華北理工水聲學(xué)講義02海洋的聲學(xué)特性

第2章海洋的聲學(xué)特性§2.1海洋聲學(xué)參數(shù)及傳播損失本講主要內(nèi)容聲速經(jīng)驗(yàn)公式（了解）海洋中聲速的變化（重點(diǎn)）傳播衰減概述（重點(diǎn)）純水和海水的超吸收（重點(diǎn)）非均勻液體中的聲衰減（了解）一、海水中的聲速1、聲速(SoundSpeed)：海洋中重要的聲學(xué)參數(shù)，也是海洋中聲傳播的最基本物理參數(shù)。流體介質(zhì)中，聲波為彈性縱波，聲速為：式中，密度和絕熱壓縮系數(shù)都是溫度T、鹽度S和靜壓力P的函數(shù)，因此，聲速也是Temperature、Salinity、Pressure的函數(shù)。2、聲速經(jīng)驗(yàn)公式海洋中的聲速c（m/s）隨溫度T（℃）、鹽度S（‰）、壓力P（kg/cm2）的增大而增大。經(jīng)驗(yàn)公式是許多海上測(cè)量實(shí)驗(yàn)總結(jié)得到的?！ⅲ?jiǎn)挝缓Ｋ宣}度變化不大，典型值35‰；經(jīng)常用深度替代靜壓力，每下降10m水深近似增加1個(gè)大氣壓的壓力。3、烏德公式4、聲速測(cè)量聲速剖面儀SVP——SoundVelocityProfile溫鹽深測(cè)量?jī)xCTD—Conductivity,Temperature,Depth拋棄式溫度測(cè)量?jī)xXBT——eXpendableBathyThermograph5、海洋中的聲速變化海洋中聲速的垂直分層性質(zhì)聲速梯度1）溫度變化1度，聲速變化約4m/s2）鹽度變化1‰，聲速變化約1m/s3）壓力變化1個(gè)大氣壓，聲速變化約0.2m/s6、海中聲速的基本結(jié)構(gòu)典型深海聲速剖面溫度垂直分布的“三層結(jié)構(gòu)”：表面層（表面等溫層或混合層）：海洋表面受到陽(yáng)光照射，水溫較高，但又受到風(fēng)雨攪拌作用。季節(jié)躍變層：在表面層之下，特征是負(fù)溫度梯度或聲速梯度，此梯度隨季節(jié)而異。夏、秋季節(jié)，躍變層明顯；冬、春（北冰洋）季節(jié)，躍變層與表面層合并在一起。主躍變層：溫度隨深度巨變的層，特征是負(fù)的溫度梯度或聲速梯度，季節(jié)對(duì)它的影響微弱。深海等溫層：在深海內(nèi)部，水溫比較低而且穩(wěn)定，特征是正聲速梯度。7、溫度的季節(jié)變化、日變化和緯度變化8、海水溫度的起伏變化溫度起伏的原因多種多樣：湍流、海面波浪、渦旋、內(nèi)波等因素——聲傳播起伏的原因之一。9、聲速分布分類（分成四類）A:下圖為深海聲道典型聲速分布，特點(diǎn)：在某一深度處有一聲速最小值。兩圖不同之處：圖（a）表面聲速小于海底聲速；圖（b）表面聲速大于海底聲速。第一類深海聲道聲速分布B:下圖為表面聲道聲速分布，特點(diǎn)：在某一深度處有一聲速極大值。形成原因：在秋冬季節(jié)，水面溫度較低，加上風(fēng)浪攪拌，海表面層溫度均勻分布，在層內(nèi)形成正聲速梯度分布。第二類表面聲道聲速分布C：下圖為反聲道聲速分布，特點(diǎn)：聲速隨深度單調(diào)下降。形成原因：海洋上部的海水受到太陽(yáng)強(qiáng)烈照射的結(jié)果。第三類反聲道聲速分布D：下圖為淺海常見聲速分布，特點(diǎn)：聲速隨深度單調(diào)下降。形成原因：海洋上部的海水受到太陽(yáng)強(qiáng)烈照射的結(jié)果。圖（d）與圖（e）不同之處：后者是淺海中的負(fù)梯度分布，需計(jì)入海底對(duì)聲傳播的影響。第四類淺海常見聲速分布二、海水中的聲吸收1、傳播衰減概述聲波傳播的強(qiáng)度衰減（傳播損失）原因：1）擴(kuò)展損失（幾何衰減）：聲波波陣面在傳播過程中不斷擴(kuò)展引起的聲強(qiáng)衰減。簡(jiǎn)諧平面波聲壓：沒有擴(kuò)展損失簡(jiǎn)諧球面波聲壓：擴(kuò)展損失擴(kuò)展損失的一般形式n=0：適用管道中的聲傳播，平面波傳播，TL=0；n=1：適用表面聲道和深海聲道，柱面波傳播，TL=10logr，相當(dāng)于全反射海底和全反射海面組成的理想波導(dǎo)中的傳播條件；n=1.5：適用計(jì)及海底聲吸收時(shí)的淺海聲傳播，TL=15logr，相當(dāng)于計(jì)入界面聲吸收所引起的對(duì)柱面波的傳播損失的修正；n=2：適用于開闊水域（自由場(chǎng)），球面波傳播，TL=20logr；2）吸收損失：均勻介質(zhì)的粘滯性、熱傳導(dǎo)性以及其它馳豫過程引起的聲強(qiáng)衰減。均勻介質(zhì)的聲吸收：介質(zhì)切變粘滯的聲吸收（經(jīng)典聲吸收）介質(zhì)熱傳導(dǎo)聲吸收（經(jīng)典聲吸收）馳豫吸收（超吸收）吸收系數(shù)：聲吸收引起的傳播損失：總傳播損失（擴(kuò)展+吸收）等于：純水的超吸收：實(shí)際吸收系數(shù)的測(cè)量值遠(yuǎn)大于經(jīng)典吸收系數(shù)理論值，兩者差值稱為超吸收。海水的超吸收：海水的聲吸收系數(shù)與聲波頻率、溫度、壓力、鹽度等因素有關(guān)，但鹽度的影響較小；對(duì)于不同聲波頻率，應(yīng)選擇不同的經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算海水的吸收系數(shù)。3）散射：介質(zhì)的不均勻性引起的聲波散射導(dǎo)致聲強(qiáng)衰減。不均勻性包括：海洋中泥沙、氣泡、浮游生物等懸浮粒子以及介質(zhì)本身的不均勻性和海水界面對(duì)聲波的散射。2、非均勻液體中的聲衰減：含有氣泡群的海水具有非常高的聲吸收1)熱傳導(dǎo)效應(yīng)：氣泡壓縮、膨脹，內(nèi)部溫度升高，發(fā)生熱交換，聲能轉(zhuǎn)化為熱能而消耗掉。2）粘滯性：海水對(duì)氣泡壓縮、膨脹的粘滯作用，也消耗部分聲能。3）聲散射：氣泡壓縮、膨脹形成二次聲輻射，對(duì)入射聲產(chǎn)生散射，使聲能明顯減小。常識(shí)：一艘驅(qū)逐艦以15節(jié)航速航行將產(chǎn)生500m長(zhǎng)的尾流，8kHz衰減系數(shù)為0.8dB/m，40kHz衰減系數(shù)為1.8dB/m。1節(jié)＝1海里/小時(shí)＝0.515米/秒（1海里＝1852米）?？偨Y(jié)：通過本講學(xué)習(xí)，掌握海洋中聲速的變化規(guī)律，以及聲波衰減的原因。本講思考題1、海水中的聲速與哪些因素有關(guān)？畫出三種常見的海水聲速分布。2、聲波在海水中傳播時(shí)其聲強(qiáng)會(huì)逐漸減少。（1）說明原因；（2）解釋什么叫物理衰減？什么叫幾何衰減？（3）寫出海洋中聲傳播損失的常用TL表達(dá)式，并指明哪項(xiàng)反映的主要是幾何衰減，哪項(xiàng)反映的主要是物理衰減；（4）試給出三種不同海洋環(huán)境下的幾何衰減的TL表達(dá)式。3、聲吶A，B有相等的聲源級(jí)，但聲吶A工作頻率fA高于聲吶B工作頻率fB,問哪臺(tái)聲吶作用距離遠(yuǎn)，說明原因。§2.2海底海面聲學(xué)特性和海洋內(nèi)部不均勻性本講主要內(nèi)容海底聲學(xué)特性（了解）海面聲學(xué)特性（了解）海洋內(nèi)部的不均勻性（了解）一、海底聲學(xué)特性1、海底結(jié)構(gòu)、地形和沉積層是影響聲波傳播的重要因素。1）海底對(duì)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。2）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，海底粗糙度是影響聲波反射的主要作用。3）反向散射強(qiáng)度(朝聲源方向的聲散射。)：?jiǎn)挝唤缑嫔蠁挝涣Ⅲw角中所散射出去的功率與入射波強(qiáng)度之比。2、深海平原海底反向散射強(qiáng)度與入射角的關(guān)系1）在小入射角時(shí)，散射強(qiáng)度隨入射角增大而減小，與頻率一般無關(guān)；2）入射角>5度時(shí)，散射強(qiáng)度10lgms近似與成正比；3）大入射角時(shí)，散射強(qiáng)度可能與頻率的四次方成正比。3、非常粗糙海底反向散射強(qiáng)度與入射角的關(guān)系1）反向散射強(qiáng)度幾乎與入射角無關(guān)2）反向散射強(qiáng)度幾乎與頻率無關(guān)4、人們關(guān)心的海底參數(shù)聲速（反演）密度（反演）衰減系數(shù)（反演）底質(zhì)（取樣）垂直分層結(jié)構(gòu)（取樣）5、海底特性探測(cè)多波束側(cè)掃聲吶探測(cè)海底地形6、海底沉積層描述：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)。聲速：沉積層中有壓縮波速度（聲速）C和切變波速度Cs兩種。衰減系數(shù)（dB/m）K為常數(shù)；f為頻率，單位kHz；m為指數(shù)，通常取17、海底聲反射損失定義：反射聲振幅相對(duì)入射聲振幅減小的分貝數(shù)海底反射系數(shù)模和反射損失BL值隨掠射角的變化高聲速海底低聲速海底深海實(shí)測(cè)的海底反射損失海底反射損失的三個(gè)特征存在一個(gè)“分界掠射角”，是海底反射損失的一個(gè)特征參數(shù)當(dāng)時(shí)，反射損失值較小,隨增大而增加。當(dāng)時(shí)，反射損失較大,與無明顯依賴關(guān)系8、海底反射損失簡(jiǎn)化模型-三參數(shù)模型三參數(shù)：、、參數(shù)計(jì)算的計(jì)算V0的計(jì)算的計(jì)算※注意：實(shí)際海底存在吸收，可將海底聲速視為復(fù)數(shù)，此時(shí)不會(huì)發(fā)生全內(nèi)反射。按照書上的方法計(jì)算：、與書上結(jié)果：略有不同！※注意：三參數(shù)模型可用于分析海洋中聲場(chǎng)的平均結(jié)構(gòu)二、海面聲學(xué)特性1、海面波浪周期性——周期、波長(zhǎng)、波速和波高等量描述其特征；隨機(jī)起伏性——概率密度分布、方差、譜和相關(guān)函數(shù)等描述其特征。2、波浪的基本特征重力表面波：以重力作為恢復(fù)力的波動(dòng)表面張力波：以表面張力作為恢復(fù)力波浪的形成和等級(jí)平均波高有效波高平均1/10最大波高3、波浪的統(tǒng)計(jì)特征波浪的概率密度分布常識(shí)：在水聲學(xué)中經(jīng)常將波面的概率分布視為高斯分布。充分成長(zhǎng)的海浪譜Pierson-Moskowitz譜（P-M譜）4、海面表面層內(nèi)的氣泡層聲波的吸收體聲波的散射體5、海面對(duì)聲傳播的影響簡(jiǎn)介鏡反射漫散射：形成散射場(chǎng)。隨著海面粗糙度增加，漫散射場(chǎng)占主要分量。反向聲散射：形成海面混響海面波動(dòng)：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1、湍流描述：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(yùn)動(dòng)。它是一種隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)流。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。2、內(nèi)波描述：兩種不同密度液體在其疊合界面上所產(chǎn)生的波動(dòng)。波長(zhǎng)可達(dá)幾十公里到幾百公里，波高從10米到100米。對(duì)低頻、遠(yuǎn)距離的聲傳播信號(hào)有重大影響。3、海流描述：海水從一個(gè)地方向另一個(gè)地方作連續(xù)流動(dòng)的現(xiàn)象?；驹谒椒较蛏狭鲃?dòng)，流速較快，呈長(zhǎng)帶狀。其邊緣將海洋分成物理性