(完整版)第三章 海洋的聲學(xué)特性

1、 海底反射損失為正值，BL分貝數(shù)越大，海底反射損失越大；V為反射系數(shù)模值。.（,二）.一匱史速也底特點：海底呈液態(tài)、聲速大于海水聲速（cc,n1）。21海底反射損失BL值和反射系數(shù)模V隨掠射角中的變化，如圖（a）所示。曲線a是海底沒有聲吸收情況；曲線b和c是海底有聲吸收情況，曲線c海底聲吸收大于曲線b的海底聲吸收。（二）低聲速海底特點：聲速小于海水聲速（c1）。21海底反射損失BL值和反射系數(shù)模V隨掠射角中的變化，如圖（b）所示。曲線a是海底沒有聲吸收情況；曲線b和c是海底有聲吸收情況，曲線c海底聲吸收大于曲線b的海底聲吸收。聲波垂直入射，反射系數(shù)和海底反射損失為:pcpc-pcV=22Ipc

2、+pc2211BL=20lgV右圖為根據(jù)深海實測到的海底反射損失的平均值，小掠射角的數(shù)據(jù)是實驗值的外推。由此圖可看出，海底沉積層的反射損失隨掠射角變化有三個特征：（1）存在一個“分界掠射角”隼*；當(dāng)中*時，反射損失值較?。划?dāng)中*時，反射損失較大。隼*是海底反射損失的一個特征參數(shù)。（2）小掠射角*范圍內(nèi)，反射損失隨隼二增加。（3）大掠射角cpcp范圍內(nèi)，反射損失與（P無明顯依賴關(guān)系，有時會出現(xiàn)反射損失值的“振蕩”變化，一般可近似為常數(shù)。根據(jù)海底反射的特征，我國學(xué)者尚爾昌提出三參數(shù)模型:Q0*-201nM3)=1兀一1nV=const3*3一o2三個參數(shù)為：Q、口和-1nV0。該模型表示海底反射損

3、失的基本特征。參數(shù)計算|:根據(jù)反射系數(shù)表達(dá)式和Hamilton總結(jié)的沉積物衰減系數(shù)a=Kf求得。（1）“分界掠射角”中*為全內(nèi)反射角：中*=arccos（n），聲速比n=匕。c2（2）V為掠射角等于兀：2時的反射系數(shù)模：V=二，密度比m=2。TOC o 1-5 h z00m+np1（3）參數(shù)Q等于Q=：L1nV（p）。根據(jù)全內(nèi)反射時反射系數(shù)：卸P=0mcos0+ii-sin20-n2 HYPERLINK l bookmark133 R=i_)imcos0.一i、/sin20.一n2令.0廠2=M1+M2令.0廠2=M1+M2注意：三參數(shù)模型可用于分析海洋中聲場的平均結(jié)構(gòu)。3.4海面海面波浪：周

4、期性一一周期、波長、波速和波高等量來描述其特征；隨機(jī)起伏性一一概率密度分布、方差、譜和相關(guān)函數(shù)等來描述其特征。lnnnnaaaaa（一）重力波重力波：以重力作為恢復(fù)力的波動。描述波浪的四要素：波長、波高、周期和波速，它們之間的關(guān)系：A=cT。波浪的波數(shù)：k=2兀A=3：c。忽略粘滯性的影響，水深h的均勻海洋的波速：c2=tanh（h）k式中，g為重力加速度。O一表面張力.汲表面張力波：表面張力為主要恢復(fù)力的波動。米。波速為：通常是小風(fēng)速時，海水表面曲率半徑只有幾厘表面張力波：表面張力為主要恢復(fù)力的波動。米。波速為：通常是小風(fēng)速時，海水表面曲率半徑只有幾厘C2tanhW式中，Tf為表面張力。波長

5、越長，代表表面張力波速的第二項就減小，見圖中虛線a。常識：波長大于10cmC2tanhW式中，Tf為表面張力。波長越長，代表表面張力波速的第二項就減小，見圖中虛線a。常識：波長大于10cm基本上屬于重力波。注意：波長與波速之間的變化關(guān)系，重力波與表面張力波不同。對于小波長的波，表面深水有tanh（kh）-1，則波速簡寫成：根據(jù)上述波速（相速度）表達(dá)式，波速與頻率（和波長）有關(guān)，形成波浪頻散彌散波對于多個頻率傳播的波，其傳播速度由群速度決定。（三）波浪的形成和等級波浪的形成與風(fēng)速、風(fēng)持續(xù)時間、風(fēng)區(qū)等因素有關(guān)。風(fēng)傳給波浪的能量等于波浪破碎時損失的能量（達(dá)到平衡狀態(tài)），風(fēng)浪成為充分成長的風(fēng)浪。國際標(biāo)

6、準(zhǔn)：海況分成9級，見書中列表。概念：平均波高H:波峰到波谷垂直距離的平均值。有效波高H,3：記錄中1/3最大波高的平均值;平均1/10最大波高H：記錄中1/10最大波高的平均值;110三者之間關(guān)系:WH=三者之間關(guān)系:WH=0.25H13=0.20H1102niw波浪有隨機(jī)性，將其視為隨機(jī)過程，研究其統(tǒng)計特性:（一）波浪的概率密度分布海面偏離平衡位置的位移cC）服從高斯分布:Pi、:2Pi、:2兀工;I960年，Kinsman實際測量表明：海面的概率分布服從正偏態(tài)的Gram-Charlier分布，與高斯分布稍有差別。常識：在水聲學(xué)中經(jīng)常將波面的概率分布視為高斯分布。（二）波浪的譜在水聲學(xué)中，經(jīng)

7、常采用1964年P(guān)ierson和Moskowity根據(jù)大量觀測資料提出充分成長的波譜，即P-M譜：S（3）=ag-exp-P35式中，a=8.1x10-3；B=0.74；3=gu，u為海面19.5m處的風(fēng)速，m/s。0195195P-M譜為一維譜，而實際上波浪是時空譜。3、海面表面層內(nèi)的氣泡層有風(fēng)浪的海面下經(jīng)常形成一層空氣泡，它的厚度和濃度取決于波浪要素、表層水的湍動混合強度、空化強度以及溶解在水中的空氣飽和程度。關(guān)于氣泡的聲學(xué)性質(zhì)在后續(xù)章節(jié)中介紹。4、海面對聲傳播的影響簡介海面反射性質(zhì)：鏡反射和漫散射，隨著海面粗糙度增加，漫散射場占主要分量。在水聲學(xué)中，海面的反向散射是海面混響的形成原因。海面波動，其散射場中含有多普勒頻移分量。詳細(xì)內(nèi)容會在后續(xù)章節(jié)中介紹3.5海洋內(nèi)部的不均勻性海洋的不均勻性：海底海面的不均勻行、海水溫度和鹽度垂直分層特性，內(nèi)部湍流、內(nèi)部、海流和深水散射層等等。1、湍流湍流：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)則運動。它是一種隨機(jī)運動的旋轉(zhuǎn)流。它形成海水中溫度和鹽度的席位結(jié)構(gòu)變化，引起聲速的微結(jié)構(gòu)變化。2、內(nèi)波內(nèi)波：兩種不同密度液體在其疊合界面上所產(chǎn)生的波動。內(nèi)波波長可達(dá)幾十公里到幾百公里，波高從10米到100米。它對低頻、遠(yuǎn)距離的聲傳播信號有中大影響。3、海流畫：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