水聲學(xué)-海洋的聲學(xué)特性1ppt課件

1、第三章第三章 海洋的聲學(xué)特性海洋的聲學(xué)特性第六講第六講 海面和海底的聲學(xué)特性海面和海底的聲學(xué)特性本講主要內(nèi)容本講主要內(nèi)容n本章知識點(diǎn)測試本章知識點(diǎn)測試n海底的聲學(xué)特性海底的聲學(xué)特性n海面的聲學(xué)特性海面的聲學(xué)特性n海洋內(nèi)部的不均勻性海洋內(nèi)部的不均勻性0、第三章知識點(diǎn)測試、第三章知識點(diǎn)測試n畫出三種常見的海水聲速分布，解釋其形成的原因。畫出三種常見的海水聲速分布，解釋其形成的原因。n深海聲道聲速分布深海聲道聲速分布n表面聲道聲速分布表面聲道聲速分布n淺海負(fù)梯度聲速分布淺海負(fù)梯度聲速分布n聲波在海水中傳播時其聲強(qiáng)會逐漸減少的原因有哪些？聲波在海水中傳播時其聲強(qiáng)會逐漸減少的原因有哪些？n幾何擴(kuò)展、吸收

2、、散射幾何擴(kuò)展、吸收、散射n海水聲吸收的原因是什么？海水聲吸收的原因是什么？n切變粘滯聲吸收、熱傳導(dǎo)聲吸收、馳豫吸收切變粘滯聲吸收、熱傳導(dǎo)聲吸收、馳豫吸收n含氣泡群的海水聲吸收的原因是什么？含氣泡群的海水聲吸收的原因是什么？n切變粘滯聲吸收、熱傳導(dǎo)聲吸收、散射切變粘滯聲吸收、熱傳導(dǎo)聲吸收、散射搖號搖號平臺平臺一、海底聲學(xué)特性一、海底聲學(xué)特性n海底結(jié)構(gòu)、地形和沉積層是影響聲波傳播的重要因素海底結(jié)構(gòu)、地形和沉積層是影響聲波傳播的重要因素一、海底聲學(xué)特性一、海底聲學(xué)特性n海底對聲波的吸收、散射和反射等聲學(xué)特性關(guān)系到水聲設(shè)海底對聲波的吸收、散射和反射等聲學(xué)特性關(guān)系到水聲設(shè)備作用距離的遠(yuǎn)近備作用距離的遠(yuǎn)

3、近n海底聲波反射系數(shù)與海底地形有明顯的依賴關(guān)系。高于幾海底聲波反射系數(shù)與海底地形有明顯的依賴關(guān)系。高于幾千赫頻率的聲波，海底粗糙度是千赫頻率的聲波，海底粗糙度是n 影響聲波反射的主要作用影響聲波反射的主要作用n反向散射強(qiáng)度反向散射強(qiáng)度(朝聲源方向的聲散射朝聲源方向的聲散射) n定義：單位界面上單位立體角中定義：單位界面上單位立體角中n 所散射出去的功率與入射波強(qiáng)度所散射出去的功率與入射波強(qiáng)度n 之比。之比。n深海平原海底反向散射強(qiáng)度與入射角的關(guān)系深海平原海底反向散射強(qiáng)度與入射角的關(guān)系n在小入射角時，散射在小入射角時，散射n強(qiáng)度隨入射角增大而減小，強(qiáng)度隨入射角增大而減小，n與頻率一般無關(guān)與頻率一

4、般無關(guān)n入射角入射角5度時，散射度時，散射n強(qiáng)度強(qiáng)度10lgms近似與近似與 n成正比成正比n大入射角時，散射強(qiáng)度可能與頻率的四次方成正比大入射角時，散射強(qiáng)度可能與頻率的四次方成正比一、海底聲學(xué)特性一、海底聲學(xué)特性2cos一、海底聲學(xué)特性一、海底聲學(xué)特性n非常粗糙海底反向散射強(qiáng)度與入射角的關(guān)系非常粗糙海底反向散射強(qiáng)度與入射角的關(guān)系n反向散射強(qiáng)度幾乎與入射角無關(guān)反向散射強(qiáng)度幾乎與入射角無關(guān)n反向散射強(qiáng)度幾乎與頻率無關(guān)反向散射強(qiáng)度幾乎與頻率無關(guān)n ：為什么人們關(guān)心海底反向散射強(qiáng)度？：為什么人們關(guān)心海底反向散射強(qiáng)度？一、海底聲學(xué)特性一、海底聲學(xué)特性n為什么人們關(guān)心海底反向散射強(qiáng)度？為什么人們關(guān)心海底

5、反向散射強(qiáng)度？n傳統(tǒng)的聲納為收發(fā)合置聲納傳統(tǒng)的聲納為收發(fā)合置聲納n傳統(tǒng)聲納的工作頻率較高傳統(tǒng)聲納的工作頻率較高n海底的聲散射形成海底混響海底的聲散射形成海底混響n一維、二維界面的聲散射強(qiáng)度一維、二維界面的聲散射強(qiáng)度n雙基地聲納雙基地聲納n多基地聲納多基地聲納n低頻聲散射強(qiáng)度低頻聲散射強(qiáng)度一、海底聲學(xué)特性一、海底聲學(xué)特性n海底聲散射海底聲散射n緣由：緣由：n海底表面的不平整性海底表面的不平整性n海底內(nèi)部的不均勻性海底內(nèi)部的不均勻性n建模：建模：n微擾法微擾法n小斜率近似小斜率近似一、海底聲學(xué)特性一、海底聲學(xué)特性n人們關(guān)心的海底參數(shù)人們關(guān)心的海底參數(shù)n聲速反演）聲速反演）n密度反演）密度反演）n衰

6、減系數(shù)反演）衰減系數(shù)反演）n底質(zhì)取樣）底質(zhì)取樣）n垂直分層結(jié)構(gòu)取樣）垂直分層結(jié)構(gòu)取樣）n ：如何獲取海底的聲學(xué)參數(shù)？：如何獲取海底的聲學(xué)參數(shù)？n 如何快速準(zhǔn)確獲??？如何快速準(zhǔn)確獲取？一、海底聲學(xué)特性一、海底聲學(xué)特性n多波束側(cè)掃聲納探測海底底質(zhì)多波束側(cè)掃聲納探測海底底質(zhì)一、海底聲學(xué)特性一、海底聲學(xué)特性n海底沉積層的聲學(xué)特性海底沉積層的聲學(xué)特性n描畫：覆蓋海底之上的一層非凝固態(tài)處于液態(tài)和固態(tài)之描畫：覆蓋海底之上的一層非凝固態(tài)處于液態(tài)和固態(tài)之間的物質(zhì)。間的物質(zhì)。 n聲速：沉積層中有壓縮波速度聲速和切變波速度兩種。聲速：沉積層中有壓縮波速度聲速和切變波速度兩種。n衰減系數(shù)衰減系數(shù)dB/m） n海底聲反

7、射損失海底聲反射損失n定義：反射聲振幅相對入射聲振幅減小的分貝數(shù)定義：反射聲振幅相對入射聲振幅減小的分貝數(shù)mKfVppBLirlg20lg203/024. 1cmgws一、海底聲學(xué)特性一、海底聲學(xué)特性n海底反射系數(shù)模和反射損失海底反射系數(shù)模和反射損失BL值隨掠射角的變化值隨掠射角的變化n高聲速海底高聲速海底n ：a曲線有一段是直線，表示什么物理含義？曲線有一段是直線，表示什么物理含義？一、海底聲學(xué)特性一、海底聲學(xué)特性n海底反射系數(shù)模和反射損失海底反射系數(shù)模和反射損失BL值隨掠射角的變化值隨掠射角的變化n低聲速海底低聲速海底n深海實(shí)測的海底反射損失深海實(shí)測的海底反射損失n特征：特征：n存在一個存

8、在一個“分界掠射角分界掠射角” 海底反射損失的一個特征海底反射損失的一個特征參數(shù)參數(shù)n當(dāng)當(dāng) 時，反射損失值較小，隨時，反射損失值較小，隨 增大而增加增大而增加n當(dāng)當(dāng) 時，反射損失較大，與時，反射損失較大，與 無明顯依賴關(guān)系無明顯依賴關(guān)系一、海底聲學(xué)特性一、海底聲學(xué)特性一、海底聲學(xué)特性一、海底聲學(xué)特性 2,ln0 ,ln0constVQVn海底反射損失簡化模型海底反射損失簡化模型三參數(shù)模型三參數(shù)模型n海底反射損失簡化模型海底反射損失簡化模型三參數(shù)模型三參數(shù)模型n三參數(shù)：三參數(shù)： 、 、n參數(shù)計(jì)算參數(shù)計(jì)算n ：nV0：nQ：Q0lnV narccos21/ccn nmnmV012/m 0lnVQ一

9、、海底聲學(xué)特性一、海底聲學(xué)特性n海底反射損失簡化模型海底反射損失簡化模型三參數(shù)模型三參數(shù)模型nQ的計(jì)算具體過程的計(jì)算具體過程n ：實(shí)際海底存在吸收，可將海底聲速視為復(fù)數(shù)，：實(shí)際海底存在吸收，可將海底聲速視為復(fù)數(shù)，n 此時不再發(fā)生全內(nèi)反射。此時不再發(fā)生全內(nèi)反射。一、海底聲學(xué)特性一、海底聲學(xué)特性2*2*/Re/21ln21lnVVVVVVVVVVVn海底反射損失簡化模型海底反射損失簡化模型三參數(shù)模型三參數(shù)模型nQ的計(jì)算具體過程的計(jì)算具體過程n ?。喝。簄令：令：一、海底聲學(xué)特性一、海底聲學(xué)特性222222222cossincos/sincoscos2nimnnimV2222sincossincos

10、nimnimViiii2121iMMn221210*2iMMiMMimVVn海底反射損失簡化模型海底反射損失簡化模型三參數(shù)模型三參數(shù)模型nQ的計(jì)算具體過程的計(jì)算具體過程n教材上：教材上：n ：三參數(shù)模型可用于分析海洋中聲場的平均結(jié)構(gòu)：三參數(shù)模型可用于分析海洋中聲場的平均結(jié)構(gòu)一、海底聲學(xué)特性一、海底聲學(xué)特性222122MMmMQ2221202*2/ReMMmMVVVQ二、海面的聲學(xué)特性二、海面的聲學(xué)特性 n海面波浪海面波浪n周期性周期性周期、波長、波速和波高等量描述其特征；周期、波長、波速和波高等量描述其特征；n隨機(jī)起伏性隨機(jī)起伏性概率密度分布、方差、譜和相關(guān)函數(shù)等描概率密度分布、方差、譜和相關(guān)

11、函數(shù)等描述其特征。述其特征。二、海面的聲學(xué)特性二、海面的聲學(xué)特性n波浪的基本特征波浪的基本特征n重力表面波：以重力作為恢復(fù)力的波動重力表面波：以重力作為恢復(fù)力的波動n表面張力波：以表面張力作為恢復(fù)力的波動表面張力波：以表面張力作為恢復(fù)力的波動n波浪的形成和等級波浪的形成和等級n平均波高、有效波高、平均平均波高、有效波高、平均1/10最大波高最大波高n波浪的統(tǒng)計(jì)特征波浪的統(tǒng)計(jì)特征n波浪的概率密度分布：波浪的概率密度分布：n ：在水聲學(xué)中經(jīng)常將波面的概率分布視為高斯分布：在水聲學(xué)中經(jīng)常將波面的概率分布視為高斯分布n充分成長的海浪譜充分成長的海浪譜nPierson-Moskowitz譜譜P-M譜）譜

12、）二、海面的聲學(xué)特性二、海面的聲學(xué)特性n海面表面層內(nèi)的氣泡層海面表面層內(nèi)的氣泡層n聲波的吸收體聲波的吸收體n聲波的散射體聲波的散射體 n海面對聲傳播的影響簡介海面對聲傳播的影響簡介 n鏡反射鏡反射n漫散射：形成散射場。隨著海面粗糙度增加，漫散射場占漫散射：形成散射場。隨著海面粗糙度增加，漫散射場占主要分量。主要分量。n反向聲散射：形成海面混響反向聲散射：形成海面混響n海面波動：導(dǎo)致海面散射波產(chǎn)生多普勒頻移海面波動：導(dǎo)致海面散射波產(chǎn)生多普勒頻移三、海洋內(nèi)部的不均勻性三、海洋內(nèi)部的不均勻性n湍流湍流n描畫：流體流經(jīng)固體表面或是流體內(nèi)部出現(xiàn)的一種不規(guī)則描畫：流體流經(jīng)固體表面或是流體內(nèi)部出現(xiàn)的一種不規(guī)

13、則運(yùn)動。它是一種隨機(jī)運(yùn)動的旋轉(zhuǎn)流。運(yùn)動。它是一種隨機(jī)運(yùn)動的旋轉(zhuǎn)流。n它形成海水中溫度和鹽度的細(xì)微結(jié)構(gòu)變化，引起聲速的微它形成海水中溫度和鹽度的細(xì)微結(jié)構(gòu)變化，引起聲速的微結(jié)構(gòu)變化。結(jié)構(gòu)變化。 n內(nèi)波內(nèi)波n描畫：兩種不同密度液體在其疊合界面上所產(chǎn)生的波動。描畫：兩種不同密度液體在其疊合界面上所產(chǎn)生的波動。n波長可達(dá)幾十公里到幾百公里，波高從波長可達(dá)幾十公里到幾百公里，波高從10米到米到100米。米。n對低頻、遠(yuǎn)距離的聲傳播信號有重大影響。對低頻、遠(yuǎn)距離的聲傳播信號有重大影響。 三、海洋內(nèi)部的不均勻性三、海洋內(nèi)部的不均勻性n海流海流n描畫：海水從一個地方向另一個地方作連續(xù)流動的現(xiàn)象。描畫：海水從一個地方向另一個地方作連續(xù)流動的現(xiàn)象。基本在水平方向上流動，流速較快，呈長帶狀。其邊緣將基本在水平方向上流動，流速較快，呈長帶狀。其邊緣將海洋分成物理性質(zhì)差異很大的