海洋的声学特性

海洋的声学特性演示文稿现在是1页\一共有90页\编辑于星期一优选海洋的声学特性现在是2页\一共有90页\编辑于星期一本章目的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。现在是3页\一共有90页\编辑于星期一2.1海水中的声速1、声速

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：现在是4页\一共有90页\编辑于星期一声速经验公式上式适用范围：-3℃<T<30℃、33‰<S<37‰

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：2.1海水中的声速现在是5页\一共有90页\编辑于星期一声速经验公式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；1℃＝（1oF-32）5/9。2.1海水中的声速现在是6页\一共有90页\编辑于星期一2.1海水中的声速

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？

现在是7页\一共有90页\编辑于星期一乌德公式2.1海水中的声速P的单位是大气压。现在是8页\一共有90页\编辑于星期一2.1海水中的声速2、声速测量

测量仪器设备：温度深度记录仪和声速仪。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。现在是9页\一共有90页\编辑于星期一2.1海水中的声速声速仪是声学装置：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，发射器和接收器的距离L已知。声速：c=fL。2、声速测量

现在是10页\一共有90页\编辑于星期一2.1海水中的声速3、海洋中声速变化

海洋中声速的垂直分层性质和声速梯度垂直分层性质：

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。现在是11页\一共有90页\编辑于星期一2.1海水中的声速海洋中声速的垂直分层性质和声速梯度声速梯度：根据乌德公式声速梯度现在是12页\一共有90页\编辑于星期一2.1海水中的声速海洋中声速的基本结构典型深海声速剖面：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。现在是13页\一共有90页\编辑于星期一2.1海水中的声速海洋中声速的基本结构典型深海声速剖面：（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。

现在是14页\一共有90页\编辑于星期一2.1海水中的声速海洋中声速的基本结构典型深海声速剖面：（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声速梯度，季节对它的影响微弱。现在是15页\一共有90页\编辑于星期一2.1海水中的声速海洋中声速的基本结构典型深海声速剖面：（4）深海等温层：在深海内部，水温比较低而且稳定，特征是正声速梯度。

在主跃变层（负）和深海等温层（正）之间，有一声速极小值。

现在是16页\一共有90页\编辑于星期一2.1海水中的声速

请解释一下深海声速梯度分布？现在是17页\一共有90页\编辑于星期一2.1海水中的声速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：（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。现在是18页\一共有90页\编辑于星期一2.1海水中的声速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：（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。

现在是19页\一共有90页\编辑于星期一2.1海水中的声速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：温度的季节变化和日变化主要发生在海洋上层。

现在是20页\一共有90页\编辑于星期一2.1海水中的声速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：（３）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。现在是21页\一共有90页\编辑于星期一2.1海水中的声速海洋中声速的基本结构浅海声速剖面：浅海声速剖面分布具有明显的季节特征。在冬季，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。

现在是22页\一共有90页\编辑于星期一2.1海水中的声速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。现在是23页\一共有90页\编辑于星期一2.1海水中的声速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：现在是24页\一共有90页\编辑于星期一特点：在某一深度处有一声速最小值。声速垂直分布分类深海声道声速分布：2.1海水中的声速现在是25页\一共有90页\编辑于星期一特点：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。声速垂直分布分类表面声道声速分布：2.1海水中的声速现在是26页\一共有90页\编辑于星期一特点：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。声速垂直分布分类反声道声速分布：2.1海水中的声速现在是27页\一共有90页\编辑于星期一特点：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。声速垂直分布分类浅海常见声速分布：2.1海水中的声速反声道声速分布与浅海常见声速分布有何不同？

现在是28页\一共有90页\编辑于星期一2.2海水中的声吸收1、传播损失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。（2）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：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。现在是29页\一共有90页\编辑于星期一2.2海水中的声吸收扩展损失在理想介质中，沿x轴方向传播简谐平面波声压：传播损失为：现在是30页\一共有90页\编辑于星期一2.2海水中的声吸收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：现在是31页\一共有90页\编辑于星期一2.2海水中的声吸收扩展损失一般，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

现在是32页\一共有90页\编辑于星期一2.2海水中的声吸收扩展损失（2）n=1适用表面声道和深海声道，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。（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。

现在是33页\一共有90页\编辑于星期一2.2海水中的声吸收扩展损失（4）n=2适用于开阔水域(自由场)，球面波传播。

（5）n=3声波通过浅海声速负跃变层后的声传播。（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。现在是34页\一共有90页\编辑于星期一2.2海水中的声吸收吸收系数在介质中，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，则声压振幅的自然对数衰减为无量纲量，称为奈贝（Neper）。现在是35页\一共有90页\编辑于星期一2.2海水中的声吸收吸收系数声强可以写成：吸收系数：单位距离的分贝数，dB/m声强之比的以10为底的对数为贝尔（Bel），贝尔值的10倍称为分贝（dB）。现在是36页\一共有90页\编辑于星期一2.2海水中的声吸收吸收系数１Neper=8.68dB，声吸收引起的传播损失（吸收系数乘以传播距离）：现在是37页\一共有90页\编辑于星期一2.2海水中的声吸收总传播损失（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值，两者差值称为超吸收。Why?

现在是38页\一共有90页\编辑于星期一2.2海水中的声吸收2、纯水和海水的超吸收纯水超吸收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A—Hall理论计算曲线B—经典声吸收现在是39页\一共有90页\编辑于星期一2.2海水中的声吸收海水超吸收海水超吸收原因：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，MgSO4化学反应的平衡被破坏，达到新的动态平衡，这种化学的驰豫过程，导致声波的吸收。

现在是40页\一共有90页\编辑于星期一2.2海水中的声吸收海水超吸收Schulkin和Marsh根据2~25kHz频率范围内所作的大量测量结果，归纳的半经验公式：

驰豫频率随温度升高而增加。现在是41页\一共有90页\编辑于星期一2.2海水中的声吸收主要是MgSO4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5kHz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？

这是由于海水还存在包括硼酸在内的其它化学驰豫现象。现在是42页\一共有90页\编辑于星期一2.2海水中的声吸收海水超吸收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

）：

在低频，若计入纯水的粘滞系数，则吸收系数为：现在是43页\一共有90页\编辑于星期一2.2海水中的声吸收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%。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计算海水的吸收系数。

现在是44页\一共有90页\编辑于星期一2.2海水中的声吸收3、非均匀液体中的声衰减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的声吸收：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：海水对气泡压缩、膨胀的粘滞作用，也消耗部分声能。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。现在是45页\一共有90页\编辑于星期一2.2海水中的声吸收3、非均匀液体中的声衰减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）

现在是46页\一共有90页\编辑于星期一2.2海水中的声吸收现在是47页\一共有90页\编辑于星期一2.2海水中的声吸收现在是48页\一共有90页\编辑于星期一2.3海底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现在是49页\一共有90页\编辑于星期一2.3海底实验研究表明：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。指向声源方向的声散射现在是50页\一共有90页\编辑于星期一2.3海底海底对声传播影响深海平原反向散射强度与入射角关系:①在小入射角时，散射强度随入射角减小而增加。②在入射角大于15o时，10lgms与cos2θ成正比—兰伯特散射定律。③在小入射角时，散射强度一般与频率无关；④在大入射角时，散射强度可能与频率的四次方乘正比。现在是51页\一共有90页\编辑于星期一2.3海底海底对声传播影响粗糙海底反向散射强度与入射角关系:反向散射强度基本上与入射角和频率无关。现在是52页\一共有90页\编辑于星期一2.3海底1、海底沉积层概念描述：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。

物理性质（1）密度沉积层密度（指饱和容积密度：水＋无机物）：孔隙度n

－体积百分比深海平原和丘陵，粉砂粘土是主要沉积物类型。现在是53页\一共有90页\编辑于星期一（2）声速沉积层中有压缩波速度（声速）和切变波速度两种：Hamilton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）。

孔隙度可测量和计算，因此可以预报声速。声速与密度的关系与声速与孔隙度之间的关系相同2.3海底现在是54页\一共有90页\编辑于星期一（3）衰减损失沉积层中声波衰减系数：2.3海底K为常数；f为频率，kHz；m为指数，m≈1。A曲线为近陆地沉积层；B曲线为沿海粘土沙地；C曲线为海底。现在是55页\一共有90页\编辑于星期一2.3海底2、海底声反射海底反射损失：反射声振幅相对入射声振幅减小的分贝数，定义为：海底反射损失为正值，BL分贝数越大，海底反射损失越大；为反射系数模值。

现在是56页\一共有90页\编辑于星期一2.3海底（1）高声速海底特点：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。

现在是57页\一共有90页\编辑于星期一2.3海底（2）低声速海底特点：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。

现在是58页\一共有90页\编辑于星期一2.3海底（3）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，小掠射角的数据是实验值的外推。现在是59页\一共有90页\编辑于星期一2.3海底（3）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：（1）存在一个“分界掠射角”；当时，反射损失值较小；当时，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。现在是60页\一共有90页\编辑于星期一2.3海底（4）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：该模型表示海底反射损失的基本特征。现在是61页\一共有90页\编辑于星期一2.3海底（4）三参数模型参数计算：分界掠射角全内反射角掠射角等于反射系数模分析声场的平均结构现在是62页\一共有90页\编辑于星期一2.4海面海面波浪特征描述：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、谱和相关函数现在是63页\一共有90页\编辑于星期一2.4海面（1）重力波以重力作为恢复力的波动1、波浪基本特征忽略粘滞性的影响，水深h的均匀海洋波速：现在是64页\一共有90页\编辑于星期一2.4海面（2）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：波长与波速之间的变化关系，重力波与表面张力波不同。

现在是65页\一共有90页\编辑于星期一2.4海面（2）表面张力波对于小波长的波：波速与频率有关，形成波浪频散——弥散波。对于多个频率传播的波，其传播速度由群速度决定。现在是66页\一共有90页\编辑于星期一2.4海面（3）波浪形成和等级波浪形成：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﹦充分成长波浪国际标准：海况分成9级，见书中列表。了解不同海况的海面征兆描述。现在是67页\一共有90页\编辑于星期一2.4海面（3）波浪形成和等级平均波高记录中1/10最大波高的平均值

波峰到波谷垂直距离的平均值有效波高记录中1/3最大波高的平均值平均1/10最大波高现在是68页\一共有90页\编辑于星期一2.4海面（1）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、波浪统计特征实际测量表明：海面的概率分布服从正偏态的Gram-Charlier分布，与高斯分布稍有差别。

现在是69页\一共有90页\编辑于星期一2.4海面（2）波浪谱P-M（Pierson-Moskowity）谱：2、波浪统计特征现在是70页\一共有90页\编辑于星期一2.4海面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。

3、海表面气泡层现在是71页\一共有90页\编辑于星期一2.5海面的声反射及对声传播影响海面反射性质：镜反射和漫散射，随着海面粗糙度增加，漫散射场占主要分量。海面反向散射是海面混响的形成原因。海面散射场中含有多普勒频移分量。现在是72页\一共有90页\编辑于星期一2.5海面的声反射及对声传播影响1、波动表示方法xoSS1zP(x,y,z)(0,z1)(0,-z1)R1R2R设点源S靠近海面，视海面为绝对软平面，根据镜反射原理引入虚源S1。P点接收声压：现在是73页\一共有90页\编辑于星期一2.5海面的声反射及对声传播影响1、波动表示方法

从射线声学的角度来讲，接收点是由直达声线和海面反射系数为-1的反射声线叠加。

对于平整海面，为什么可利用平面声波的反射系数代替球面波的反射系数？

现在是74页\一共有90页\编辑于星期一2.5海面的声反射及对声传播影响2、声压振幅随距离的变化假设、，则可得

现在是75页\一共有90页\编辑于星期一2.5海面的声反射及对声传播影响2、声压振幅随距离的变化接收点P声压：

现在是76页\一共有90页\编辑于星期一2.5海面的声反射及对声传播影响2、声压振幅随距离的变化（1）声压取极大值，且是单个点源的两倍。直达声与海面反射声同相叠加。现在是77页\一共有90页\编辑于星期一2.5海面的声反射及对声传播影响2、声压振幅随距离的变化（2）声压取极小值。直达声与海面反射声反相叠加。合成声压不等于零，是由于两者到接收点距离不等。现在是78页\一共有90页\编辑于星期一2.5海面的声反射及对声传播影响（3）近场菲涅耳（Fresnel）干涉区向远场夫朗和费（Fraunhofer）区过渡点：近场菲涅耳区声压振幅起伏变化，远场夫朗和费区声压振幅单调变化。对于非均匀声速分布，该干涉现象仍存在。现在是79页\一共有90页\编辑于星期一2.5海面的声反射及对声传播影响3、传播损失现在是80页\一共有90页\编辑于星期一2.5海面的声反射及对声传播影响4、非绝对反射海面下的传播损失海面散射镜向反射弥漫散射相干波非相干波现在是81页\一共有90页