《计算海洋声学》读书笔记.doc

计算海洋声学读书笔记今天开始自学美国物理学会出版的“现代声学与信号处理”丛书之一的计算海洋声学一书，英文名称Computational Ocean Acoustics，作者：（美）Jensen F.B. , W.A.Kuperman, M.B.Porter, H.Schmidt，张润中、唐宗瑜译。本帖笔记为纸质笔记本上的二次摘选。多数为自己的理解，如果正确，权作备忘；如果错误，敬请指正。希望从今天起，人生有所改观。第1章 海洋声学基础1.1 引言1. 什么是“声掩蔽”？简单地说就是，由于波的相互干扰，而使得有些波（信号）被“掩盖”了，不易被察觉。例如，在一个漆黑的房间中，一个手电筒不停地开关开关，这时候，手电筒的光很容易看到，甚至分散人的注意力；如果把房间的灯打开，而手电筒同样还是在不停地开关开关，这时候手电筒的光就不容易被看到了，因为它被“掩盖”了。相互干扰的波（信号）所组成的系统，可称为“声掩蔽系统”。如，可以人为地将一些比较顺耳的背景声音加的环境中，“掩蔽”掉分散人注意力的一些声音（信号），从而改善工作环境，提高工作效率。这就是一种“声掩蔽系统”的工作原理。2. 什么是“射线理论”？一般认为“射线理论”针对于“波动理论”，是指粒子运动理论。将物体运动理解为粒子沿曲线（射线）运动，并有运动轨迹。特别在光学和电磁学领域，射线理论和波动理论长期处于争斗之中。爱因斯坦的波粒二象性指出，光既有粒子特性，也有波动特性扯远了声学中的“射线”概念是对波动理论的一种近似而得出的，是研究声波传播的一种重要工具。1.2 海洋声学环境1. 声速（c）声速c是温度T、盐度S、深度z的递增函数。一般经验函数简化地表示为：c = 1449.2 + 4.6T - 0.055T + 0.00029T + ( 1.34 - 0.01T )( S - 35 ) + 0.016z其中单位，T：摄氏度，S：克（或质量千分数），z：米。“下午效应”：略（百度百科有）。2. 海水分层（按声学特性）：混合层（等温层）、温跃层、深海等温层（恒温4）。一般在温跃层与深海等温层间有个声速极小值，此深度成为“深海声道轴”。“波导”：实际大气和海洋中，由于边界或者由于介质的不均匀性对波能的折射或反射，使得波能被局限在有限区域或通道内，这样的区域或通道称为波导。1.3 一些声学预备知识1. 声强声传播时也伴随着能量的传播。用单位时间内通过垂直于声波传播方向的单位面积的能量（声波的能量流密度）表示。声强的单位是瓦/平方米。声强的大小与声速成正比，与声波的频率的平方、振幅的平方成正比。声音强度由振动幅度的大小决定。以能量来计算称声强，以压力计算表示时称声压。声强（I）与声压（P）的关系为：I = P/(c) （此时P为有效值，若P为幅值，则 I = P/(2c) ）其中-介质密度，c-声速。2. 声强级为了简化表示，一般用声强级来表示声音的强度（如声源级、噪声级等）。某一处的声强级，是指该处的声强与参考声强的比值，取常用对数后再乘以10，度量它的单位为分贝，符号为dB。如：SIL=10lg(I/Io)，Io表示参考声强。一般公认的参考声强是：均方根声压为1Pa的平面波的声强。由声强与声压的关系：I = P/(c)，及海水中c=1.5*106 kg/(ms)，则1Pa的平面波的声强为0.67*10-18 W/m（0dB=1Pa）。 声压级，其实就是声强级写成声压表示的形式：SPL=20lg(P/Po)。 【I=10lg(I/Io)=10lg(P/Po)=20lg(P/Po)，均匀介质】3. 谱级考虑带宽时的声强级。常用的参考带宽为1Hz。4. 传播损失是信号强度随距离变化的标准量度。定义为：声场中某一点的声强与距离声源1m处的声强之比（取对数乘-10）。简言之，就是某点相对于参考点（声源1m处）的声强级（取负值）。即：TL = -10 lg I(r,z) / Io = -20 lg |P(r,z)| / |Po| 两种主要的几何扩展规律：球面扩展：I1/(4r)，TL = 20 lg r 【dB re 1m】；柱面扩展：I1/(2rh)，TL = 10 lg r 【dB re 1m】。传播损失可认为是“几何扩展损失”与“衰减损失”之和。20110718海口讨论：有关1.2节声速经验公式的讨论。c = 1449.2 + 4.6T - 0.055T + 0.00029T + ( 1.34 - 0.01T )( S - 35 ) + 0.016z比较容易看出：c是z的增函数，c是S的增函数（T100）；但不易看出；c是否T的增函数，或增区间与S有什么关系。下面来讨论：c对T的导数：c / T = 0.00087T - 0.11T +4.95 - 0.01S = 0.00087(T-63.2184)+1.4730-0.01S是个关于T的二次函数，分情况讨论：当S147.30时，c / T 0，此时c恒为T的增函数；当S147.30时，c/T 的两个零点为：T1,T2 = (0.01S-1.4730)/0.00087 + 63.2184对于右侧零点：当S(0.0008736.7816+1.4730)100265.0011，即T2100时，在T2,100内有c/T0；对于左侧零点：当S(0.0008763.2184+1.4730)100495.0013，即T10时，在0,T1内有c/T0；另外，当S495.0013时，c/T0，此时在0,100内c恒为T减函数。综上，S取值与T的c增减关系如下：当 495.0013S1000 时，在 0,100 内c均不是T的增函数；当 265.0011S495.0013 时，仅在 0,T1 内c为T的增函数；当 147.30S265.0011 时，仅在 0,T1T2,100 内c为T的增函数；当 0 A=A0exp(-x) 【A0是x=0时的均方根幅度】衰减系数常以分贝的形式表示，如：表示成单位距离的，=Loss/x=-20lg(A/A0) /x=20lge8.686；表示成单位波长数的，=Loss/N=-20lg(A/A0) /x=20lge8.686；2. 海水中的衰减“弛豫”：“反应比诱因在时间上要延缓一段时间，这就叫弛豫”；“从非平衡态（旧平衡打破后）逐渐恢复到平衡态的过程称为弛豫过程”。“粘滞性”：流体内部以内摩擦的形式抵抗外部剪切力造成的形变的性质。【牛顿粘滞定律】“体积粘滞性”：？海水衰减系数与频率的关系(经验式)： 3.310- + 0.11f/(1+f) +44f/(4100+f) + 3.010(-4) f 【dB/】20110721海口1.6 海底损失“压缩波”：是指弹性媒质中使媒质各部分改变体积而转动的波。压缩波在数学上是速度场中旋度为零的波。在无限均匀气体和固体中传播的纵波就是压缩波的一种形式，其媒质中的质点运动方向与波传播方向一致。*“在气体动力学中，波是扰动区和未扰动区的分界面。若穿过此界面，扰动使气体的压强升高，则此波称为压缩波；反之称为膨胀波。”“切变波”：是指弹性媒质中使媒质各部分变形而体积不变的波。切变波在数学上是速度场的散度为零的波。切变波也是横波。传播速度等于切变弹性模量和材料密度比值的平方根。“孔隙度”：在自然状态下材料中的的孔隙体积与材料体积之比，叫材料的