度梯度，在早晨可能出现正温度梯度。海洋中声速的基本结构海洋中声速的基本结构温度的季节变化、日变化和纬度变化：温度的季节变化、日变化和纬度变化：温度的季节变化和日变化主要发生在温度的季节变化和日变化主要发生在海洋上层。海洋上层。海洋中声速的基本结构海洋中声速的基本结构温度的季节变化、日变化和纬度变化：温度的季节变化、日变化和纬度变化：（）纬度变化 在低纬度海域，主跃变层的深度较深。在高纬度海域，声速正梯度一直延伸到接近海洋表面。海洋中声速的基本结构海洋中声速的基本结构浅海声速剖面：浅海声速剖面：浅海声速剖面分布具有明显的季节特征。在冬季

7、，大多属于等温层的声速剖面，夏季为负跃变层声速梯度剖面。海水温度起伏变化海水温度起伏变化 描述海洋声速变化粗略近似：将温度和声速看成不随时间变化，只随深度变化；等温层是宏观而言，微观而言温度随时间起伏变化。温度起伏在下午和靠近海面最大。温度起伏原因多种多样：湍流、海面波浪、涡旋和海中内波等因素。声速描述声速描述 在水声学中，经常将声速表示成为确定性的声速垂直分布与随机不均匀声速起伏的线性组合：czcc特点：特点：在某一深度处有一声速最小值。声速垂直分布分类声速垂直分布分类深海声道声速分布：深海声道声速分布：0cZmZcZmZc0c特点：特点：在某一深度处有一声速极大值。形成原因：形成原因：在秋

8、冬季节，水面温度较低，加上风浪搅拌，海表面层温度均匀分布，在层内形成正声速梯度分布。声速垂直分布分类声速垂直分布分类表面声道声速分布：表面声道声速分布：c hZmZc特点：特点：声速随深度单调下降。形成原因：形成原因：海洋上部的海水受到太阳强烈照射的结果。声速垂直分布分类声速垂直分布分类反声道声速分布：反声道声速分布：Zc特点：特点：声速随深度单调下降。形成原因：形成原因：海洋上部的海水受到太阳强烈照射的结果。声速垂直分布分类声速垂直分布分类浅海常见声速分布：浅海常见声速分布：Zc反声道声速分布与浅海常见反声道声速分布与浅海常见声速分布有何不同？声速分布有何不同？声波传播的强度衰减（传播损失）

9、原因：声波传播的强度衰减（传播损失）原因：（1）扩展损失（几何衰减）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衰减。（2）吸收损失吸收损失：均匀介质的粘滞性、热传导性以及驰豫过程引起的声强衰减。（3）散射散射：介质的不均匀性引起声波散射和声强衰减。包括：海洋中泥沙、气泡、浮游生物等悬浮粒子以及介质本身不均匀性和海水界面对声波散射。扩展损失扩展损失 在理想介质中，沿x轴方向传播简谐平面波声压：kxtippexp020pI 传播损失为：dBxIITL01lg10扩展损失扩展损失 在理想介质中，沿r方向传播简谐球面波声压：传播损失为：kxtirppexp0220rpI dBrxI

10、ITLlg201lg10扩展损失扩展损失一般，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）n=0 适用管道中的声传播，平面波传播平面波传播 dBrnTLlg100TL扩展损失扩展损失（2）n=1 适用表面声道和深海声道，柱面波传播柱面波传播，相当于全反射海底和全反射海面组成的理想波导中的传播条件。rTLlg10（3）n=3/2 适用计及海底声吸收时的浅海声传播，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。rTLlg15扩展损失扩展损失（4）n=2 适用于开阔水域(自由场)，球面波传播球面波传播。rTLlg20（5）n=3 声波通过浅海声速负跃变层后的声传播。rTLl

11、g30（6）n=4 适用偶极子声源或计及平整海面虚源干涉的远场声传播，相当于计入声波干涉后，对球面波传播损失的修正。rTLlg40吸收系数吸收系数 在介质中，声吸收和声散射引起的声传播损失经常同时存在，很难区分开来。假设平面波传播距离dx后，由于声吸收而引起声强降低dI，则IdxdI2 xeIxI20 xIIx0ln21 xppx0ln1声压振幅的自然对数衰减为无量声压振幅的自然对数衰减为无量纲量，称为奈贝（纲量，称为奈贝（Neper）。）。吸收系数吸收系数 声强可以写成：10010 xIxI xppxxIIx00lg20lg10 吸收系数：单位距离的分贝数，dB/m 68.8lg20lnlg

12、200exppex声强之比的以声强之比的以10为底的对数为贝尔（为底的对数为贝尔（Bel），贝），贝尔值的尔值的10倍称为分贝（倍称为分贝（dB）。）。吸收系数吸收系数 Neper=8.68dB，声吸收引起的传播损失（吸收系数乘以传播距离）：I 1TL=10lg11I xxx x总传播损失（扩展吸收）总传播损失（扩展吸收）均匀介质的经典声吸收（粘滞性和热传导）：实际吸收系数的测量值远大于经典吸收系数理论实际吸收系数的测量值远大于经典吸收系数理论值，两者差值称为超吸收。值，两者差值称为超吸收。rrnTLlg10k纯水超吸收纯水超吸收 1947年，Hall提出水的结构驰豫理论，成功解释了水介质的超

13、吸收原因。曲线AHall理论计算曲线B经典声吸收海水超吸收海水超吸收海水超吸收原因：海水超吸收原因：海水中含有溶解度较小的MgSO4，它的化学反应的驰豫过程引起超吸收。在声波作用下，在声波作用下，MgSO4化学化学反应的平衡被破坏，达到新反应的平衡被破坏，达到新的动态平衡，这种化学的驰的动态平衡，这种化学的驰豫过程，导致声波的吸收。豫过程，导致声波的吸收。海水超吸收海水超吸收 Schulkin和Marsh根据225kHz频率范围内所作的大量测量结果，归纳的半经验公式：kmdBffBfffSfATTT/2221089.1A21072.2B27315206109.21TTf驰豫频率随温度升高而增加

14、驰豫频率随温度升高而增加。主要是主要是MgSO4MgSO4驰豫现象引起的吗？驰豫现象引起的吗？实验结果：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。这是由于NaCI对水分子结构变化产生影响所致。在高频，NaCI浓度越大，吸收越小。在在5kHz5kHz频率以下低频，声吸收又明显增加，比频率以下低频，声吸收又明显增加，比S-MS-M公式所给的结果更大，为什么？公式所给的结果更大，为什么？这是由于海水还存在包括硼酸在内的其它化学驰豫现象。海水超吸收海水超吸收 Thorp给出了低频段（驰豫频率约为1kHz）吸收系数的经验公式（适用4温度附近）：kmdBffff/41007.4

15、01102.02222 在低频，若计入纯水的粘滞系数，则吸收系数为：kmdBfffff/1006.341007.401102.0242222吸收系数与压力关系吸收系数与压力关系 随压力的增加而减小：深度每增加1km其吸收系数减小6.7%。H501067.61海水的声吸收系数与海水的声吸收系数与等因素有关，但盐度的影响较小；对于不同声等因素有关，但盐度的影响较小；对于不同声波频率，应选择不同的经验公式计算海水的吸收波频率，应选择不同的经验公式计算海水的吸收系数。系数。一般海水含有各种杂质，如气泡、浮游生物、悬浮粒子以及湍流形成温度不均匀区域等，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

16、的声吸收：热传导效应：热传导效应：气泡压缩、膨胀，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：粘滞性：海水对气泡压缩、膨胀的粘滞作用，也消耗部分声能。声散射：声散射：气泡压缩、膨胀形成二次声辐射，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影响。在有风浪的海面附近，由于风浪搅拌作用，会产生许多气泡，影响声传播。舰船航行形成尾流含有大量气泡，严重影响声传播。一艘驱逐舰以一艘驱逐舰以15节航速航行将产生节航速航行将产生500m长的尾长的尾流，流，8kHz衰减系数为衰减系数为0.8dB/m，40kHz衰减系数衰减系数为为1.8dB/m。1节节1海里海里/小时小时0.515米米/秒（秒（1海海里里1852米）米）海底对声传播影响海底对声传播影响海底结构、地形和沉积层 声波吸收、散射和反射 水声设备作用距离实验研究表明实验研究表明：海底声波反射系数与海底地形有明显依赖关系。对于高于几千赫频率声波，海底粗糙度是影响声波反射主要作用。海底对声传播影响海底对声传播影响反向散射强度反向散射强度ms：单位界面上单位立体角中所散射出去的功率与入射波强度之比。指向声