第4章典型傳播條件下聲傳播

第4章典型傳播條件下聲傳播2本章主要目的運(yùn)用射線聲學(xué)方法討論常見海洋波導(dǎo)的聲傳播規(guī)律。了解聲波在何種海洋波導(dǎo)的可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳播以及對(duì)水聲設(shè)備的影響。第4章典型傳播條件下聲傳播水聲學(xué)1、波動(dòng)表示方法

設(shè)點(diǎn)源S靠近海面，視海面為絕對(duì)軟平面，根據(jù)鏡反射原理引入虛源S1。P點(diǎn)接收聲壓：4.1鄰近海面的水下點(diǎn)源聲場(chǎng)3第4章典型傳播條件下聲傳播水聲學(xué)

從射線聲學(xué)的角度來(lái)講，接收點(diǎn)是由直達(dá)聲線和海面反射系數(shù)為-1的反射聲線疊加。對(duì)于平整海面，為什么可利用平面聲波的反射系數(shù)代替球面波的反射系數(shù)？4.1鄰近海面的水下點(diǎn)源聲場(chǎng)1、波動(dòng)表示方法4第4章典型傳播條件下聲傳播水聲學(xué)2、聲壓振幅隨距離的變化

假設(shè)、，則可得4.1鄰近海面的水下點(diǎn)源聲場(chǎng)5第4章典型傳播條件下聲傳播水聲學(xué)

接收點(diǎn)P聲壓：4.1鄰近海面的水下點(diǎn)源聲場(chǎng)6第4章典型傳播條件下聲傳播水聲學(xué)2、聲壓振幅隨距離的變化（1）聲壓取極大值，且是單個(gè)點(diǎn)源的兩倍。直達(dá)聲與海面反射聲同相疊加。4.1鄰近海面的水下點(diǎn)源聲場(chǎng)7第4章典型傳播條件下聲傳播水聲學(xué)2、聲壓振幅隨距離的變化（2）聲壓取極小值。直達(dá)聲與海面反射聲反相疊加。合成聲壓不等于零，是由于兩者到接收點(diǎn)距離不等。4.1鄰近海面的水下點(diǎn)源聲場(chǎng)8第4章典型傳播條件下聲傳播水聲學(xué)2、聲壓振幅隨距離的變化（3）近場(chǎng)菲涅耳（Fresnel）干涉區(qū)向遠(yuǎn)場(chǎng)夫朗和費(fèi)（Fraunhofer）區(qū)過(guò)渡點(diǎn)：近場(chǎng)菲涅耳區(qū)聲壓振幅起伏變化，遠(yuǎn)場(chǎng)夫朗和費(fèi)區(qū)聲壓振幅單調(diào)變化。對(duì)于非均勻聲速分布，該干涉現(xiàn)象仍存在。4.1鄰近海面的水下點(diǎn)源聲場(chǎng)9第4章典型傳播條件下聲傳播水聲學(xué)3、傳播損失4.1鄰近海面的水下點(diǎn)源聲場(chǎng)10第4章典型傳播條件下聲傳播水聲學(xué)4、非絕對(duì)反射海面下的傳播損失海面散射鏡向反射彌漫散射相干波非相干波4.1鄰近海面的水下點(diǎn)源聲場(chǎng)11第4章典型傳播條件下聲傳播水聲學(xué)反射系數(shù)由平均反射系數(shù)給出：

反映海面散射場(chǎng)中相干散射成分的大小，與波浪的垂直位移、聲波頻率和掠射角有關(guān)。

4.1鄰近海面的水下點(diǎn)源聲場(chǎng)12第4章典型傳播條件下聲傳播水聲學(xué)4、非絕對(duì)反射海面下的傳播損失直達(dá)聲與海面反射聲的合成聲場(chǎng)：4.1鄰近海面的水下點(diǎn)源聲場(chǎng)13第4章典型傳播條件下聲傳播水聲學(xué)4、非絕對(duì)反射海面下的傳播損失14問(wèn)題：表面聲道如何形成？有何特征？4.2表面聲道（混合層聲道）水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播15聲道形成原因：

由于海洋中湍流和風(fēng)浪對(duì)表面海水的攪拌作用，在海表面下形成一定厚度的溫度均勻的混合層（等溫層）。在層內(nèi)溫度均勻，壓力隨深度增加，聲速呈正梯度分布。

4.2表面聲道（混合層聲道）水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播16聲道特點(diǎn)：

混合層中，聲線幾乎被完全限制在表面層中傳播，聲線不斷受海面反射，小掠射角聲線在混合層底部不斷發(fā)生反轉(zhuǎn)，因而，聲信號(hào)在表面聲道中可遠(yuǎn)距離傳播。

水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播4.2表面聲道（混合層聲道）17根據(jù)表面聲道傳播的主要特征，把聲速簡(jiǎn)化為線性正梯度分布：

海表面聲速值

海表面混合層的厚度

水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播1、表面聲道“線性”模型和聲傳播4.2表面聲道（混合層聲道）18水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播1）聲線和參數(shù)4.2表面聲道（混合層聲道）反轉(zhuǎn)深度：在表面聲道中傳播的聲線發(fā)生反轉(zhuǎn)的深度反轉(zhuǎn)深度特點(diǎn)：聲線的掠射角

水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播1）聲線和參數(shù)4.2表面聲道（混合層聲道）1920一般來(lái)說(shuō)在表面聲道傳播的聲線掠射角都是小量，近似可得：根據(jù)折射定律，可得反轉(zhuǎn)深度水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播1）聲線和參數(shù)4.2表面聲道（混合層聲道）臨界角：在表面聲道層深處發(fā)生反轉(zhuǎn)的聲線，其聲源處和海面處的掠射角最大，稱為臨界角；該聲線為臨界聲線。

水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播1）聲線和參數(shù)4.2表面聲道（混合層聲道）21當(dāng)聲源處掠射角或海面掠射角的聲線被束縛在聲道內(nèi)傳播，稱為“聲道聲線”；反之，未被束縛的聲線越出表面聲道，進(jìn)入深水域中，在傳播時(shí)經(jīng)歷海底反射，有較強(qiáng)的衰減，因而在較遠(yuǎn)距離上可被忽略。

水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播22跨度D：聲線在海面相鄰兩次反射點(diǎn)之間的水平距離。

水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播231）聲線和參數(shù)4.2表面聲道（混合層聲道）24聲線傳播水平距離公式:

海面掠射角聲線的跨度D：

跨度D與反轉(zhuǎn)深度的關(guān)系

水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播1）聲線和參數(shù)4.2表面聲道（混合層聲道）由跨度的表達(dá)式可知：海面掠射角越大，跨度也越大。

最大跨度：

最小跨度：

水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播251）聲線和參數(shù)4.2表面聲道（混合層聲道）

假設(shè)聲源和接收器位于海面附近，相距為r，有許多不同循環(huán)次數(shù)的聲線（信道的多途）可以到達(dá)接收點(diǎn)（特征聲線），它們?cè)诤Ｃ嫣幍穆由浣菨M足方程：循環(huán)數(shù)N：聲源與接收點(diǎn)之間所容納不同掠射角聲線跨度數(shù)目。

特征聲線對(duì)應(yīng)的掠射角為：水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播261）聲線和參數(shù)4.2表面聲道（混合層聲道）討論：

循環(huán)數(shù)N越大，聲線越接近海面，

循環(huán)數(shù)N越大，相鄰聲線的掠射角越接近，聲線越密集，聲能越集中。聲源輻射到層厚內(nèi)的聲能量W與掠射角有如下關(guān)系為：沿海面?zhèn)鞑サ穆暰€。（聲源均勻輻射）聲源輻射聲能主要集中在海表面層附近，類似于“北京天壇的回音壁”、“夜半鐘聲到客船”。

水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播271）聲線和參數(shù)4.2表面聲道（混合層聲道）聲線經(jīng)過(guò)微元ds的傳播時(shí)間：根據(jù)折射定律，可得：傳播時(shí)間：水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播282）傳播時(shí)間4.2表面聲道（混合層聲道）

跨度的傳播時(shí)間：假設(shè)聲源與接收器靠近海面，則由源到接收器N次循環(huán)的聲線的總傳播時(shí)間近似為：循環(huán)數(shù)為N的聲線掠射角為：

水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播292）傳播時(shí)間4.2表面聲道（混合層聲道）

利用級(jí)數(shù)：

討論：最接近海底傳播的聲線（N最?。瑐鞑r(shí)間最短，最先到達(dá)接收點(diǎn)；最靠近海面?zhèn)鞑サ穆暰€（N最大），傳播時(shí)間最長(zhǎng)，最后到達(dá)接收點(diǎn)。即聲線在海面反射的次數(shù)越多，其傳播時(shí)間越長(zhǎng)。單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)接收點(diǎn)的聲線數(shù)目隨N增加而增大。

水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播302）傳播時(shí)間4.2表面聲道（混合層聲道）

大西洋實(shí)驗(yàn)記錄：爆炸聲源位于700米深，接收點(diǎn)位于1200米深，兩者相距1880千米。

確定信號(hào)的整個(gè)持續(xù)時(shí)間，只考慮聲道聲線，有：

信號(hào)持續(xù)時(shí)間與距離成正比。

水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播312）傳播時(shí)間4.2表面聲道（混合層聲道）

在表面聲道中，入射平面波為從海表面向下傳播的聲波，反射平面波為經(jīng)過(guò)反轉(zhuǎn)點(diǎn)后由深度H向上傳播的波。

32

反射波與入射波之間的相移：深度方向上，傳播路徑引起的相移聲波的反轉(zhuǎn)引入的相位損失。

在反轉(zhuǎn)點(diǎn)以上聲場(chǎng)為上行波和下行波之和；在反轉(zhuǎn)點(diǎn)以下聲場(chǎng)為沿深度方向指數(shù)衰減的非均勻波。

水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播2、表面聲道截止頻率4.2表面聲道（混合層聲道）33假設(shè)反射波與入射波的模相等，則海面的反射系數(shù)：根據(jù)自由海面邊界條件，反射系數(shù)滿足：

水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播2、表面聲道截止頻率4.2表面聲道（混合層聲道）34

根據(jù)折射定理，則傳播路徑引起的相移：表面聲道各階簡(jiǎn)正波的臨界頻率：水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播2、表面聲道截止頻率4.2表面聲道（混合層聲道）35當(dāng)n=0時(shí)，可求得表面聲道的截止頻率：表面聲道傳播所允許的最大波長(zhǎng)為：注意：這里利用不均勻反射系數(shù)近似表示式所應(yīng)滿足的邊界條件，推導(dǎo)出表面聲道的截止頻率。波動(dòng)理論是利用頻散方程的根求得。水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播2、表面聲道截止頻率4.2表面聲道（混合層聲道）36

設(shè)表面聲道中有一無(wú)方向性點(diǎn)源，在表面聲道中作遠(yuǎn)距離傳播聲線掠射角，離點(diǎn)聲源單位距離處，在到范圍內(nèi)的聲束能量分布在面積上：水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播3、傳播損失4.2表面聲道（混合層聲道）37

在遠(yuǎn)距離r處，忽略介質(zhì)吸收和聲漏射（聲波海面散射引起的），聲束能量分布在高度為H、半徑為r圓柱面積A2上：通過(guò)面積A1和A2功率是相同的，則距離r處的聲傳播損失為：r0稱為過(guò)渡距離當(dāng)傳播距離r<r0時(shí)，聲波按球面規(guī)律擴(kuò)展；當(dāng)傳播距離r>r0時(shí)，聲波過(guò)渡為柱面規(guī)律擴(kuò)展。水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播3、傳播損失4.2表面聲道（混合層聲道）38與簡(jiǎn)正波方法求解結(jié)果比較：表面聲道的傳播損失與簡(jiǎn)正波方法求得的淺海均勻聲場(chǎng)傳播損失在形式上一樣。共同點(diǎn)：聲能被限制深度H層內(nèi)，在遠(yuǎn)場(chǎng)符合柱面衰減規(guī)律。不同點(diǎn)：臨界掠射角不一樣，表面聲道掠射角，由聲道參數(shù)a、H和z0來(lái)決定；均勻淺海掠射角，由折射率n決定。

若考慮海水介質(zhì)聲吸收和聲泄漏引起的衰減，聲道的傳播損失為：水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播3、傳播損失4.2表面聲道（混合層聲道）39近距離：

遠(yuǎn)距離：

吸收系數(shù)：漏聲系數(shù)：Baker給出的表面聲道TL的經(jīng)驗(yàn)公式水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播3、傳播損失4.2表面聲道（混合層聲道）混合聲道聲強(qiáng)級(jí)沿深度的變化：混合層內(nèi)聲強(qiáng)值大于球面擴(kuò)展的聲強(qiáng)值，傳播損失小于球面波的傳播損失；在混合層以下聲強(qiáng)小于球面擴(kuò)展聲強(qiáng)，傳播損失顯著增加；聲波頻率越高，離表面聲道截止頻率越遠(yuǎn)，聲道現(xiàn)象越明顯。水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播403、傳播損失4.2表面聲道（混合層聲道）411、深海聲道的概念和特點(diǎn)4.3深海聲道（SOFAR聲道）水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播42

聲源位于聲道軸附近時(shí)，在一定角度范圍內(nèi)射出的聲線被限制于聲道內(nèi)傳播，這部分聲線不經(jīng)受海面散射和海底反射，聲信號(hào)傳播很遠(yuǎn)。

受季節(jié)影響小，聲道效應(yīng)穩(wěn)定。

SOFAR：SOund

FixingAndRanging——聲學(xué)定位和測(cè)距，利用深海聲道效應(yīng)可以有效地定位和測(cè)距。通常利用若干水聲接收基陣來(lái)測(cè)量爆炸聲信號(hào)的到達(dá)時(shí)間，來(lái)確定爆炸點(diǎn)的位置和距離。例如進(jìn)行大地測(cè)量、確定導(dǎo)彈濺落點(diǎn)的位置。水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播1、深海聲道的概念和特點(diǎn)4.3深海聲道（SOFAR聲道）43水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播1、深海聲道的概念和特點(diǎn)4.3深海聲道（SOFAR聲道）44

Munk聲速標(biāo)準(zhǔn)分布模型偏離極小值的量級(jí)

聲速極小值聲速極小值位置

聲道有效寬度水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播2、深海聲道典型聲速分布4.3深海聲道（SOFAR聲道）45

Munk聲速標(biāo)準(zhǔn)分布模型

Munk典型數(shù)據(jù)（規(guī)范聲道）

緯度越高，海面水溫受熱小，聲道軸也越淺。我國(guó)南海的聲道軸接近1100米。

水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播2、深海聲道典型聲速分布4.3深海聲道（SOFAR聲道）46

線性聲速分布模型水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播2、深海聲道典型聲速分布4.3深海聲道（SOFAR聲道）

聲線和信號(hào)波形聲線

①偏離聲道軸較遠(yuǎn)的聲線，路程最長(zhǎng)，但最先到達(dá)；②沿聲道軸傳播的聲線，路程最短，但最遲到達(dá)；③沿聲道軸傳播聲線最密集，攜帶能量最大。信號(hào)波形

多途徑傳播的爆炸信號(hào)，接收信號(hào)強(qiáng)度由小變大直至峰值，然后突然截止。47與表面聲道聲傳播具有類似規(guī)律。水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播3、聲道信號(hào)和基本特征4.3深海聲道（SOFAR聲道）48

會(huì)聚區(qū)和聲影區(qū)聲源位于海面或接近海底，可形成聲強(qiáng)很高焦散線和會(huì)聚區(qū)。

焦散線（面）：鄰近聲線交聚點(diǎn)（線）所形成的包絡(luò)線（面）。會(huì)聚區(qū)：在海面附近形成高聲強(qiáng)焦散的區(qū)域。

現(xiàn)代聲納，可利用水下聲道的會(huì)聚區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程探測(cè)。水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播3、聲道信號(hào)和基本特征4.3深海聲道（SOFAR聲道）49MaxRangeDPMaxRangeBBFOM=70dB水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播3、聲道信號(hào)和基本特征4.3深海聲道（SOFAR聲道）50MaxRangeDPMaxRangeCZFOM=90dB水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播3、聲道信號(hào)和基本特征4.3深海聲道（SOFAR聲道）51

會(huì)聚區(qū)和聲影區(qū)聲影區(qū)：反轉(zhuǎn)折射聲線無(wú)法達(dá)到的區(qū)域，稱為聲影區(qū)。影區(qū)內(nèi)，只存在海面和海底的反射聲線，聲強(qiáng)明顯小于會(huì)聚區(qū)聲強(qiáng)。

會(huì)聚區(qū)寬度隨序號(hào)增加而變寬，影區(qū)寬度隨序號(hào)增加變窄。水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播3、聲道信號(hào)和基本特征4.3深海聲道（SOFAR聲道）52水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播4.3深海聲道（SOFAR聲道）53會(huì)聚區(qū)內(nèi)平均聲強(qiáng)(F.E.Hale,Longrangesoundpropagationindeepocean,JASA,33,456,1961)：

設(shè)無(wú)指向性聲源的發(fā)射功率為W，形成會(huì)聚區(qū)聲源掠射角范圍為，空間會(huì)聚區(qū)內(nèi)總聲功率：水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播3、聲道信號(hào)和基本特征4.3深海聲道（SOFAR聲道）54會(huì)聚區(qū)內(nèi)平均聲強(qiáng)：

假設(shè)水平距離r處的聲線平均掠射角，則垂直聲線方向的環(huán)形截面積等于。聲功率均勻分布在環(huán)面上，則會(huì)聚區(qū)的平均聲強(qiáng)：會(huì)聚區(qū)的寬度，與會(huì)聚區(qū)序號(hào)有關(guān)。

水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播3、聲道信號(hào)和基本特征4.3深海聲道（SOFAR聲道）55會(huì)聚增益：會(huì)聚區(qū)聲強(qiáng)與球面擴(kuò)展聲強(qiáng)之比聲強(qiáng)異常：會(huì)聚增益的分貝值球面波擴(kuò)展損失會(huì)聚區(qū)傳播損失聲強(qiáng)異常為球面波損失高于會(huì)聚區(qū)損失分貝數(shù)。水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播3、聲道信號(hào)和基本特征4.3深海聲道（SOFAR聲道）56波動(dòng)理論解釋：♀會(huì)聚現(xiàn)象是焦散線上大量同相簡(jiǎn)正波疊加結(jié)果；♀同相疊加的簡(jiǎn)正波數(shù)目越多，會(huì)聚增益越大；

♀會(huì)聚增益也與簡(jiǎn)正波的深度分布函數(shù)有關(guān)，即與深度z有關(guān)。

水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播3、聲道信號(hào)和基本特征4.3深海聲道（SOFAR聲道）57聲道基本特征♀反轉(zhuǎn)聲線的包絡(luò)線形成會(huì)聚區(qū)；

♀反轉(zhuǎn)聲線不能到達(dá)的區(qū)域形成聲影區(qū)；♀會(huì)聚區(qū)與聲影區(qū)交替出現(xiàn)在深海聲道中，隨著傳播距離增加上述現(xiàn)象變得不明顯。射線聲學(xué)平均聲強(qiáng)平均聲場(chǎng)焦散線聲場(chǎng)近距離聲場(chǎng)遠(yuǎn)距離聲場(chǎng)水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播3、聲道信號(hào)和基本特征4.3深海聲道（SOFAR聲道）聲道平均聲場(chǎng)若忽略介質(zhì)吸收和海面、海底的反射損失，則根據(jù)聚焦因子和聲強(qiáng)：58水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播4、平均聲場(chǎng)和傳播損失4.3深海聲道（SOFAR聲道）59聲道平均聲場(chǎng)當(dāng)水平距離r較大時(shí)，在一個(gè)跨度范圍內(nèi)，可認(rèn)為有四個(gè)地方聲強(qiáng)取同一個(gè)值，聲線在每一處聲線水平方向波束寬度等于水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播4、平均聲場(chǎng)和傳播損失4.3深海聲道（SOFAR聲道）60聲道平均聲場(chǎng)平均聲強(qiáng)為：聲源處聲線掠射角接收處聲線掠射角水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播4、平均聲場(chǎng)和傳播損失4.3深海聲道（SOFAR聲道）61聲道平均聲場(chǎng)

如果聲源和接收點(diǎn)的聲速接近相等，則聲強(qiáng)近似等于：

假設(shè)聲速分布為線性模型，令聲線為等聲速層內(nèi)聲線掠射角。水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播4、平均聲場(chǎng)和傳播損失4.3深海聲道（SOFAR聲道）62聲道平均聲場(chǎng)水平跨度為：對(duì)于對(duì)稱線性聲速分布：聲強(qiáng)：水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播4、平均聲場(chǎng)和傳播損失4.3深海聲道（SOFAR聲道）63聲道平均聲場(chǎng)若接收點(diǎn)也位于等聲速層內(nèi)，則：根據(jù)折射定律，則可推得：水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播4、平均聲場(chǎng)和傳播損失4.3深海聲道（SOFAR聲道）64聲道平均聲場(chǎng)若的積分上限取到最大值，則：平均聲強(qiáng)不僅是接收點(diǎn)（r，z）的函數(shù)，也是聲源深度z1的函數(shù)。水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播4、平均聲場(chǎng)和傳播損失4.3深海聲道（SOFAR聲道）65聲道平均聲場(chǎng)

假設(shè)聲源也位于等聲速層內(nèi)，則：一般情況下，有：推導(dǎo)過(guò)程對(duì)聲源和接收點(diǎn)位置進(jìn)行了限定。球面擴(kuò)展向柱面擴(kuò)展的距離水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播4、平均聲場(chǎng)和傳播損失4.3深海聲道（SOFAR聲道）66聲道傳播損失若考慮海水介質(zhì)聲吸收引起的衰減，聲道的傳播損失為：水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播4、平均聲場(chǎng)和傳播損失4.3深海聲道（SOFAR聲道）67

特點(diǎn)從聲源出發(fā)的聲線向海底折射，不再反轉(zhuǎn)回聲源所在的水平面上，與前面介紹的波導(dǎo)傳播情況相反，故稱為反波導(dǎo)傳播。

zcrz1r1r2z存在一個(gè)與海面相切的極限聲線；在極限聲線以內(nèi)為聲亮區(qū)；在極限聲線以外為聲影區(qū)（直射聲線無(wú)法達(dá)到）。

4.4深海負(fù)梯度水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播68水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播4.4深海負(fù)梯度69

幾何作用距離從聲源到觀察點(diǎn)深度影區(qū)邊緣的水平距離。

設(shè)聲速分布的相對(duì)聲速梯度為a，則幾何作用距離：

通常聲影區(qū)不存在通常意義上的聲線，可引入衍射聲線概念。水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播4.4深海負(fù)梯度70

特點(diǎn)聲速顯著減小的水層。聲線通過(guò)負(fù)躍層時(shí)，聲線明顯彎曲，聲強(qiáng)減弱，對(duì)聲納作用距離影響很大。聲道模型

負(fù)躍層上方介質(zhì)聲速為，下方介質(zhì)聲速為，且，負(fù)躍層較薄。

水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播4.5深海負(fù)躍層71

聲線經(jīng)過(guò)負(fù)躍層折射后，波陣面展寬，聲強(qiáng)減弱。

zc1rc2H1H2r1rr2設(shè)聲源位于層上方，則可求得傳播至層下方水平距離r：

水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播4.5深海負(fù)躍層72設(shè)聲源單位立體角的輻射功率為W，則射線聲學(xué)聲強(qiáng)公式為：

若接收點(diǎn)位于負(fù)躍層的下方鄰近：

若接收點(diǎn)位于負(fù)躍層的上方鄰近，聲線未形成折射：

水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播4.5深海負(fù)躍層73

經(jīng)躍變層的傳播損失為：

聲波經(jīng)過(guò)負(fù)躍層引起聲能損失

當(dāng)（相當(dāng)水溫有10℃以上變化）時(shí)，聲源掠射角，則；聲源掠射角，則。水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播4.5深海負(fù)躍層74淺海與深海的劃分原則海底對(duì)聲傳播影響的程度來(lái)劃分；深?？珊雎院Ｑ蠼缑鎸?duì)聲傳播的影響；淺海的聲傳播明顯受海面和海底邊界的影響。淺海聲場(chǎng)直達(dá)聲和海底、海面反射聲疊加，比深海聲場(chǎng)復(fù)雜。

水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播4.6均勻淺海聲場(chǎng)75淺海平均聲強(qiáng)聲線經(jīng)多次海面、海底反射，考慮海面、海底反射引入損失，同時(shí)也計(jì)入海水聲吸收，引入衰減因子：

為海水介質(zhì)的吸收系數(shù)；為聲線對(duì)海底或海面的反射次數(shù)，對(duì)于遠(yuǎn)距離傳播，海底和海面的反射次數(shù)近似相等；為海底反射系數(shù)；為海面反射系數(shù)。

水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播4.6均勻淺海聲場(chǎng)76平均聲強(qiáng)：

水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播4.6均勻淺海聲場(chǎng)77（1）硬底、聲速均勻淺海聲速均勻絕對(duì)反射聲線跨度：

平均聲強(qiáng)：

水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播4.6均勻淺海聲場(chǎng)78（2）海底有吸收的均勻淺海海底反射系數(shù)：

海底三參數(shù)模型中的Q

水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播4.6均勻淺海聲場(chǎng)79（2）海底有吸收的均勻淺?？紤]海底聲吸收，海底聲速為復(fù)數(shù)，則可求得：

可由試驗(yàn)數(shù)據(jù)求得平均聲強(qiáng)：

3/2次方規(guī)律衰減

水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播4.6均勻淺海聲場(chǎng)80（3）3/2次方衰減率的適用距離掠射角的最大有效值量級(jí)為：

傳播簡(jiǎn)正波的總數(shù)：水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播4.6均勻淺海聲場(chǎng)81根據(jù)計(jì)算平均聲強(qiáng)的要求：

最大距離滿足：水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播4.6均勻淺海聲場(chǎng)（3）3/2次方衰減率的適用距離82此時(shí)僅有一階簡(jiǎn)正波對(duì)聲場(chǎng)有貢獻(xiàn)，利用聲場(chǎng)的簡(jiǎn)正波解可導(dǎo)出聲強(qiáng)的衰減規(guī)律。經(jīng)數(shù)學(xué)推導(dǎo)：

（4）時(shí)聲強(qiáng)衰減率規(guī)律若考慮海面反射損失，則有：水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播4.6均勻淺海聲場(chǎng)83傳播損失聲強(qiáng)隨距離衰減平均規(guī)律（1）球面擴(kuò)展（2）3/2次方衰減率＋介質(zhì)吸收（3）柱面擴(kuò)展＋介質(zhì)吸收＋界面吸收水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播4.6均勻淺海聲場(chǎng)84傳播損失半經(jīng)驗(yàn)公式距離參數(shù)km海水深度m混合層厚度m（1）近距離r<R（2）中等距離R<r<8R（3）遠(yuǎn)距離r>8R近場(chǎng)異常衰減dB海水吸收系數(shù)dB/km淺海衰減系數(shù)dB/km水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播4.6均勻淺海聲場(chǎng)85淺海聲場(chǎng)的虛源表示射線理論：將海面和海底的反射聲線視為由各自的虛源發(fā)出的聲線，虛源數(shù)目與考慮的聲線反射次數(shù)有關(guān)，數(shù)目趨于無(wú)窮，則求得淺海總聲場(chǎng)。

（1）硬底均勻淺海假設(shè)淺海聲速均勻?qū)由顬镠，海面為平整自由界面，海底為平整硬界面。

水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播4.6均勻淺海聲場(chǎng)86（1）硬底均勻淺海點(diǎn)源位于坐標(biāo)處，觀察點(diǎn)位于坐標(biāo)處，歸一化的直達(dá)波聲壓：海底一次反射聲線，它由虛源發(fā)射聲線，與直達(dá)聲疊加：水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播4.6均勻淺海聲場(chǎng)87（1）硬底均勻淺海

前面求得的聲壓滿足下界面條件，但不滿足上界面條件。考慮上界面，需引入再兩個(gè)虛源和：海底海面海面水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播4.6均勻淺海聲場(chǎng)88（1）硬底均勻淺海

前面求得的聲壓滿足上界面條件，但不滿足下界面條件，恢復(fù)下界面對(duì)稱性，需再疊加兩個(gè)虛源和：海底海面海面海底海底水聲學(xué)第4章典型傳播條件下聲傳播