华北理工水声学讲义02海洋的声学特性

第2章海洋的声学特性§2.1海洋声学参数及传播损失本讲主要内容声速经验公式（了解）海洋中声速的变化（重点）传播衰减概述（重点）纯水和海水的超吸收（重点）非均匀液体中的声衰减（了解）一、海水中的声速1、声速(SoundSpeed)：海洋中重要的声学参数，也是海洋中声传播的最基本物理参数。流体介质中，声波为弹性纵波，声速为：式中，密度和绝热压缩系数都是温度T、盐度S和静压力P的函数，因此，声速也是Temperature、Salinity、Pressure的函数。2、声速经验公式海洋中的声速c（m/s）随温度T（℃）、盐度S（‰）、压力P（kg/cm2）的增大而增大。经验公式是许多海上测量实验总结得到的。※注：单位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个大气压的压力。3、乌德公式4、声速测量声速剖面仪SVP——SoundVelocityProfile温盐深测量仪CTD—Conductivity,Temperature,Depth抛弃式温度测量仪XBT——eXpendableBathyThermograph5、海洋中的声速变化海洋中声速的垂直分层性质声速梯度1）温度变化1度，声速变化约4m/s2）盐度变化1‰，声速变化约1m/s3）压力变化1个大气压，声速变化约0.2m/s6、海中声速的基本结构典型深海声速剖面温度垂直分布的“三层结构”：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。季节跃变层：在表面层之下，特征是负温度梯度或声速梯度，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。主跃变层：温度随深度巨变的层，特征是负的温度梯度或声速梯度，季节对它的影响微弱。深海等温层：在深海内部，水温比较低而且稳定，特征是正声速梯度。7、温度的季节变化、日变化和纬度变化8、海水温度的起伏变化温度起伏的原因多种多样：湍流、海面波浪、涡旋、内波等因素——声传播起伏的原因之一。9、声速分布分类（分成四类）A:下图为深海声道典型声速分布，特点：在某一深度处有一声速最小值。两图不同之处：图（a）表面声速小于海底声速；图（b）表面声速大于海底声速。第一类深海声道声速分布B:下图为表面声道声速分布，特点：在某一深度处有一声速极大值。形成原因：在秋冬季节，水面温度较低，加上风浪搅拌，海表面层温度均匀分布，在层内形成正声速梯度分布。第二类表面声道声速分布C：下图为反声道声速分布，特点：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射的结果。第三类反声道声速分布D：下图为浅海常见声速分布，特点：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射的结果。图（d）与图（e）不同之处：后者是浅海中的负梯度分布，需计入海底对声传播的影响。第四类浅海常见声速分布二、海水中的声吸收1、传播衰减概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衰减。简谐平面波声压：没有扩展损失简谐球面波声压：扩展损失扩展损失的一般形式n=0：适用管道中的声传播，平面波传播，TL=0；n=1：适用表面声道和深海声道，柱面波传播，TL=10logr，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；n=1.5：适用计及海底声吸收时的浅海声传播，TL=15logr，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；n=2：适用于开阔水域（自由场），球面波传播，TL=20logr；2）吸收损失：均匀介质的粘滞性、热传导性以及其它驰豫过程引起的声强衰减。均匀介质的声吸收：介质切变粘滞的声吸收（经典声吸收）介质热传导声吸收（经典声吸收）驰豫吸收（超吸收）吸收系数：声吸收引起的传播损失：总传播损失（扩展+吸收）等于：纯水的超吸收：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。海水的超吸收：海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；对于不同声波频率，应选择不同的经验公式来计算海水的吸收系数。3）散射：介质的不均匀性引起的声波散射导致声强衰减。不均匀性包括：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散射。2、非均匀液体中的声衰减：含有气泡群的海水具有非常高的声吸收1)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。2）粘滞性：海水对气泡压缩、膨胀的粘滞作用，也消耗部分声能。3）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。常识：一艘驱逐舰以15节航速航行将产生500m长的尾流，8kHz衰减系数为0.8dB/m，40kHz衰减系数为1.8dB/m。1节＝1海里/小时＝0.515米/秒（1海里＝1852米）。总结：通过本讲学习，掌握海洋中声速的变化规律，以及声波衰减的原因。本讲思考题1、海水中的声速与哪些因素有关？画出三种常见的海水声速分布。2、声波在海水中传播时其声强会逐渐减少。（1）说明原因；（2）解释什么叫物理衰减？什么叫几何衰减？（3）写出海洋中声传播损失的常用TL表达式，并指明哪项反映的主要是几何衰减，哪项反映的主要是物理衰减；（4）试给出三种不同海洋环境下的几何衰减的TL表达式。3、声呐A，B有相等的声源级，但声呐A工作频率fA高于声呐B工作频率fB,问哪台声呐作用距离远，说明原因。§2.2海底海面声学特性和海洋内部不均匀性本讲主要内容海底声学特性（了解）海面声学特性（了解）海洋内部的不均匀性（了解）一、海底声学特性1、海底结构、地形和沉积层是影响声波传播的重要因素。1）海底对声波的吸收、散射和反射等声学特性关系到水声设备作用距离的远近。2）海底声波反射系数与海底地形有明显的依赖关系。高于几千赫频率的声波，海底粗糙度是影响声波反射的主要作用。3）反向散射强度(朝声源方向的声散射。)：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。2、深海平原海底反向散射强度与入射角的关系1）在小入射角时，散射强度随入射角增大而减小，与频率一般无关；2）入射角>5度时，散射强度10lgms近似与成正比；3）大入射角时，散射强度可能与频率的四次方成正比。3、非常粗糙海底反向散射强度与入射角的关系1）反向散射强度几乎与入射角无关2）反向散射强度几乎与频率无关4、人们关心的海底参数声速（反演）密度（反演）衰减系数（反演）底质（取样）垂直分层结构（取样）5、海底特性探测多波束侧扫声呐探测海底地形6、海底沉积层描述：覆盖海底之上的一层非凝固态（处于液态和固态之间）的物质。声速：沉积层中有压缩波速度（声速）C和切变波速度Cs两种。衰减系数（dB/m）K为常数；f为频率，单位kHz；m为指数，通常取17、海底声反射损失定义：反射声振幅相对入射声振幅减小的分贝数海底反射系数模和反射损失BL值随掠射角的变化高声速海底低声速海底深海实测的海底反射损失海底反射损失的三个特征存在一个“分界掠射角”，是海底反射损失的一个特征参数当时，反射损失值较小,随增大而增加。当时，反射损失较大,与无明显依赖关系8、海底反射损失简化模型-三参数模型三参数：、、参数计算的计算V0的计算的计算※注意：实际海底存在吸收，可将海底声速视为复数，此时不会发生全内反射。按照书上的方法计算：、与书上结果：略有不同！※注意：三参数模型可用于分析海洋中声场的平均结构二、海面声学特性1、海面波浪周期性——周期、波长、波速和波高等量描述其特征；随机起伏性——概率密度分布、方差、谱和相关函数等描述其特征。2、波浪的基本特征重力表面波：以重力作为恢复力的波动表面张力波：以表面张力作为恢复力波浪的形成和等级平均波高有效波高平均1/10最大波高3、波浪的统计特征波浪的概率密度分布常识：在水声学中经常将波面的概率分布视为高斯分布。充分成长的海浪谱Pierson-Moskowitz谱（P-M谱）4、海面表面层内的气泡层声波的吸收体声波的散射体5、海面对声传播的影响简介镜反射漫散射：形成散射场。随着海面粗糙度增加，漫散射场占主要分量。反向声散射：形成海面混响海面波动：导致海面散射波产生多普勒频移三、海洋内部的不均匀性1、湍流描述：流体流经固体表面或是流体内部出现的一种不规则运动。它是一种随机运动的旋转流。它形成海水中温度和盐度的细微结构变化，引起声速的微结构变化。2、内波描述：两种不同密度液体在其叠合界面上所产生的波动。波长可达几十公里到几百公里，波高从10米到100米。对低频、远距离的声传播信号有重大影响。3、海流描述：海水从一个地方向另一个地方作连续流动的现象。基本在水平方向上流动，流速较快，呈长带状。其边缘将海洋分成物理性