水聲學原理第四章2

1、College of Underwater Acoustic Engineering1第四章第四章 海洋中的聲傳播理論海洋中的聲傳播理論第八講第八講 波導中的簡正波與傳播損失波導中的簡正波與傳播損失College of Underwater Acoustic Engineering2本講主要內(nèi)容本講主要內(nèi)容n硬底均勻淺海聲場（重點）硬底均勻淺海聲場（重點）n液態(tài)海底均勻淺海聲場（初步了解）液態(tài)海底均勻淺海聲場（初步了解）College of Underwater Acoustic Engineering3思考題：思考題：n聲波頻率越低，吸收越小，在波導中傳播距離聲波頻率越低，吸收越小，在波導中

2、傳播距離越遠，但在淺海波導中，并非頻率越低越好，越遠，但在淺海波導中，并非頻率越低越好，如何解釋？如何解釋？College of Underwater Acoustic Engineering4n硬底均勻淺海聲場硬底均勻淺海聲場q截止頻率截止頻率n簡正波水平波數(shù)：簡正波水平波數(shù)：n階數(shù)最大取值階數(shù)最大取值:n結(jié)論：結(jié)論：當簡正波階數(shù)當簡正波階數(shù) 時，時， 為虛數(shù)，此為虛數(shù)，此時簡正波隨距離增大指數(shù)衰減時簡正波隨距離增大指數(shù)衰減210cHN22021HncnNn nCollege of Underwater Acoustic Engineering5n硬底均勻淺海聲場硬底均勻淺海聲場q截止頻率截

3、止頻率n解釋：解釋：n結(jié)果：結(jié)果：遠場，聲場可以表示成有限項和：遠場，聲場可以表示成有限項和： 0sinsin22,zkzkrHjzrpznznnn4rjneNnrjznznnnezkzkrHjzrp140sinsin22,College of Underwater Acoustic Engineering6n硬底均勻淺海聲場硬底均勻淺海聲場q臨界頻率：臨界頻率：最高階非衰減簡正波的傳播頻率最高階非衰減簡正波的傳播頻率 q注意注意：當聲源激發(fā)頻率：當聲源激發(fā)頻率 時，波導中不存時，波導中不存在在第第N階階及以上各階簡正波的傳播及以上各階簡正波的傳播q截止頻率：截止頻率：簡正波在波導中無衰減傳播

4、的簡正波在波導中無衰減傳播的最低臨界最低臨界頻率頻率 q注意注意：當聲源頻率：當聲源頻率 時，所有各階簡正波均時，所有各階簡正波均隨距離按隨距離按指數(shù)衰減指數(shù)衰減，遠場聲壓接近零。，遠場聲壓接近零。 HcNN021HcNfN2210Hc201Hcf401N1College of Underwater Acoustic Engineering7n硬底均勻淺海聲場硬底均勻淺海聲場q結(jié)論結(jié)論:n對于上下界面均為對于上下界面均為絕對硬界面的平面波導絕對硬界面的平面波導，最低，最低階簡正波為零階簡正波，截止頻率為階簡正波為零階簡正波，截止頻率為零零，任何頻，任何頻率的聲波均能在波導中傳播；率的聲波均能在

5、波導中傳播；n若聲波頻率小于若聲波頻率小于一階簡正波一階簡正波的截止頻率，則波導的截止頻率，則波導中只有中只有均勻平面波均勻平面波一種行波一種行波 HzzkBzkAzZznnznnn0cossin, 1 , 0,nHnkznCollege of Underwater Acoustic Engineering8n硬底均勻淺海聲場硬底均勻淺海聲場q相速和群速相速和群速 n相速：相速：等相位面的傳播速度等相位面的傳播速度 等相位面：等相位面：q說明說明：淺海水層屬于頻散介質(zhì)。：淺海水層屬于頻散介質(zhì)。220znkk npnc2020ccn201ncconsttrnCollege of Underwat

6、er Acoustic Engineering9ngnddc2020ccnn220znnkk 2020ccnn201ngnccn硬底均勻淺海聲場硬底均勻淺海聲場q群速度：群速度：波形包絡的傳播速度波形包絡的傳播速度 College of Underwater Acoustic Engineering10n硬底均勻淺海聲場硬底均勻淺海聲場q相速和群速與聲波頻率的關(guān)系相速和群速與聲波頻率的關(guān)系College of Underwater Acoustic Engineering11 和和 滿足滿足： 隨隨 增加而增加增加而增加n硬底均勻淺海聲場硬底均勻淺海聲場q相速與群速的區(qū)別相速與群速的區(qū)別 簡正

7、波的群速小于相速簡正波的群速小于相速pnc 隨隨 增加而減小增加而減小gncpncgnc20cccgnpnCollege of Underwater Acoustic Engineering12n硬底均勻淺海聲場硬底均勻淺海聲場q第第n階簡正波分解階簡正波分解n簡正波簡正波 在在z方向上是由兩個波方向上是由兩個波迭加迭加而形成的而形成的駐波駐波n兩平面波與兩平面波與z軸夾角：軸夾角： 44040sin21sinsin22,zkrjzkrjznnrjznznnnznnznnneezkrHezkzkrHjzrpknnarcsinnpCollege of Underwater Acoustic En

8、gineering13n硬底均勻淺海聲場硬底均勻淺海聲場q兩平面波與兩平面波與z軸夾角軸夾角q相速度相速度：等相位面的傳播速度：等相位面的傳播速度q群速群速：波形包絡的傳播速度：波形包絡的傳播速度注意注意：波導為頻散介質(zhì)，導致脈沖波形傳播畸變：波導為頻散介質(zhì)，導致脈沖波形傳播畸變 21sinnnnknpnccsin0ngnccsin0College of Underwater Acoustic Engineering14 2102lg101lg10NnrjnnnnezZzZrrIITL NmnrjmmnnmnNnnnnmnezZzZzZzZrzZzZrTL00120242lg10nZnn硬底均

9、勻淺海聲場硬底均勻淺海聲場q傳播損失（傳播損失（假設單位距離處聲壓振幅為假設單位距離處聲壓振幅為1 ） 當當 和和 均為實數(shù)時，上式等于均為實數(shù)時，上式等于College of Underwater Acoustic Engineering15n硬底均勻淺海聲場硬底均勻淺海聲場q式中，式中，第二項第二項的大小依賴于各階簡正波的大小依賴于各階簡正波相位相位之間之間的的相關(guān)程度相關(guān)程度，隨距離作，隨距離作起伏變化起伏變化；q而而第一求和項第一求和項與簡正波相位無關(guān)，隨距離與簡正波相位無關(guān)，隨距離單調(diào)減單調(diào)減小小 q說明說明：聲強隨：聲強隨 距離增加作起距離增加作起 伏下降，呈現(xiàn)伏下降，呈現(xiàn) 干涉曲

10、線干涉曲線 College of Underwater Acoustic Engineering16n硬底均勻淺海聲場硬底均勻淺海聲場 當層中聲傳播條件充分不均勻，簡正波之間相位無當層中聲傳播條件充分不均勻，簡正波之間相位無關(guān)，則關(guān)，則 q硬質(zhì)海底硬質(zhì)海底的淺海聲場傳播損失的淺海聲場傳播損失 注意注意：該式為簡正波：該式為簡正波相位無規(guī)相位無規(guī)假設下的聲傳播損失假設下的聲傳播損失 NnnnnzZzZrTL12022lg10NnznznnzkzkrHTL12022sinsin24lg10College of Underwater Acoustic Engineering17n硬底均勻淺海聲場硬底

11、均勻淺海聲場q假設聲源和接收器假設聲源和接收器遠離海面遠離海面和和海底海底 、 在在0和和1之間隨機取值，對深之間隨機取值，對深度取平均，有度取平均，有因此有：因此有：02sinzkznzkzn2sin21sin2xdxNnnrHTL1212lg10College of Underwater Acoustic Engineering180cHN 201Nncn2111120010201201HdNcdxxNcNncNnNnnHrHrTLlg10lg10lg10n硬底均勻淺海聲場硬底均勻淺海聲場q如果波導中簡正波個數(shù)較多，則如果波導中簡正波個數(shù)較多，則 傳播損失為：傳播損失為：College o

12、f Underwater Acoustic Engineering19n硬底均勻淺海聲場硬底均勻淺海聲場qTL隨聲波隨聲波掠射角掠射角的變化的變化 式中，式中， 為臨界掠射角。為臨界掠射角。n硬質(zhì)海底硬質(zhì)海底n非絕對硬海底非絕對硬海底 、 ，掠射角，掠射角 的聲波受的聲波受到海底全反射，到海底全反射， 的聲波經(jīng)海底反射很快的聲波經(jīng)海底反射很快衰減。它的傳播損失衰減。它的傳播損失大于大于硬質(zhì)海底的硬質(zhì)海底的TL值。值。 cHrTL2lg10lg10c2c21cc 2c ccCollege of Underwater Acoustic Engineering20n硬底均勻淺海聲場硬底均勻淺海聲場q

13、TL隨隨聲源聲源（接收點接收點）位置位置的變化的變化n聲源（接收點）位于海面附近，聲源（接收點）位于海面附近，TL變大。變大。n聲源（接收點）位于海底附近，聲源（接收點）位于海底附近，TL變小。變小。n原因原因： 主要是主要是 取值概率變化，使其平均值取值概率變化，使其平均值不等于不等于1/2。1）靠近海面，小于）靠近海面，小于1/22）靠近海底，大于）靠近海底，大于1/2 02sinzkznCollege of Underwater Acoustic Engineering21n液態(tài)海底均勻淺海聲場液態(tài)海底均勻淺海聲場波導模型波導模型Pekeris模型（分層介質(zhì)模型）模型（分層介質(zhì)模型） C

14、ollege of Underwater Acoustic Engineering22 1,sinsin20,sinsin,140212002rezkzkArjHzrHzkzkAjzrpnNnrjznznnnNnnznznnn2212nznck HktgHkHkHkHkkAznznznznznznn2212sincossin2n液態(tài)海底均勻淺海聲場液態(tài)海底均勻淺海聲場q液態(tài)海底均勻淺海聲場的解為：液態(tài)海底均勻淺海聲場的解為：College of Underwater Acoustic Engineering23n液態(tài)海底均勻淺海聲場液態(tài)海底均勻淺海聲場 在液態(tài)下半空間（在液態(tài)下半空間（ZH）中

15、，振幅沿深度按指數(shù)規(guī)律）中，振幅沿深度按指數(shù)規(guī)律衰減，頻率越高，振幅衰減越快。高頻聲波在界面發(fā)衰減，頻率越高，振幅衰減越快。高頻聲波在界面發(fā)生全反射時，能量幾乎全被反射回水層中，波的能量生全反射時，能量幾乎全被反射回水層中，波的能量幾乎被限制在層內(nèi)傳播。幾乎被限制在層內(nèi)傳播。q簡正波簡正波n臨界頻率臨界頻率說明說明：根據(jù)臨界頻率，可以反演海底介質(zhì)的聲速。：根據(jù)臨界頻率，可以反演海底介質(zhì)的聲速。,2,1,12212210nccHncfnCollege of Underwater Acoustic Engineering24n液態(tài)海底均勻淺海聲場液態(tài)海底均勻淺海聲場q簡正波簡正波n截止頻率截止頻率q傳播損失傳播損失 海底的全內(nèi)反射臨界掠射角為海底的全內(nèi)反射臨界掠射角為 ，有，有 傳播損失近似公式：傳播損失近