水声学-海洋的声学特性参考幻灯片
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水声学原理PPT 第一章1
2、波动方程导出
运动方程： p ， u 由连立三个方程 连续性方程： u , 状态方程： p ，
② 思路：
p
2
1 p
2
c t
2
2
波动方程
2013-7-17
第一章 声学基础
24
2、波动方程导出
③ 运动方程:(连续介质中的牛顿第二运动定律)
在连续介质中，有声波作用时，各处压缩是不同的，因此各点压强不等，取介 质中任意一小体积元素看，各面受力不平衡，可以建立该体积元的运动方程式。
声波就是质点运动的传播。质点运动或流体运动制 约于物质守恒定律和牛顿定律，这是声波的基础。
2013-7-17 第一章 声学基础 6
1、声学基础知识
① 声波的基本原理
声波频段的划分：(根据人耳的听觉，划分为三个频段)
• 20Hz以下的振动称为次声
• 高于20kHz的振动称为超声 • 20Hz至20kHz的声振称为音频声
2013-7-17 第一章 声学基础 3
1、声学基础知识
① 声波的基本原理
声波的物理本质 ：声波是弹性介质(气体、液体和固 体)中传播的一种(或多种)机械扰动(振动)(变化)(如 压力、应力、质点位移、质点速度的扰动)。
2013-7-17
第一章 声学基础
4
1、声学基础知识
① 声波的基本原理
质点：在弹性介质中，分子以很大速度做随机运动， 在运动中产生随机碰撞，不可能跟踪每个分子的运动。 因此提到质点运动，不是谈个别分子的运动，而是指 若干分子的平均运动。声学中的质点就是这个“集 体”。质点尺寸比分子间距大得多（高几个数量级）， 但是比试验中遇到的物体又小得多（低几个数量级）。 质点理学的质点与数学中的点不同。质点是连续流体 中的一个点，静止，在受力时可以运动
水声学原理PPT--绪论1
2017/10/23
俄罗斯D级弹道导弹核潜艇
水声学基础——序论 16
1. 水声学研究的意义 英国
英国最新战略核潜艇-警戒
英国是世界上 第三个拥有核 武器的国家， 英国的核力量 全部为海基， 目前拥有战略 导弹核潜艇4艘， 每艘可携带16 枚“三叉戟” 弹道核导弹， 每枚可携载14 枚分弹头，射 程达12000公 里
哈尔滨船舶工程学院出版社，1990
2017/10/23 水声学基础——序论 5
课程特点
该课程与以往所学课程在课程内容与教学方 法上均有不同，主要表现在：
1. 注重数学建模； 2. 在数理方程与特殊函数的基础上进行讨论，理论上 有难度；
3. 注重试验，在试验的基础上进行总结，得出普遍性 的理论结果；
2017/10/23 水声学基础—Leabharlann 序论 2课程内容序论
第一章
第二章
声学基础
海洋的声学特性
第三章
第四章
海洋中的声传播
典型传播条件下的声场
第五章
第六章 第七章
2017/10/23
声波在目标上的反射和散射
海洋中的混响 水下噪声
水声学基础——序论 3
课程成绩
平时到课：10 平时作业：20
考试成绩：70
被潜艇击沉的潜艇80艘
在第二次世界大战中，德国“U-47”号潜艇于1939年 10月潜入英国位于苏格兰北部的海军基地，在港内击
沉了英国的排水量达33000多吨的大型战列舰“皇家
橡树”号，创造了军事史上的奇迹
2017/10/23 水声学基础——序论 13
1. 水声学研究的意义 美国
美国是世界上 潜艇技术领先、 数量最多的国 家，共拥有潜 艇70余艘，全 部为核动力潜 艇，其中，战 略导弹核潜艇 近20艘、攻击 型核潜艇50余 艘
俄罗斯D级弹道导弹核潜艇
水声学基础——序论 16
1. 水声学研究的意义 英国
英国最新战略核潜艇-警戒
英国是世界上 第三个拥有核 武器的国家， 英国的核力量 全部为海基， 目前拥有战略 导弹核潜艇4艘， 每艘可携带16 枚“三叉戟” 弹道核导弹， 每枚可携载14 枚分弹头，射 程达12000公 里
哈尔滨船舶工程学院出版社，1990
2017/10/23 水声学基础——序论 5
课程特点
该课程与以往所学课程在课程内容与教学方 法上均有不同，主要表现在：
1. 注重数学建模； 2. 在数理方程与特殊函数的基础上进行讨论，理论上 有难度；
3. 注重试验，在试验的基础上进行总结，得出普遍性 的理论结果；
2017/10/23 水声学基础—Leabharlann 序论 2课程内容序论
第一章
第二章
声学基础
海洋的声学特性
第三章
第四章
海洋中的声传播
典型传播条件下的声场
第五章
第六章 第七章
2017/10/23
声波在目标上的反射和散射
海洋中的混响 水下噪声
水声学基础——序论 3
课程成绩
平时到课：10 平时作业：20
考试成绩：70
被潜艇击沉的潜艇80艘
在第二次世界大战中，德国“U-47”号潜艇于1939年 10月潜入英国位于苏格兰北部的海军基地，在港内击
沉了英国的排水量达33000多吨的大型战列舰“皇家
橡树”号，创造了军事史上的奇迹
2017/10/23 水声学基础——序论 13
1. 水声学研究的意义 美国
美国是世界上 潜艇技术领先、 数量最多的国 家，共拥有潜 艇70余艘，全 部为核动力潜 艇，其中，战 略导弹核潜艇 近20艘、攻击 型核潜艇50余 艘
海洋的声学特性92页PPT
46、我们若已接受最坏的，就再没有什么损失。——卡耐基 47、书到用时方恨少、事非经过不知难。——陆游 48、书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者。——史美尔斯 49、熟读唐诗三百首，不会作诗也会吟。——孙洙 50、谁和我一样用功，谁就会和我一样成功。——莫扎特
海洋的声学特性
26、机遇对于Leabharlann 准备的头脑有特别的 亲和力 。 27、自信是人格的核心。
28、目标的坚定是性格中最必要的力 量泉源 之一， 也是成 功的利 器之一 。没有 它，天 才也会 在矛盾 无定的 迷径中 ，徒劳 无功。- -查士 德斐尔 爵士。 29、困难就是机遇。--温斯顿．丘吉 尔。 30、我奋斗，所以我快乐。--格林斯 潘。
水声学基础第二章
2021/2/21
Z
27
2.1 海水中的声速
声速垂直分布分类 浅海常见声速分布:
c
特点:声速随深度单调下降。 形成原因:海洋上部的海水受到太 阳强烈照射的结果。
反声道声速分布与浅海常见 Z
声速分布有何不同？
2021/2/21
28
2.2 海水中的声吸收
1、传播损失概述
声波传播的强度衰减（传播损失）原因:
海洋中声速的基本结构 浅海声速剖面:
浅海声速剖面分 布具有明显的季节特 征。在冬季,大多属于 等温层的声速剖面,夏 季为负跃变层声速梯 度剖面。
2021/2/21
22
2.1 海水中的声速
海水温度起伏变化
• 描述海洋声速变化粗略近似:将温度和声速看成不随 时间变化,只随深度变化; • 等温层是宏观而言,微观而言温度随时间起伏变化。 • 温度起伏在下午和靠近海面最大。 • 温度起伏原因多种多样:湍流、海面波浪、涡旋和海 中内波等因素。
2021/2/21
23
2.1 海水中的声速
声速描述 在水声学中,经常将声速表示成为确定性的声速垂
直分布与随机不均匀声速起伏的线性组合:
cczc
2021/2/21
24
2.1 海水中的声速
声速垂直分布分类 深海声道声速分布:
特点:在某一深度
处有一声速最小
Zm
值。
c0 c
Zm
Z
Z
2021/2/21
c0 c
吸收系数
在介质中,声吸收和声散射引起的声传播损失经常
同时存在,很难区分开来。
假设平面波传播距离dx后，由于声吸收而引起声
强降低dI，则
dI2Idx
IxI0e2x
水声学原理第一章 ppt课件
致与源本身尺度同一量级，不能在水中远距离传递信息。
2
水声学原理第一章
声呐与雷达的工作原理相似。但由于信息载体－声波与电磁波的差异决定了 声呐和雷达有重要差别。
a.电磁波速度30万公里/秒,声波在水中1.5公里/秒。决定：
•工作频率差别大。雷达频率约GHz（ 1 0 9 Hz） 声呐频率约kHz（ 1 0 3 Hz）
1490年 达芬奇就提出声纳的原始概念 泰坦尼克号的沉没，开始最初的声纳设计 第一次世界ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ战的爆发促进了一系列军用声纳的发展（值得一提的 是郎之万在换能器上的贡献，并测得了水中1500米外潜艇回波） 一战和二战之间水声工程一直缓慢而稳步发展,最大的成就是对海 洋声传播机理的认识。（如“下午效应”现象的解释） 二战期间为了探测德国潜艇，水声工程有了很大发展，出现了大量 新的理论和技术 战后水声工程随着计算机和电子计算发展，水声工程的应用在军用 、民用领域更为广泛。
1012米。
应当指出的是，虽然结构噪声级与振动级的定义相同， 但实际测量和评价方法有区别的。因为结构噪声要反映 连续弹性体的振动特性，所以用一个点的振动级是无法 描述的。通常要用结构的整个辐射面上大量测点的统计 平均来描述。
12
水声学原理第一章
物理量的乘除运算变成加减运算。
例如在声学测量中，用灵敏度等于S 伏/μPa的水听器接收，经 过放大倍数等于K的放大器放大后得到电压V伏。水听器输入端的声压
注意参考值不同产生的声级差别:
1971年以前曾用： =20μPa＝2×10－4达因/厘米2，换算到现在标准要加26分贝。 ＝1 达因/厘米2＝1μb（微巴）＝10－5μPa，换算到现在的标准 要加100分贝。
俄罗斯标准＝20μPa 由于空气声和水声参考值的不同，舱室内声级为L分贝的噪声若 无损耗地传到水下将变成L＋26分贝的水噪声。
2
水声学原理第一章
声呐与雷达的工作原理相似。但由于信息载体－声波与电磁波的差异决定了 声呐和雷达有重要差别。
a.电磁波速度30万公里/秒,声波在水中1.5公里/秒。决定：
•工作频率差别大。雷达频率约GHz（ 1 0 9 Hz） 声呐频率约kHz（ 1 0 3 Hz）
1490年 达芬奇就提出声纳的原始概念 泰坦尼克号的沉没，开始最初的声纳设计 第一次世界ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ战的爆发促进了一系列军用声纳的发展（值得一提的 是郎之万在换能器上的贡献，并测得了水中1500米外潜艇回波） 一战和二战之间水声工程一直缓慢而稳步发展,最大的成就是对海 洋声传播机理的认识。（如“下午效应”现象的解释） 二战期间为了探测德国潜艇，水声工程有了很大发展，出现了大量 新的理论和技术 战后水声工程随着计算机和电子计算发展，水声工程的应用在军用 、民用领域更为广泛。
1012米。
应当指出的是，虽然结构噪声级与振动级的定义相同， 但实际测量和评价方法有区别的。因为结构噪声要反映 连续弹性体的振动特性，所以用一个点的振动级是无法 描述的。通常要用结构的整个辐射面上大量测点的统计 平均来描述。
12
水声学原理第一章
物理量的乘除运算变成加减运算。
例如在声学测量中，用灵敏度等于S 伏/μPa的水听器接收，经 过放大倍数等于K的放大器放大后得到电压V伏。水听器输入端的声压
注意参考值不同产生的声级差别:
1971年以前曾用： =20μPa＝2×10－4达因/厘米2，换算到现在标准要加26分贝。 ＝1 达因/厘米2＝1μb（微巴）＝10－5μPa，换算到现在的标准 要加100分贝。
俄罗斯标准＝20μPa 由于空气声和水声参考值的不同，舱室内声级为L分贝的噪声若 无损耗地传到水下将变成L＋26分贝的水噪声。
海洋的声学特性课件
声呐技术有多种类型，包括主 动声呐和被动声呐，以及用于 不同探测目的的特殊声呐。
声学多普勒测流技术
声学多普勒测流技术是一种利用声波测量水流速度和方向的无损测量技术 。
该技术基于多普勒效应原理，通过测量声波在水流中的频率变化来推算水 流的速度和方向。
声学多普勒测流技术广泛应用于海洋学、河流水文学等领域，为研究水流 动力学和环境变化提供了重要手段。
声学温度测量技术
声学温度测量技术是一种利用声 波测量水下温度场的方法。
该技术通过测量声波在水中传播 的速度，结合已知的声速与温度 之间的关系，推算出水下的温度
分布。
声学温度测量技术对于研究海洋 热力学、气候变化等领域具有重
要意义。
海洋声学测量技术的发展趋势
海洋声学测量技术不断发展，未来将朝 着高精度、高分辨率、高效率的方向发 展。
在海洋考古研究中的应用
声波成像
利用声波成像技术探测海底沉船、古迹等文化遗产，为海洋考古研究提供新的 方法和手段。
声学测年
通过测量海底沉积物的声学特性，确定沉积物的年代和历史，为海洋历史和考 古研究提供重要依据。
05
未来展望与挑战
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
20世纪初
声呐技术开始应用于军事领域。
20世纪中叶
声学在海洋资源探测和环境监测方面 的应用逐渐普及。
21世纪
高分辨率和高灵敏度声学技术的发展 ，推动了海洋声学研究的深入。
海洋声学的研究意义
促进海洋科学的发展
声学技术为海洋科学研究提供 了重要的工具和方法。
保障国家安全
军事应用领域的声呐技术对于 国家安全具有重要意义。
在海洋环境监测中的应用
水声学原理第四章ppt课件
第三章知识要点
声速分布分类
深海声道典型声速分布 表面声道声速分布 反声道声速分布 常见浅海声速分布
声波传播强度衰减的原因
几何扩展 吸收 散射
College of Underwater Acoustic Engineering
1
扩展损失的一般形式
均匀介质的声吸收类型
切变粘滞吸收 热传导吸收 弛豫吸收
液态海底或同一种介质内部密度或声速发生突变
p p
s0
s0
1
p n
s0
1
p n
s0
关于连续的解释：
若压力不连续，质量加速度趋于无穷的不合理现象；
若法向振速不连续，边界上出现介质“真空”或“聚集”
不合理现象。
注意：上述边界条件只限制波动方程一般解（通解）在边 界上的取值
College of Underwater Acoustic Engineering
2 p k 2x , y , zp 0
介质中有外力 F 作用
1）密度不等于常数 2 K 2x , y , z F /
2）密度等于常数
2 k2x , y , z F /
2 p k 2 x , y , zp F
说明：上述赫姆霍茨方程是变系数的偏微分
方程——泛定方程
College of Underwater Acoustic Engineering
17
根据正交归一化条件 ：
H
0
Zm
z
Zn
z
dz
1
An 2 H
硬底均匀浅海本征函数 ：Zn z
方程②的解：
2 H
sin kznz
Rn
r
jZ
n
声速分布分类
深海声道典型声速分布 表面声道声速分布 反声道声速分布 常见浅海声速分布
声波传播强度衰减的原因
几何扩展 吸收 散射
College of Underwater Acoustic Engineering
1
扩展损失的一般形式
均匀介质的声吸收类型
切变粘滞吸收 热传导吸收 弛豫吸收
液态海底或同一种介质内部密度或声速发生突变
p p
s0
s0
1
p n
s0
1
p n
s0
关于连续的解释：
若压力不连续，质量加速度趋于无穷的不合理现象；
若法向振速不连续，边界上出现介质“真空”或“聚集”
不合理现象。
注意：上述边界条件只限制波动方程一般解（通解）在边 界上的取值
College of Underwater Acoustic Engineering
2 p k 2x , y , zp 0
介质中有外力 F 作用
1）密度不等于常数 2 K 2x , y , z F /
2）密度等于常数
2 k2x , y , z F /
2 p k 2 x , y , zp F
说明：上述赫姆霍茨方程是变系数的偏微分
方程——泛定方程
College of Underwater Acoustic Engineering
17
根据正交归一化条件 ：
H
0
Zm
z
Zn
z
dz
1
An 2 H
硬底均匀浅海本征函数 ：Zn z
方程②的解：
2 H
sin kznz
Rn
r
jZ
n
海洋中的声、光传播共23页PPT
有的海区有两个声道：一个是表面声道，另一个是水下声道。表面声道常常 是不稳定的，声波在表面声道中不如在水下声道中传播得远。这是因为
1.4.2浅海表面声道
中国沿海广阔海域大部属于浅海大陆架海域，深度大多在 200m以内。声呐在冬季的作用距离比夏季远得多。这是因为 冬季的传播条件为波导型，而夏季为反波导型传播。中国大陆 架浅海区冬季水温铅直分布基本上是均匀的，而由于静压力作 用，下层声速略大于上层，形成弱的表面声道。
1.3.2海面波浪的声ห้องสมุดไป่ตู้射
如果海面平静如镜，可以看作理想的声反射面。声波在其上反射 后，只有相位变化没有能量损失。
波动的海面有大量的气泡和浮游生物，既是声的反射界面又是声 的散射体。
海面波浪可看作两部分叠加，即周期波(或准周期波)和随机波的 叠加。
用周期、波长和波高等量描述波浪的特性，同时也用随机过程的 能量谱的概率密度分布、方差、相关函数等描述波浪特征。
底表面粗糙不平，其组成成分因地而异，可从软泥、沙质到坚硬的岩 石。 海底沉积层各层的密度不同，因而各层的声速值也不同； 相同的组成成分又因孔隙率的不同其声速值也不同。 声波经过海底不仅有纵波也产生横波。 因此海底的声反射系数和海底底质的声吸收是表征海底声学特征的重 要物理量。海底的反射系数与海底的密度和其中的声速度有关，由于 海底沉积物及分层结构的复杂性，实际测量中仅能测其综合效果即海 底反射损失，以分贝(dB)表示。 从现有资料可知，多数学者认为海底的吸收系数与频率的关系接近线 性关系。 表面波浪和大量气泡引起的散射使声能损失了一部分。
风与海浪表面相互作用产生的噪声、击岸浪发出的声音、雨滴 声、海洋湍流、生物噪声、海水分子热运动所辐射的噪声、远 处航船噪声和沿岸工业噪声(指已形成平稳随机过程的随机噪 声)、地震扰动形成的低频声波、冰层破裂产生的噪声、火山爆 发以及远处风暴引起的噪声等等。 频率从人耳听不到的超低频直到超声频段。在低频范围，海洋 环境噪声听起来像低沉的隆隆声；在高频段则像煎炸爆裂的咝 咝声。 上述的噪声源中有一些被称做间歇噪声源，如能发声的海洋生 物。甲壳类的虾群，人们用水听器在海中测听到许多间歇性的 呜声、哼声、音节声、呻吟声、吼声等，大半都是由海洋生物 发出的。 时、空分布：是无规则的、运动的。
1.4.2浅海表面声道
中国沿海广阔海域大部属于浅海大陆架海域，深度大多在 200m以内。声呐在冬季的作用距离比夏季远得多。这是因为 冬季的传播条件为波导型，而夏季为反波导型传播。中国大陆 架浅海区冬季水温铅直分布基本上是均匀的，而由于静压力作 用，下层声速略大于上层，形成弱的表面声道。
1.3.2海面波浪的声ห้องสมุดไป่ตู้射
如果海面平静如镜，可以看作理想的声反射面。声波在其上反射 后，只有相位变化没有能量损失。
波动的海面有大量的气泡和浮游生物，既是声的反射界面又是声 的散射体。
海面波浪可看作两部分叠加，即周期波(或准周期波)和随机波的 叠加。
用周期、波长和波高等量描述波浪的特性，同时也用随机过程的 能量谱的概率密度分布、方差、相关函数等描述波浪特征。
底表面粗糙不平，其组成成分因地而异，可从软泥、沙质到坚硬的岩 石。 海底沉积层各层的密度不同，因而各层的声速值也不同； 相同的组成成分又因孔隙率的不同其声速值也不同。 声波经过海底不仅有纵波也产生横波。 因此海底的声反射系数和海底底质的声吸收是表征海底声学特征的重 要物理量。海底的反射系数与海底的密度和其中的声速度有关，由于 海底沉积物及分层结构的复杂性，实际测量中仅能测其综合效果即海 底反射损失，以分贝(dB)表示。 从现有资料可知，多数学者认为海底的吸收系数与频率的关系接近线 性关系。 表面波浪和大量气泡引起的散射使声能损失了一部分。
风与海浪表面相互作用产生的噪声、击岸浪发出的声音、雨滴 声、海洋湍流、生物噪声、海水分子热运动所辐射的噪声、远 处航船噪声和沿岸工业噪声(指已形成平稳随机过程的随机噪 声)、地震扰动形成的低频声波、冰层破裂产生的噪声、火山爆 发以及远处风暴引起的噪声等等。 频率从人耳听不到的超低频直到超声频段。在低频范围，海洋 环境噪声听起来像低沉的隆隆声；在高频段则像煎炸爆裂的咝 咝声。 上述的噪声源中有一些被称做间歇噪声源，如能发声的海洋生 物。甲壳类的虾群，人们用水听器在海中测听到许多间歇性的 呜声、哼声、音节声、呻吟声、吼声等，大半都是由海洋生物 发出的。 时、空分布：是无规则的、运动的。
水声学第三章 海洋的声学特性幻灯片PPT
lnV12lnVV*
12V/V*V2VV*/ ReV V/2V*
又
V 2 im coc s2 o n s 2 s2 i/ nc2 o n s 2
2
m s2 i n ic2 o n s 2
13
令：
1n2 M1iM2
V V*02iM m 1M 1iM i2M 22
QReV V/2V* 0M 212m M M 222 与书上结果：Q 2 m 2M M 1 2 M 2 2略有不同！
7
海底沉积层
描述：覆盖海底之上的一层非凝固态〔处于液 态和固态之间〕的物质。
声切速变：波c沉速s 积度层中两有种压。缩波速度〔声速c〕 和
衰减系数〔dB/m〕 Kf m
K为常数；f为频率，单位kHz；m为指数，
通常取1
海底声反射损B失L20lgpr 20lgV 定义：反射声振幅相对p入i 射声振幅减小的分贝
动的现象。根本在水平方向上流动，流速较快， 呈长带状。其边缘将海洋分成物理性质差异很 大的水团的锋区，对声波传播影响较大。 深水散射层 描述：海洋中某些深度上水平聚居的生物群。 随着昼夜上下移动，同时也随纬度和季节变化。 由于气囊的共振散射，它会产生很大的混响背 景〔体积混响的主要来源之一〕。
Q
,0
20lnV
lnV0
con,s t
2
11三参数： 、 lnV0 Nhomakorabea、 Q参数计算
1〕 的计算
arccnos
nc1/c2
2〕V0的计算
V0
mn mn
3〕Q的计算
m 2 1
Q
lnV
0
Vmcosi i sin2i n2 mcosi i sin2i n2
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第三章 海洋的声学特性
第六讲 海面和海底的声学特性
本讲主要内容
本章知识点测试 海底的声学特性 海面的声学特性 海洋内部的不均匀性
2
0、第三章知识点测试
画出三种常见的海水声速分布，解释其形成的原因。
深海声道声速分布
摇号
表面声道声速分布 浅海负梯度声速分布
平台
声波在海水中传播时其声强会逐渐减少的原因有哪些？
波浪的统计特征 波浪的概率密度分布： ：在水声学中经常将波面的概率分布视为高斯分布 充分成长的海浪谱 Pierson-Moskowitz谱（P-M谱）
22
二、海面的声学特性
海面表面层内的气泡层 声波的吸收体 声波的散射体
海面对声传播的影响简介 镜反射 漫散射：形成散射场。随着海面粗糙度增加，漫散射 场占主要分量。 反向声散射：形成海面混响 海面波动：导致海面散射波产生多普勒频移
令： 1n2 M1iM2
V V*02iM m 1M 1iM i2M 22
19
一、海底声学特性
海底反射损失简化模型——三参数模型 Q的计算具体过程
QReV V/2V* 0M 212m M M 222
教材上：
Q 2 m 2M M 1 2 M 2 2
：三参数模型可用于分析海洋中声场的平均结构
2
16
一、海底声学特性
海底反射损失简化模型——三参数模型 三参数： 、 lnV0 、Q 参数计算
： arccons
nc1/c2
V0： Q：
V0
mn mn
m2/1
QlnV0
17
一、海底声学特性
海底反射损失简化模型——三参数模型 Q的计算具体过程
lnV12lnVV*
1V/V*VV*/ ReV/V*
：如何获取海底的声学参数？ 如何快速准确获取？
10
一、海底声学特性
多波束侧扫声纳探测海底底质
11
一、海底声学特性
海底沉积层的声学特性
描述：覆盖海底之上的一层非凝固态（处于液态和固态 之间）的物质。
声速：沉积层中有压缩波速度（声速）和切变波速度两
种。 衰减系数（dB/m）
w1.02g4/cm 3
入射角>5度时，散射 强度10lgms近似与 cos2 成正比
大入射角时，散射强度可能与频率的四次方成正比
6
一、海底声学特性
非常粗糙海底反向散射强度与入射角的关系 反向散射强度几乎与入射角无关 反向散射强度几乎与频率无关
：为什么人们关心海底反向散射强度？
7
一、海底声学特性
为什么人们关心海底反向散射强度？ 传统的声纳为收发合置声纳 传统声纳的工作频率较高 海底的声散射形成海底混响
20
二、海面的声学特性
海面波浪 周期性——周期、波长、波速和波高等量描述其特征； 随机起伏性——概率密度分布、方差、谱和相关函数等 描述其特征。
21
二、海面的声学特性
波浪的基本特征 重力表面波：以重力作为恢复力的波动 表面张力波：以表面张力作为恢复力的波动 波浪的形成和等级 平均波高、有效波高、平均1/10最大波高
几何扩展、吸收、散射
海水声吸收的原因是什么？
切变粘滞声吸收、热传导声吸收、驰豫吸收
含气泡群的海水声吸收的原因是什么？
切变粘滞声吸收、热传导声吸收、散射
3
一、海底声学特性
海底结构、地形和沉积层是影响声波传播的重要因素
4
一、海底声学特性
海底对声波的吸收、散射和反射等声学特性关系到水声设 备作用距离的远近
2
V2
V2
：实际海底存在吸收，可将海底声速视为复数， 此时不再发生全内反射。
18
一、海底声学特性
海底反射损失简化模型——三参数模型 Q的计算具体过程
取： Vmcosi i sin2i n2 mcosi i sin2i n2
V 2 ic m o m c ss2 2 i o n in s 2 c s 2 o 2 i n s /n 22 c2 o n s 2
一维、二维界面的声散射强度 双基地声纳 多基地声纳 低频声散射强度
8
一、海底声学特性
海底声散射 原因： 海底表面的不平整性 海底内部的不均匀性 建模： 微扰法 小斜率近似
9
一、海底声学特性
人们关心的海底参数 声速（反演） 密度（反演） 衰减系数（反演） 底质（取样） 垂直分层结构（取样）
Kf m
s
海底声反射损失
定义：反射声振幅相对入射声振幅减小的分贝数
BL20lgpr 20lgV pi
12
一、海底声学特性
海底反射系数模和反射损失BL值随掠射角的变化 高声速海底
：a曲线有一段是直线，表示什么物理含义？
13
一、海底声学特性
海底反射系数模和反射损失BL值随掠射角的变化 低声速海底
海底声波反射系数与海底地形有明显的依赖关系。高于几 千赫频率的声波，海底粗糙度是 影响声波反射的主要作用
反向散射强度(朝声源方向的声散射) 定义：单位界面上单位立体角中 所散射出去的功率与入射波强度 之比。
5
一、海底声学特性
深海平原海底反向散射强度与入射角的关系
在小入射角时，散射 强度随入射角增大而减小， 与频率一般无关
23
三、海洋内部的不均匀性
湍流 描述：流体流经固体表面或是流体内部出现的一种不 规则运动。它是一种随机运动的旋转流。 它形成海水中温度和盐度的细微结构变化，引起声速 的微结构变化。
内波 描述：两种不同密度液体在其叠合界面上所产生的波 动。 波长可达几十公里到几百公里，波高从10米到100米。 对低频、远距离的声传播信号有重大影响。
14
一、海底声学特性
深海实测的海底反射损失
特征： 存在一个“分界掠射角” ——海底反射损失的一 个特征参数
当 时，反射损失值较小，随 增大而增加 当 时，反射损失较大，与 无损失简化模型——三参数模型
Q
,0
lnV
lnV0
con,st
24
三、海洋内部的不均匀性
海流 描述：海水从一个地方向另一个地方作连续流动的现象。 基本在水平方向上流动，流速较快，呈长带状。其边缘 将海洋分成物理性质差异很大的水团的锋区，对声波传 播影响较大。
深水散射层 描述：海洋中某些深度上水平聚居的生物群。 随着昼夜上下移动，同时也随纬度和季节变化。 由于气囊的共振散射，它会产生很大的混响背景（体积 混响的主要来源之一）。
第六讲 海面和海底的声学特性
本讲主要内容
本章知识点测试 海底的声学特性 海面的声学特性 海洋内部的不均匀性
2
0、第三章知识点测试
画出三种常见的海水声速分布，解释其形成的原因。
深海声道声速分布
摇号
表面声道声速分布 浅海负梯度声速分布
平台
声波在海水中传播时其声强会逐渐减少的原因有哪些？
波浪的统计特征 波浪的概率密度分布： ：在水声学中经常将波面的概率分布视为高斯分布 充分成长的海浪谱 Pierson-Moskowitz谱（P-M谱）
22
二、海面的声学特性
海面表面层内的气泡层 声波的吸收体 声波的散射体
海面对声传播的影响简介 镜反射 漫散射：形成散射场。随着海面粗糙度增加，漫散射 场占主要分量。 反向声散射：形成海面混响 海面波动：导致海面散射波产生多普勒频移
令： 1n2 M1iM2
V V*02iM m 1M 1iM i2M 22
19
一、海底声学特性
海底反射损失简化模型——三参数模型 Q的计算具体过程
QReV V/2V* 0M 212m M M 222
教材上：
Q 2 m 2M M 1 2 M 2 2
：三参数模型可用于分析海洋中声场的平均结构
2
16
一、海底声学特性
海底反射损失简化模型——三参数模型 三参数： 、 lnV0 、Q 参数计算
： arccons
nc1/c2
V0： Q：
V0
mn mn
m2/1
QlnV0
17
一、海底声学特性
海底反射损失简化模型——三参数模型 Q的计算具体过程
lnV12lnVV*
1V/V*VV*/ ReV/V*
：如何获取海底的声学参数？ 如何快速准确获取？
10
一、海底声学特性
多波束侧扫声纳探测海底底质
11
一、海底声学特性
海底沉积层的声学特性
描述：覆盖海底之上的一层非凝固态（处于液态和固态 之间）的物质。
声速：沉积层中有压缩波速度（声速）和切变波速度两
种。 衰减系数（dB/m）
w1.02g4/cm 3
入射角>5度时，散射 强度10lgms近似与 cos2 成正比
大入射角时，散射强度可能与频率的四次方成正比
6
一、海底声学特性
非常粗糙海底反向散射强度与入射角的关系 反向散射强度几乎与入射角无关 反向散射强度几乎与频率无关
：为什么人们关心海底反向散射强度？
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一、海底声学特性
为什么人们关心海底反向散射强度？ 传统的声纳为收发合置声纳 传统声纳的工作频率较高 海底的声散射形成海底混响
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二、海面的声学特性
海面波浪 周期性——周期、波长、波速和波高等量描述其特征； 随机起伏性——概率密度分布、方差、谱和相关函数等 描述其特征。
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二、海面的声学特性
波浪的基本特征 重力表面波：以重力作为恢复力的波动 表面张力波：以表面张力作为恢复力的波动 波浪的形成和等级 平均波高、有效波高、平均1/10最大波高
几何扩展、吸收、散射
海水声吸收的原因是什么？
切变粘滞声吸收、热传导声吸收、驰豫吸收
含气泡群的海水声吸收的原因是什么？
切变粘滞声吸收、热传导声吸收、散射
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一、海底声学特性
海底结构、地形和沉积层是影响声波传播的重要因素
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一、海底声学特性
海底对声波的吸收、散射和反射等声学特性关系到水声设 备作用距离的远近
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V2
V2
：实际海底存在吸收，可将海底声速视为复数， 此时不再发生全内反射。
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一、海底声学特性
海底反射损失简化模型——三参数模型 Q的计算具体过程
取： Vmcosi i sin2i n2 mcosi i sin2i n2
V 2 ic m o m c ss2 2 i o n in s 2 c s 2 o 2 i n s /n 22 c2 o n s 2
一维、二维界面的声散射强度 双基地声纳 多基地声纳 低频声散射强度
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一、海底声学特性
海底声散射 原因： 海底表面的不平整性 海底内部的不均匀性 建模： 微扰法 小斜率近似
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一、海底声学特性
人们关心的海底参数 声速（反演） 密度（反演） 衰减系数（反演） 底质（取样） 垂直分层结构（取样）
Kf m
s
海底声反射损失
定义：反射声振幅相对入射声振幅减小的分贝数
BL20lgpr 20lgV pi
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一、海底声学特性
海底反射系数模和反射损失BL值随掠射角的变化 高声速海底
：a曲线有一段是直线，表示什么物理含义？
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一、海底声学特性
海底反射系数模和反射损失BL值随掠射角的变化 低声速海底
海底声波反射系数与海底地形有明显的依赖关系。高于几 千赫频率的声波，海底粗糙度是 影响声波反射的主要作用
反向散射强度(朝声源方向的声散射) 定义：单位界面上单位立体角中 所散射出去的功率与入射波强度 之比。
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一、海底声学特性
深海平原海底反向散射强度与入射角的关系
在小入射角时，散射 强度随入射角增大而减小， 与频率一般无关
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三、海洋内部的不均匀性
湍流 描述：流体流经固体表面或是流体内部出现的一种不 规则运动。它是一种随机运动的旋转流。 它形成海水中温度和盐度的细微结构变化，引起声速 的微结构变化。
内波 描述：两种不同密度液体在其叠合界面上所产生的波 动。 波长可达几十公里到几百公里，波高从10米到100米。 对低频、远距离的声传播信号有重大影响。
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一、海底声学特性
深海实测的海底反射损失
特征： 存在一个“分界掠射角” ——海底反射损失的一 个特征参数
当 时，反射损失值较小，随 增大而增加 当 时，反射损失较大，与 无损失简化模型——三参数模型
Q
,0
lnV
lnV0
con,st
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三、海洋内部的不均匀性
海流 描述：海水从一个地方向另一个地方作连续流动的现象。 基本在水平方向上流动，流速较快，呈长带状。其边缘 将海洋分成物理性质差异很大的水团的锋区，对声波传 播影响较大。
深水散射层 描述：海洋中某些深度上水平聚居的生物群。 随着昼夜上下移动，同时也随纬度和季节变化。 由于气囊的共振散射，它会产生很大的混响背景（体积 混响的主要来源之一）。