海洋声学技术和仪器课件

第十四章什么是海洋声学？海洋声学是研究声波在海洋中的传播特点和规律，并利用声波探测海洋的学科。它是海洋学和声学的边缘学科。海洋声学的基本内容包括三方面：（1）声在海洋中的传播规律和海洋条件对声传播的影响。主要包括不同水文条件和底质条件下的声波传播规律，海底对声波传播的影响，海水对声的吸收，声波的起伏、散射和海洋噪声等问题；（2）利用声波探测海洋。利用声波不仅能测出大海的深度，甚至还能发现在海底蕴藏的石油；（3）海洋声学技术和仪器。各种不同类型的声纳设备正是海洋学技术中的佼佼者。海洋声学的研究不仅解开了许多海洋之谜，也为人类开发海洋、利用海洋提供了许多有效的途径。观测要素海水声速声速梯度声速跃层水下声道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）的增大而增大。

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：

海水中的声速海水中的声速

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？

乌德公式海水中的声速

P的单位是大气压。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。

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

海水中的声速2、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——eXpendable

BathyThermograph声速梯度3、海洋中声速变化

海洋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，也就是说，声速近似为水平分层变化。声速梯度声速梯度：根据乌德公式声速梯度声速梯度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。

声速梯度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。

声速梯度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。声速梯度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—声道轴。

声速梯度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。

声速梯度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。

海洋声道到过北京天坛公园的人都会注意到回音壁的奇异现象。回音壁是圆周形的墙壁，在墙壁边上小声说话。对面距离很远的地方，只要靠近墙壁，就能清晰地听到说话的声音。这种声音沿墙壁传输，声能集中在距墙壁不远的同心圆环之内传播的现象，就是人们通常所讲的“声道”效应了。声波在海水中传播时也有类似的现象。我们知道，在固定跃层中声速随深度的增加迅速减小，当降到某个限度时，就会进入深海等温层，在深海等温层中由于压力增加声速反而会加快。也就是说，在固定跃层与深海等温层交界的地方声速达到了最小值，从这一交界处无论向上还是向下声速都会增加。另一方面，由于声波在传播中，总是具有向声速比较低的水层弯曲的特性，所以，在这两层中激发的声波不能越出这条声带，而是曲折地沿声道的轴线(两层的分界线，位于声速最小值处向前传播，这时声波被固定在一定范围内，就像被一个“管子”套住了一样，这个“管子”就是海洋声道。由于没有扩散，所以声波在声道中可以传播到数千海里之外。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：声速梯度声音在海洋中是怎样衰减的？生活中我们都有这种体会，要是两个人相距不远，就可以小声交谈；距离一远，就要大声叫喊了；超过一定的距离后，即使再大声吆喝，也是听不见的。和在空气中的情况一样，海洋里的声音也会随着传播距离的增加而变得越来越小，并且最终消失得无影无踪。这种现象通常被称为声音的衰减。那么，声音为什么会衰减呢？科学家们发现导致声音衰减的原因有两个，一个是扩散，一个是吸收。所谓扩散是指随着距离的增加，声音覆盖的范围越来越大，由于能量越来越分散，所以强度越来越小，就像离开电灯泡越远的地方越不亮一样。事实上，声音无论是在气体、固体，还是在液体中传播时总有一部分能量转化为热能，因此，随着传播距离的增加声能也不断减小，这就是通常所说的吸收了。声音在海洋中是怎样衰减的？实验表明，声波在海水中的吸收比在淡水中要大得多，而且频率越高，吸收就越大。这主要是因为海水中含有丰富的盐类，特别是硫酸镁。当声波通过海水时，一部分声能转化为硫酸镁分子的化学能，最后又变成了热能。除此以外，海底沉积物对声波也有吸收作用，并且要比海水的吸收作用大几百倍。进一步研究还发现，海底沉积物对声波的吸收还与声波频率有关，频率越高，吸收越大。所以，在海底沉积物中只有频率很低的声波，才能穿透很大的深度，或传播很远的距离。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。

驰豫一个宏观平衡系统由于周围环境的变化或受到外界的作用而变为非平衡状态，这个系统再从非平衡状态过渡到新的平衡态的过程就称为弛豫过程。弛豫过程实质上是系统中微观粒子由于相互作用而交换能量，最后达到稳定分布的过程。弛豫过程的宏观规律决定于系统中微观粒子相互作用的性质。因此，研究弛豫现象是获得这些相互作用的信息的最有效途径之一。

海水中的声吸收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：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。为什么会有两种不同的海深？人们在使用回声测深仪测量海深时，有时会发现，用一种测深仪测出的是一种深度，而用另一种测深仪测出的又是另一种深度。这是什么原因？为什么同一个地方会有两种不同的深度？是不是仪器出了什么毛病？经过仔细的校验，发现仪器没有什么问题，测量的方法也是正确的。那么问题到底出在哪里呢？经过反复研究，人们终于发现毛病就出在海底。有些海底比较硬，不论用工作频率较高的测深仪还是工作频率较低的测深仪，测出的深度都是一样的。但是，有些海底，在坚硬的海底上还有一层松软的淤泥，这层松软的淤泥无论是密度还是声速都与海水相差很小。其实，问题就出在这层淤泥，因为它对不同频率声波的反射能力不同。具体来说，它对高频声波的反射能力很强，对低频声波的反射能力则很弱。如果测深仪向下发射高频声波，声波中的绝大部分由松软的淤泥表面反射回来，虽然有一小部分声波进入淤泥层，但最终还是被淤泥所吸收，使得坚硬海底的反射信号十分微弱，以致测深仪无法接收这种微弱的信号。显然，这时测得的海深就是从海面到淤泥表面的距离。反过来，如果测深仪向下发射低频声波，只有声波中的极少部分被淤泥表面反射，绝大部分声波都进入到淤泥层，而淤泥对低频声波的吸收也不大，所以坚硬海底的反射信号很强，这时测得的海深就是从海面到硬质海底的距离。根据这一现象，科学家们研制出一种双频测深仪。所谓双频就是指它能同时发射并接收高低两种不同频率的声波。这种测深仪用一种高频(例如2000千赫兹)和一种低频(例如30千赫兹)同时向下发射，这样就能同时测出两种不同的海深，并算出淤泥层的厚度了。为什么会有两种不同的海深？怎样测量海水中的声速？从100多年前瑞士物理学家科拉顿第一次测出水中的声速以来，科学家们已经从大量的实验数据中找到了声速与海水的温度、盐度和压力的关系，并总结出了一个经验公式。因此只要测出海水的温度、盐度和压力，就可以根据公式算出海水中的声速了。而温度、盐度和压力这三个基本量可以在海洋观测中测量出来。利用温度、盐度和压力来计算声速，曾是多年来获得海水中声速的惟一方法。经过多年的不断努力，在20世纪70年代初，科学家们终于找到了直接测量海水中声速的方法，并根据这一方法设计制造了声速测量器。很快声速测量器就成为人们迅速、准确测量水下声速的重要工具。声速测量仪用来测量海水中声波传播速度，提供海洋声速剖面图的水声仪器。亦称声速梯度仪。装备于潜艇、反潜水面舰艇、反潜直升机和海洋调查船等。由声速－深度探头和电子收发装置组成。声速－深度探头，包括一对距离固定的收、发换能器和一个压力计。电子收发装置产生电信号，激励探头内的发射换能器发出声波，声波传到接收换能器后，再由收发装置进行处理测出声速。常用声速测量方法，有相位法与环鸣法两种。相位法使用连续波，通过测量发射与接收声波之间的相位差，推算出发射与接收换能器之间海水的声速。环鸣法使用短脉冲，接收换能器每收到一个脉冲，即触发发射换能器再发射一个脉冲，如此反复，根据脉冲重复频率推算出声速。使用时，声速－深度探头在水中下沉，在下沉过程中不断测量声速，同时用压力计测量相应深度，得到测量点声速随深度变化的分布曲线，即海洋声速剖面图。海洋声速剖面图可用于计算声线轨迹(见声线轨迹仪)，也可直接用来选择声纳的有利工作状态和潜艇的最佳航行深度。你知道什么是声纳吗？和雷达一样，声纳这个词也是英文缩写字的音译，有时也译为“声呐”，它的英文原意是“声波导航和测距装置”。不过，现在声纳的含义已经大大超出了水声导航和定位的范围了。一般认为，声纳就是利用声波在水下的传播特性，通过电声转换和信号处理，完成水下目标探测，进行水下通讯或遥测、遥控的设备。时至今日，利用水下声波的最常用设备就是声纳。它是利用辐射器来产生特定的声波，然后再用水听器或水下微音器接收从目标上反射回来的声波，并通过比较接收信号与发射信号之间的差别来获得目标参数的。声纳有主动式和被动式之分，它们之间的主要区别在于声纳是否辐射声信号。主动式声纳是利用辐射器在水中发射声脉冲，然后接收被目标反射回来的声波，进而计算目标的方位和距离等参数；而被动式声纳自己并不产生声辐射。仅仅通过侦听目标的声辐射来确定目标的距离和方位。鱼探仪是怎样发明的？多少年来，人们在哪里捕鱼，在哪里撒网都是靠渔民世世代代传下来的经验。不走运的渔民，可能从早忙到晚，却网网落空，失望而归。只有在鱼探仪出现以后，人们才真正知道哪里有鱼，有多少，才能根据鱼群分布的情况有目的地下网捕鱼。别看鱼探仪的功能这样神奇，可是它的发明却十分偶然。人们在使用回声测深仪测量海深时，一些细心的航海家发现在记录纸上除了海底反射信号外，还有一些星星点点的黑斑。这些黑斑是什么？是仪器出了毛病，还是水中有什么东西？经过反复研究之后才发现，这些星星点点的黑斑原来是由鱼群反射回来的声波引起的。根据这一现象，科学家们提出了大胆的设想。经过一段时间的研究，他们对回声测深仪做了一些改进，形成了今天的垂直鱼探仪。这种鱼探仪可以探测到声纳换能器下方垂直海域内的鱼群分布情况。在第二次世界大战中经常出现一种奇怪的事情，就是通过声纳明明发现了敌人的潜艇，可是开火击中后才发现那不是潜艇而是鱼群。那时，错把鱼群当潜艇的事情真是屡见不鲜。“二战”结束后，人们就开始试验利用军舰上的声纳来探测鱼群。最早将声纳用于渔业生产时是用来探测和跟踪个体巨大的鲸。后来，经过不断的改进，才形成了现代的水平鱼探仪。这种鱼探仪可以探测到鱼群的水平分布情况。声纳会干扰海洋动物的正常生活吗？许多科学家都认为，鲸以及其他海洋哺乳动物是靠它们的听觉来导航的，而海军的声纳系统常常发射高分贝音频信号，对海洋动物而言这些声音就是一种严重的噪声，这些噪声能够破坏海洋动物的听觉系统，使其丧失生存能力。据了解，某些新型声纳系统发出的声音比波音747飞机起飞时的噪声还要高出许多倍呢。2000年3月，在巴哈马群岛海域发现6头死去的鲸，另有14头鲸在这里搁浅，而在那之前的一天，美国海军曾在那里进行了高强度的声纳试验。经过对死亡鲸的解剖分析，专家们发现