声学漫谈(第三部分_7949_1202_20100530161559_7949_1202_20101116175129

质中经过的声传播路程L ，就可以得到该介质的声
速c=fL。
海洋中的声速变化

海洋中声速的基本结构 海洋中的等温线和等盐度线几乎是水平平行的，在同 一水平面上，温度和盐度各取同一值。压力与深度的关系 为，水深每增加10米，压力增加一个大气压。也就是说， 影响声速变化的三个要素温度、盐度和压力都接近于水平 分层变化，声速也近于水平分层变化。在海洋中，声速随 位置的变化函数c(x,y,z)满足c(x,y,z)=c(z)，其中z为垂直坐 标，x,y为水平坐标。 海洋中声速随深度的变化函数c(z)又称为声速剖面。
海 洋 中 的 等 温 度 线
海 洋 中 的 等 盐 度 线
海洋中的声速变化

海洋中声速的垂直分层性质
深 海 中 典 型 的 声 速 剖 面
深海中的声传播
海洋中的声速变化

海洋中声速的垂直分层性质 浅海声速剖面
百慕大海区温度随月份的变化情况
海洋中的声速变化

海洋中声速的变化 把海洋中声速c看成不随时间变化，只随深度z变化的确定 性函数，这是海洋中描述声速变化的粗略近似。实际上，海 水温度不仅垂直分层变化，而且随时间和空间起伏变化。
全球海洋气候声学测温研究计划 (ATOC 计划, 1995年)
6.5 海洋的声学特性
声音在海洋中具有很强的传播能力。实验表明，几千 克TNT炸药的爆炸声，能够在海洋中6000km的距离上接收 到。甚至，在澳大利亚附近的一次深水电火花爆炸，竟被 百慕大近海的水听器监听到，几乎绕了半个地球。 但在某些条件下，声纳发射信号却不能被几百米距离 上的水听器接收到，这说明虽然海水是声波的良导体，但 是海洋环境对声信号的传播起着决定性作用。 海洋中声速的分布、海洋的不均匀性和多变性，它们 强烈的影响着海洋中声的传播。
湍流之难
爱恩斯坦：湍流是经典物理中最 后一个难题. 薛定谔曾经说过，他死后，遇到 上帝的话，要问上帝两个问题， 其中一个是广义相对论，一个是 湍流，而对于明显经典得多的湍 流问题，薛定谔先生认为就是上 帝也不知道。 海森堡说：“我要带两个问题去 问上帝，一个是量子力学，一个 是湍流。我估计第一个问题是有 答案的。”


衰减曲线及解释
海水中电磁波的衰减曲线
海水中声波的衰减曲线

海洋声学（水声学）是声学的一个分支学 科。它主要研究声波在水下的产生、传播 和接收，用以解决与水下目标探测和信息 传输、海洋开发有关的问题。 水声学是一门工程学科，包括水声物理、 水声信号处理、水声工程三个方面。
6.2 水声学发展简史
6.4 水声的主要应用

军事应用
主、被动声纳 水声导航声纳 探雷声纳 声制导鱼雷 水声通信 航空吊放声纳（浮标声纳） 拖曳线列阵声纳 ……


民用

测深
单波束测深仪 多波束测深仪 旁视声纳 侧扫声纳 综合孔径测深仪


测速
多普勒测速仪（海流计） 相关测速仪（海流计）

6.3 水声学的主要研究内容

水声系统简介

声纳——sonar, （SOund NAvigation and Ranging)，现在 已经泛指以声波作为信息载体而完成某种功能使命的 工程系统，如：主动声纳，被动声纳，通讯声纳，侧 扫声纳等 声纳系统一般包括：水下部分（换能器，也叫湿端） 水上（舱内处理器及显示，干端） 主动声纳，以回声方式实现系统功能的水声系统 被动声纳，以纯被动接收方式实现系统功能的水声系 统
海水中的声速

液体中的声速公式 c=()-1/2 密度，为绝热压缩系数，海水中和都是温度T、 盐度S和静压力P的函数，因此海中声速也是温度、盐度和 静压力的函数。通常情况下，海水盐度在30 0 -400之间

声速经验公式 在海中，平均声速近似等于1500m/s。声速对温度、 盐度和静压力的依赖关系通常用经验公式来表示。声速（ m/s）随温度(。C)、盐度（0）和压力P(kg/cm2)的增加 而增加，其中以温度的影响最为显著。
美国最新核动力攻击潜艇-海狼号
小知识: 鱼雷的攻击力—速度
鱼雷的攻击能力主要体现在其速度上，利用水 中物体在高速运动时产生的“超空泡效应”，目前 美国、俄罗斯等国的鱼雷的速度可达200节/秒（ 100米/秒）以上，这对于速度不高于几十节/秒的 军舰、潜艇等是致命的打击。据美国科学家分析 ，充分利用“超空泡效应”，鱼雷的速度可望超过 水中声速1500米/秒。

水声学的早期研究可以追溯很遥远，因为 水声学毕竟是声学的一个重要分支
水声学的诞生需要许多条件，一是需求， 二是基础。
海洋探测和海军的需求是水声学发展的两大基 本推动力 水声学发展史上的著名事件


1490年，达.芬奇用 长管听远处航船 1827年，瑞士物理 学家D.Colladon和 法国数学家C.Sturm 合作，在日内瓦湖 测量了水中的声速 （1435m/s）


海洋是人类生存和发展的主要空间



如何认识海洋？海洋的勘探、调查 、监测手段是什么？

海洋也是世界军事争斗的主要战场

战争的演变，由陆到海，由海到陆，现在是以海为主 。航母，潜艇，精确制导武器等应用改变了战争的模 式。海上军事力量成为军力的主要标志。

海上力量的战斗力的基础是生存能力，海上作战的最 有效的武器，经过两次世界大战证明，一是潜艇，二 是鱼雷。尤其是现在的配备了核打击力量的安静型核 动力潜艇，安静型潜艇配备智能鱼雷，成为水面舰艇 和地面目标的最主要的威胁。



水声系统所涉及的内容
水声换能器 水声物理（传播路径上的信号变异特性）


水声信号处理（传感器输出端以后的信息检测 、估计、识别和显示等）
水声换能器
是发射和接收水中声信号的装置，应用最广泛的 是电声转换的水声换能器，即转换电能为水中声能 的水声发射器以及转换水中声能为电能的水声接收 器（即水听器）。水是声阻抗率较高的媒质，因此 要发射较大声功率就必须有较大的力。常用的水声 换能器按其基本换能机理分为可逆式和不可逆式两 大类。可逆式(可作接收器)的有：电动、静电、可变 磁阻(电磁)、磁致伸缩和压电水声换能器。不可逆式( 不可作接收器)的有：调制流体(流体动力)、气动（如 气枪）、化学能（如信号弹）。
Titanic
6.1 海洋声学(水声学)的基本内涵

海洋是人类生命的摇篮

生命的源泉，生命的起源，深海生命现象
海洋资源之多少？几乎人类生存所需要的一切资源 ，食品、能源、矿物、金属、石油、天然气….. 探测？勘探方法？开采？ 海洋环境的恶化加剧，海洋灾害频繁 海洋环境监测？
海洋是人类赖以生存的宝库
过压力传感器给出
压力和深度信息， 再通过经验公式给 出声速值

海水声速值的测量
测量仪器设备：温度深度记录仪和声速仪 。
声速仪 ：声速仪为一台记 录不断发射高频（MHz量 级）短脉冲次数的仪器。 当接收到前一个短脉冲的 回波后，便立即发射下一 个脉冲。声速仪能记录每 秒钟内脉冲的发射次数f
，再乘上每个短脉冲在介
水声物理
以声学理论为基础，研究声波在海洋中 的传播规律，内容包括：声波在不同的海 洋信道中的传播，海洋中的混响、噪声、 散射、起伏等。
水声信号处理

ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ


时频分析 自适应技术 检测与估计 特征提取与识别 基阵信号处理——波束形成技术 信号处理的软硬件实现——AD &DA技术， DSP技术
第三部分 声学主要分支简介
第六章 海洋声学 第七章 大气声学 第八章 地声学 第九章 超声学
上天容易入地难
历史故事—泰坦尼克号
1912年，英国豪华巨轮“泰坦尼克号”在北大西洋与冰 山相撞沉没，这一有史以来最大的海难事故促使科学家研究 对冰山的探测定位。为此需要找到一位本领高强的“潜水 员”。当时的无线电技术已取得相当进展，但对此任务无能 为力，因为海水对电磁波的吸收过于强烈，使这位潜水员打 不了来回，而声波却恰恰能当此重任，因为海水对它的吸收 很小，直到今天，声波仍然是已知的能在海洋中远距离传播 的波动形式。




鱼探仪 助渔设备（诱鱼、计数、跟踪） 助潜设备 通讯与遥感 海洋监测

海洋测温
要控制全球气候变暖，首先要监测气候变暖的 情况。海洋对气候变化起着调节作用，因此监测 海洋温度变化十分重要。然而，整个海洋的“体 温”是难以测量的，若在一个地方放一个温度计 测量一点的温度变化，由于水温随昼夜、季节的 起伏，需要测量200年才可以看出海水温度变化的 趋势。而影响全球温度的是大范围海洋的温度变 化，因此用定点测量温度是无法实现的。利用声 波在海水中可以远距离传播这一特点，加上海水 声速随温度变化很灵敏，通过测量远距离固定点 之间的脉冲传播时间，就可以准确计算出大范围 海洋的温度变化。
海洋中的声速起伏
海洋中的声速变化

海洋中声速的变化 温度起伏的原因多种多样，包括湍流、海面波浪、 涡旋和内波等。 湍流：是流体的一种流动状态。当流速很小时，流 体分层流动，互不混合，称为层流，或称为片流；逐渐 增加流速，流体的流线开始出现波浪状的摆动，摆动的 频率及振幅随流速的增加而增加，此种流况称为过渡流 ；当流速增加到很大时，流线不再清楚可辨，流场中有 许多小漩涡，层流被破坏，相邻流层间不但有滑动，还 有混合。这时的流体作不规则运动，有垂直于流管轴线 方向的分速度产生，这种运动称为湍流，又称为乱流、 扰流或紊流。 有效地描述湍流的性质至今仍然是物理学中的一个 重大难题。
刘伯胜，雷加煜. <<水声学原理>>，哈尔滨工程大学出 版社，2002 汪德昭，尚尔昌. <<水声学>>, 科学出版社，1980