第2章海洋的声学特性

1、第第2 2章章 海洋的声学特性海洋的声学特性水声学第2章 海洋的声学特性2 从声传播角度讨论海洋声学特性、海洋的不均匀性和多变性，了解水声信号传播的信道环境，为声纳设计和声纳性能预报提供理论依据。水声学第2章 海洋的声学特性32.1 2.1 海水中的声速海水中的声速 1cTSPc TSPTSP， ， ， ， 声速是海水中最重要的声学参数，也是影响声波在海洋中传播的最基本的物理量。 海水中声波为弹性纵波，声速表达式为：Temperature、Salinity、Pressure绝热压缩系数：水声学第2章 海洋的声学特性42.1 2.1 海水中的声速海水中的声速 STPPSTccccc22.1449

2、适用范围：-3T30、33S37 2525/109801/10013. 1mNPmN个大气压 海水中的声速c（m/s）随温度T（）、盐度S（）、静压力P（kg/m2）的增大而增大。其中，温度的影响最显著。 通过大量海上声速测量数据，总结可得到声速经验公式。较精确的经验公式为：水声学第2章 海洋的声学特性52.1 2.1 海水中的声速海水中的声速 海水中盐度变化不大，典型值取35； 经常用深度替代静压力，水深每下降10m压力近似增加1个大气压； 1（1oF-32）5/9。水声学第2章 海洋的声学特性62.1 2.1 海水中的声速海水中的声速 精确计算声速有什么意义？精确计算声速有什么意义？ 水声

3、学第2章 海洋的声学特性72.1 2.1 海水中的声速海水中的声速 测量仪器设备：测量仪器设备：温深仪（温度深度记录仪）和声速仪。温深仪：温深仪：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。 水声学第2章 海洋的声学特性82.1 2.1 海水中的声速海水中的声速 声速仪是声学装置声速仪是声学装置 工作原理：声循环工作原理：声循环 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，发射器和接收器的距离L已知。 声速：声速：c=fL。 水声学第2章 海洋的声学特性92.1 2.1 海水中的声速海水中的声速 声速剖面仪声速剖面仪SVP So

4、und Velocity Profile 温盐深测量仪温盐深测量仪CTD Conductivity, Temperature, Depth 抛弃式温度测量仪抛弃式温度测量仪XBT eXpendable BathyThermograph水声学第2章 海洋的声学特性102.1 2.1 海水中的声速海水中的声速 海上实验现场吊放海上实验现场吊放水声学第2章 海洋的声学特性112.1 2.1 海水中的声速海水中的声速 海水温度测量结果（海水温度测量结果（20012001年中美联合考察）年中美联合考察）水声学第2章 海洋的声学特性122.1 2.1 海水中的声速海水中的声速 海水温度、声速测量结果（海水

5、温度、声速测量结果（20022002年）年）水声学第2章 海洋的声学特性132.1 2.1 海水中的声速海水中的声速 1）海水中声速的垂直分层性质）海水中声速的垂直分层性质 实测海洋等温线和等盐度线几乎是水平平行的，在不同深度上取不同的值。温度、盐度和静压力均具有水平分层和随深度变化的特性，所以声速具有水平分层和随深度变化的特性。 zczyxc,水声学第2章 海洋的声学特性142.1 2.1 海水中的声速海水中的声速 声速梯度：声速梯度：表示声速随深度变化的快慢。PPSSTTcgagagadzdcg根据经验公式 CsmTaTo109. 0326 . 4ooo/391. 1smaSatmsmaP

6、601 . 0声速梯度PSTcgggTg16. 0391. 1109. 0-623. 4水声学第2章 海洋的声学特性152.1 2.1 海水中的声速海水中的声速 2）海水中声速的基本结构）海水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“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。 水声学第2章 海洋的声学特性162.1 2.1 海水中的声速海水中的声速 2）海水中声速的基本结构）海水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。

7、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。 水声学第2章 海洋的声学特性172.1 2.1 海水中的声速海水中的声速 2）海水中声速的基本结构）海水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。 水声学第2章 海洋的声学特性182.1 2.1 海水中的声速海水中的声速 2）海水中声速的基本结构）海水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）和深海在主跃变层（负）和深海等

8、温层（正）之间，有一等温层（正）之间，有一声速极小值声速极小值声道轴。声道轴。 水声学第2章 海洋的声学特性192.1 2.1 海水中的声速海水中的声速 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？水声学第2章 海洋的声学特性202.1 2.1 海水中的声速海水中的声速 2）海水中声速的基本结构）海水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。 水声学第2章 海洋的声学特性212.1 2.1 海水中

9、的声速海水中的声速 2）海水中声速的基本结构）海水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。 水声学第2章 海洋的声学特性222.1 2.1 海水中的声速海水中的声速 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。 水声学第2章 海洋的声学特性232.1 2.1 海水中的声速海水中的声速 2）海水中声速的基本结构）海水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

10、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，等温层一直延伸到接近海洋表面。 水声学第2章 海洋的声学特性242.1 2.1 海水中的声速海水中的声速 2）海水中声速的基本结构）海水中声速的基本结构浅海温度剖面：浅海温度剖面： 浅海温度剖面分布具有明显的季节特征。在冬季，大多属于等温层的温度剖面，夏季为负跃变层温度梯度剖面。 水声学第2章 海洋的声学特性252.1 2.1 海水中的声速海水中的声速 3）海水温度和声速的起伏变化）海水温度和声速的起伏变化海洋声速变化粗略近似描述：将温度和声速看成不随时间变化，只随深度变化； 实际海水是随时间和空间起伏变化，等温层是宏观而言

11、，微观而言温度随时间起伏变化。 一般海水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。 水声学第2章 海洋的声学特性262.1 2.1 海水中的声速海水中的声速 特点：特点：(1)在某深度处有一声速最小值（此深度为声道轴）。(2)声道轴随纬度变化，两极最浅，赤道最深。4）常见海水声速分布概要）常见海水声速分布概要深海声道声速分布：深海声道声速分布：0cZmZcZmZc0c水声学第2章 海洋的声学特性272.1 2.1 海水中的声速海水中的声速 特点：特点：在某深度处有一声速极大值。形成原因：形成原因：在秋冬季节，水面温度较低，加上风浪搅拌，海表面层

12、温度均匀分布，在层内形成正声速梯度分布。 4）声速垂直分布分类）声速垂直分布分类表面声道（混合层声道）声速分布：表面声道（混合层声道）声速分布： c hZmZc水声学第2章 海洋的声学特性282.1 2.1 海水中的声速海水中的声速 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，海水温度随深度不断下降。 4）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水声学第2章 海洋的声学特性292.1 2.1 海水中的声速海水中的声速 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。 4）声速垂

13、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声速分布有何不同？反声道声速分布与浅海常见声速分布有何不同？ 水声学第2章 海洋的声学特性302.1 2.1 海水中的声速海水中的声速 5）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在后面章节将分别讨论确定性声速分布和声速起伏对声传播的影响。水声学第2章 海洋的声学特性312.2 2.2 海水中的声吸收海水中的声吸收 声波传播的强度衰减（传播损失）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）：

14、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（物理衰减）吸收损失（物理衰减）：介质粘滞性、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引起的声波散射而导致声强衰减。水声学第2章 海洋的声学特性322.2 2.2 海水中的声吸收海水中的声吸收 传播损失：度量声波传播衰减的物理量。 r1lg10IITL 传播损失主要由扩展损失和吸收损失两部分组成：21TLTLTL吸收损失扩展损失传播损失水声学第2章 海洋的声学特性332.2 2.2 海水中的声吸收海水中的声吸收 在理想

15、介质中，沿x轴方向传播简谐平面波声压： 传播损失为： dBxIITL01lg101kxtippexp020pI 1）平面波的扩展损失）平面波的扩展损失水声学第2章 海洋的声学特性342.2 2.2 海水中的声吸收海水中的声吸收 2）球面波的扩展损失）球面波的扩展损失 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 1110lg20lgITLrdBI r水声学第2章 海洋的声学特性352.2 2.2 海水中的声吸收海水中的声吸收 3）典型的声传播扩展损失）典型的声传播扩展损失一般，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：n=0 适用

16、平面波传播，平面波传播，例如管道中声传播。 dBrnTLlg10101TL水声学第2章 海洋的声学特性362.2 2.2 海水中的声吸收海水中的声吸收 n=1 适用柱面波传播柱面波传播，例如表面声道和深海声道，相当于全反射海底和全反射海面组成的理想波导中的声传播。 rTLlg101n=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传播损失修正。 rTLlg1513）典型的声传播扩展损失）典型的声传播扩展损失水声学第2章 海洋的声学特性372.2 2.2 海水中的声吸收海水中的声吸收 n=2 适用球面波传播球面波传播，例如开阔水域(自由场)。 rTLlg201n

17、=3 声波通过浅海声速负跃变层后的声传播。rTLlg301n=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，相当于计入声波多途干涉后，对球面波传播损失的修正。 rTLlg4013）典型的声传播扩展损失）典型的声传播扩展损失水声学第2章 海洋的声学特性382.2 2.2 海水中的声吸收海水中的声吸收 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，统称吸收。 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 xeIxI21 xIIx1ln21 xppx1ln1声压幅值比的自然对数为无量纲量，称为奈贝。声压幅值比的自然对数为无量纲量，称为奈贝。数数

18、水声学第2章 海洋的声学特性392.2 2.2 海水中的声吸收海水中的声吸收 声强可以写成： 10101xIxI xppxxIIx1lg201lg10 吸收系数：单位距离衰减的分贝数，dB/m 120lgln20lg8.68peexp x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（Bell），贝），贝尔值的尔值的10倍称为分贝（倍称为分贝（dB）。）。 Neper=8.68dB1）声传播吸收损失）声传播吸收损失水声学第2章 海洋的声学特性402.2 2.2 海水中的声吸收海水中的声吸收 声吸收引起的传播损失（吸收系数乘以传播距离）： 2I 1TL =10lgI xx 总传播

19、损失（扩展吸收）总传播损失（扩展吸收）rrnTLlg10 吸收系数 可由经验公式计算得到，也可查阅有关曲线和数值表得到。1）声传播吸收损失）声传播吸收损失水声学第2章 海洋的声学特性412.2 2.2 海水中的声吸收海水中的声吸收 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吸收原因。曲线AHall理论计算曲线B经典声吸收纯水实际吸收系数的测量值远大于经典吸收系数纯水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。理论值，两者差值称为超吸收。 水声学第2章 海洋的声学特性422.2 2.2 海水中的声吸收海水中的声吸收 2）纯水和海水的

20、超吸收）纯水和海水的超吸收海水超吸收海水超吸收 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化学反化学反应的平衡被破坏，达到新的动应的平衡被破坏，达到新的动态平衡，这种化学的驰豫过程，态平衡，这种化学的驰豫过程，导致声波的吸收。导致声波的吸收。 水声学第2章 海洋的声学特性432.2 2.2 海水中的声吸收海水中的声吸收 3）吸收系数经验公式）吸收系数经验公式 Schulkin和Marsh根据频率225kHz、距离22km范围内3万次测量结果，归纳的半经验公式： 2222/rrrSf ffABdB kmfff21068 . 1A2

21、1086. 2B1520627321.9 10TrfkHz驰豫频率随温度升高而增加驰豫频率随温度升高而增加 。水声学第2章 海洋的声学特性442.2 2.2 海水中的声吸收海水中的声吸收 主要是主要是MgSO4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5kHz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-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盐在内的其它化学驰

22、豫现象。水声学第2章 海洋的声学特性452.2 2.2 海水中的声吸收海水中的声吸收 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 .401910. 02222 在低频，若计入纯水的粘滞系数，则吸收系数为： kmdBfffff/1010 . 341007 .401910. 02422223）吸收系数经验公式）吸收系数经验公式水声学第2章 海洋的声学特性462.2 2.2 海水中的声吸收海水中的声吸收 4）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%。 H50H1067

23、. 61海水声吸收系数与海水声吸收系数与等因素有关，但盐度影响较小；对于不同声波频等因素有关，但盐度影响较小；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系数。率，应选择不同的经验公式计算海水的吸收系数。 水声学第2章 海洋的声学特性472.2 2.2 海水中的声吸收海水中的声吸收 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等，增加海水声传播损失。 含有气泡群的海水具有非常高的声吸收：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、膨胀粘滞作用，消耗部分声能。声散射：声散射：气泡压缩

24、、膨胀形成二次声辐射，对入射声产生散射，使声能明显减小。 水声学第2章 海洋的声学特性482.2 2.2 海水中的声吸收海水中的声吸收 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。水声学第2章 海洋的声学特性492.2 2.2 海水中的声吸收海水中的声吸收 l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长的尾流，长的尾流，8kHz衰减系数为衰减系数为0.8dB/m，40kHz衰减系数为衰减系数为1.8dB/m。l1节节1海里海里/小时小时0.515米米/秒（

25、秒（1海里海里1852米）米） 水声学第2章 海洋的声学特性502.2 2.2 海水中的声吸收海水中的声吸收 水声学第2章 海洋的声学特性511）海底是海洋地质学和地球物理学的研究对象，主）海底是海洋地质学和地球物理学的研究对象，主要要包括海底结构、地形地貌和沉积层特性等研究；包括海底结构、地形地貌和沉积层特性等研究；2）海底是海洋声信道界面，对入射的声波产生散射）海底是海洋声信道界面，对入射的声波产生散射和反射，影响声波传播和水声设备工作；和反射，影响声波传播和水声设备工作；3）水声学中海底指的是沉积层）水声学中海底指的是沉积层覆盖岩基之上的处于液态和固态之间的物质层。覆盖岩基之上的处于液态

26、和固态之间的物质层。2.2.3 3 海底及其声学特性海底及其声学特性 水声学第2章 海洋的声学特性52 人们关心的海底参数人们关心的海底参数 声速（反演）声速（反演） 密度（反演）密度（反演） 衰减系数（反演）衰减系数（反演） 底质（取样）底质（取样） 垂直分层结构（取样）垂直分层结构（取样）20012001年中美联合考察年中美联合考察20052005年黄海实验年黄海实验2.2.3 3 海底及其声学特性海底及其声学特性 水声学第2章 海洋的声学特性53实验研究表明实验研究表明：（1）海底声波反射系数与海底地形有明显依赖关系。（2）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

27、粗糙，反射系数小；海底平坦，反射系数大。1、海底反射系数随海底地形的变化、海底反射系数随海底地形的变化2.2.3 3 海底及其声学特性海底及其声学特性 水声学第2章 海洋的声学特性542、深海平原的反向散射强度、深海平原的反向散射强度反向散射波：反向散射波：声波投射到海底表面，产生的散射波分布于海底以上整个半空间，其中返回声源的散射波。反向散射强度反向散射强度：单位界面上反向散射出去的功率与入射波强度之比的分贝数。 2.2.3 3 海底及其声学特性海底及其声学特性 水声学第2章 海洋的声学特性55深海平原深海平原反向散射强度与入射角关系关系: :在入射角小于15o时，散射强度随入射角减小而增加

28、；在入射角大于15o时，10lgms近似与cos2成正比；兰伯特散射定律兰伯特散射定律。在小入射角时，散射强度一般与频率无关； 在大入射角时，散射强度随频率变大而变大。 2.2.3 3 海底及其声学特性海底及其声学特性 水声学第2章 海洋的声学特性563、粗糙海底的反向散射强度、粗糙海底的反向散射强度粗糙海底反向散射强度与入射角关系关系: :l反向散射强度基本上与入射角和频率无关。 海底声反射和散射海底声反射和散射特性由多种因素决特性由多种因素决定，是一个复杂过定，是一个复杂过程，需考虑多种因程，需考虑多种因素的综合效应。素的综合效应。2.2.3 3 海底及其声学特性海底及其声学特性 水声学第

29、2章 海洋的声学特性574 4、海底沉积层、海底沉积层概念描述：概念描述：覆盖海底之上的一层非凝固态非凝固态（处于液态和固态之间）的物质。 厚度分布：厚度分布：不同海域，沉积层厚度差别大，在几米几千米范围内变化。描述的量：描述的量：层厚度、密度、孔隙率、压缩波波速、切变波波速、衰减系数等。2.2.3 3 海底及其声学特性海底及其声学特性 水声学第2章 海洋的声学特性584 4、海底沉积层、海底沉积层物理性质物理性质1 1）密度和孔隙率）密度和孔隙率沉积层密度（指饱和容积密度：水无机物）：swnn1孔隙率n 体积百分比3/024. 1cmgws海底沉积层类型：第一类近海岸海区和浅海，以陆源海底沉

30、积层类型：第一类近海岸海区和浅海，以陆源沉积物为主；第二类深海丘陵和多山地形，以石灰质沉积物为主；第二类深海丘陵和多山地形，以石灰质淤泥为主；第三类深海平原，以细黏土和淤泥为主淤泥为主；第三类深海平原，以细黏土和淤泥为主。2.2.3 3 海底及其声学特性海底及其声学特性 水声学第2章 海洋的声学特性592 2）声速）声速 沉积层中有压缩波速度（声速）和切变波速度：Hamilton给出三种不同类型沉积物的声速、密度给出三种不同类型沉积物的声速、密度和孔隙度的实验值（见教材）。和孔隙度的实验值（见教材）。 GEc34Gcs2.2.3 3 海底及其声学特性海底及其声学特性 水声学第2章 海洋的声学特

31、性602 2）声速）声速 沉积层中声速和孔隙率之间关系：2123. 0764.215 .2475nnc大陆架：2.2.3 3 海底及其声学特性海底及其声学特性 nc043. 03 .1509深海丘陵：nc937. 05 .1602深海平原：水声学第2章 海洋的声学特性613 3）衰减系数）衰减系数 测量得沉积层中声波衰减系数：mKf常数K与孔隙率有关；频率f单位为kHz；m为指数，通常m1。A曲线为近陆地沉积层；B曲线为沿海粘土沙地；C曲线为深海海底。2.2.3 3 海底及其声学特性海底及其声学特性 水声学第2章 海洋的声学特性625 5、海底反射损失、海底反射损失海底反射损失：海底反射损失：

32、反射声幅值相对入射声幅值减小的分贝数，定义为： VppBLirlg20lg20 海底反射损失为正值，BL分贝数越大，海底反射损失越大，表示透射海底声能越多； 海底反射损失与沉积物类型、声波频率和掠射角密切相关。2.2.3 3 海底及其声学特性海底及其声学特性 水声学第2章 海洋的声学特性631 1）高声速海底（浅海）高声速海底（浅海）特点：特点：海底呈液态、声速大于海水声速。 曲线a是海底没有声吸收情况；曲线b和c是海底有声吸收情况；曲线c海底声吸收大于曲线b海底声吸收。 12cc 1n2.2.3 3 海底及其声学特性海底及其声学特性 水声学第2章 海洋的声学特性642 2）低声速海底（深海）

33、低声速海底（深海）特点：特点：声速小于海水声速。 曲线a是海底没有声吸收情况；曲线b和c是海底有声吸收情况；曲线c海底声吸收大于曲线b海底声吸收。 12cc1n2.2.3 3 海底及其声学特性海底及其声学特性 水声学第2章 海洋的声学特性653 3）实测海底反射损失）实测海底反射损失 根据深海实测到的海底反射损失的平均值绘制的，小掠射角的数据是实验值的外推。 2.2.3 3 海底及其声学特性海底及其声学特性 水声学第2章 海洋的声学特性663 3）实测海底反射损失）实测海底反射损失海底沉积层的反射损失随掠射角变化的三个特征：三个特征：（1）存在一个“分界掠射角” ；当 时，反射损失值较小；当

34、时，反射损失较大。 是海底反射损失的一个特征参数。（2）小掠射角 范围内，反射损失随 而增加。（3）大掠射角 范围内，反射损失与 无明显依赖关系，有时会出现反射损失值的“振荡”变化，一般可近似为常数。 2.2.3 3 海底及其声学特性海底及其声学特性 水声学第2章 海洋的声学特性674 4）海底声反射损失三参数模型）海底声反射损失三参数模型根据海底反射特征，我国学者尚尔昌提出三参数模型：三参数模型： 2ln0ln0constVQVQ0lnV该模型表示海底反射损失的基本特征。2.2.3 3 海底及其声学特性海底及其声学特性 水声学第2章 海洋的声学特性684 4）海底声反射损失三参数模型）海底声

35、反射损失三参数模型0VQ全内反射临界角掠射角等于反射系数模2 narccosnmnmV0 0lnVQ分析声场的平均结构分析声场的平均结构参数计算：参数计算：2.2.3 3 海底及其声学特性海底及其声学特性 水声学第2章 海洋的声学特性695 5）海底声反射研究理论模型）海底声反射研究理论模型 理论研究模型： 将海底看作流体或悬浮粒流体，并考虑声吸收； 将海底看作流体层，声波在海底上的反射等同于介质层上声反射； 将海底看作固体，声波在海底上的反射等同于声波在流体-固体界面上的反射。2.2.3 3 海底及其声学特性海底及其声学特性 水声学第2章 海洋的声学特性702.2.4 4 海面及其声学特性海

36、面及其声学特性 海面波浪特征描述：海面波浪特征描述：周期性周期、波长、波速和波高随机起伏性概率密度函数、方差、谱和相关函数水声学第2章 海洋的声学特性711 1）重力波）重力波 以重力作为恢复力的波动，波浪属于重力波：1 1、波浪基本特征、波浪基本特征cTck 2忽略粘滞性的影响，水深 h的均匀海洋波速：khkgctanh22.2.4 4 海面及其声学特性海面及其声学特性 水声学第2章 海洋的声学特性722 2）表面张力波）表面张力波 以表面张力作为恢复力的波动。小风速，海洋波速为：khkTkgcftanh2波长与波速之间的变波长与波速之间的变化关系，重力波与表化关系，重力波与表面张力波不同。

37、面张力波不同。 2.2.4 4 海面及其声学特性海面及其声学特性 水声学第2章 海洋的声学特性732 2）表面张力波）表面张力波 对于小波长的波：1tanhkhkTkgcf2 波速与频率有关，形成波浪频散弥散（频散）波； 单一频率的波的传播速度由相速度决定； 对于多个频率传播的波，其传播速度由群速度决定，能量的传播速度。2.2.4 4 海面及其声学特性海面及其声学特性 水声学第2章 海洋的声学特性743 3）波浪形成和等级）波浪形成和等级波浪形成：波浪形成：与风速、风持续时间、风区等因素有关。风传给波浪的能量波浪破碎损失能量充分成长波浪2.2.4 4 海面及其声学特性海面及其声学特性 水声学第

38、2章 海洋的声学特性753 3）波浪形成和等级）波浪形成和等级H平均波高记录中1/10最大波高的平均值 波峰到波谷垂直距离的平均值31H有效波高记录中1/3最大波高的平均值101H平均1/10最大波高1013120. 025. 021HHH2.2.4 4 海面及其声学特性海面及其声学特性 -22.50.18 10Hs水声学第2章 海洋的声学特性761 1）波浪概率密度分布）波浪概率密度分布 海面偏离平衡位置的位移服从高斯分布2 2、波浪统计特征、波浪统计特征 222212Pe 实际测量表明：海面的概率分布服从正偏态的实际测量表明：海面的概率分布服从正偏态的Gram-Charlier分布，与高斯

39、分布稍有差别。分布，与高斯分布稍有差别。 2.2.4 4 海面及其声学特性海面及其声学特性 水声学第2章 海洋的声学特性772 2）充分成长海浪谱）充分成长海浪谱 P-M（Pierson-Moskovitz）波浪的波谱：2 2、波浪统计特征、波浪统计特征 5435expSgssasgg3101 . 8a74. 02.2.4 4 海面及其声学特性海面及其声学特性 水声学第2章 海洋的声学特性782 2）充分成长海浪谱）充分成长海浪谱 P-M谱只反映了波浪谱的部分特性，是波谱的近似表达式； 实际海面波高是随机量，可用它的功率谱、相关函数来描述其特性。2 2、波浪统计特征、波浪统计特征2.2.4 4

40、 海面及其声学特性海面及其声学特性 水声学第2章 海洋的声学特性79 有风浪的海面下经常形成一层空气泡，它的厚度和浓度取决于波浪要素、表层水的湍动混合强度、空化强度以及溶解在水中的空气饱和程度。 对海面附近的声传播和海洋环境噪声有重要影响。3 3、海面气泡层、海面气泡层2.2.4 4 海面及其声学特性海面及其声学特性 水声学第2章 海洋的声学特性80 海表面的起伏直接影响海面声反射系数的大小和相位，影响大小取决于海面的平整程度。 海面平整度的描述参数瑞利参数：4 4、海面平整度、海面平整度2.2.4 4 海面及其声学特性海面及其声学特性 cos2kR 122海面波高的标准差海面波高的标准差 22-1RRR海面是平整的；海面是不平整的；极小海面反射系近似等于 。水声学第2章 海洋的声学特性815