海洋声学基础讲义-吴立新
海洋中的声光现象
1914朗之万、康斯坦丁制成了静电式发射器和碳粒微音接收器，1918年采用这 一装置测到海底和200m深甲板上的回波。同时又用石英晶体做成压电式发射器 和接收器并采用真空管放大器，制成第一台回声定位仪，以后简称:声纳 （sonar: sound navigation and ranging)声导航和回声定位的英文缩写。
1.4、声波在海洋中的传播(Transmission of sound in sea)
典型水位条件下的声传播 波导型： 波导型： (dc/dz)>0，即声速随深度增加 ， 而增大，声线向上弯曲， 而增大，声线向上弯曲，在海面 或某层反射向前传播， 或某层反射向前传播，不存在海 底的吸收和散射， 底的吸收和散射，声能传播距离 远。多见于冬季浅海和深海 2000m以下。 在浅海亦称表面声 以下。 以下 道。声呐在浅海冬季比夏季传播 远。 反波导型： 反波导型： (dc/dz)<0，声线弯向海底，由 ，声线弯向海底， 于海底对声波的吸收和散射， 于海底对声波的吸收和散射，经 海底反射回来的声能减弱， 海底反射回来的声能减弱，且存 在声阴影区。 在声阴影区。声传播距离受到限 夏季浅海的“午后效应” 制。夏季浅海的“午后效应”。
二、声速c与海水中温、盐和压的关系 温
• 在海洋中，由公式(10－9)所给出的 ，ρ，βt等物理量与海水的温度、 在海洋中，由公式 － 所给出的 所给出的γ， ， 等物理量与海水的温度 等物理量与海水的温度、 盐度和压力有关。所以， 盐度和压力有关。所以，c=c(s,t,p), ρ=ρ(s,t,p), • 在海洋中，平均而言： 在海洋中，平均而言：
1.3 海洋声学特性(Acoustic character of ocean)
1、海水的声吸收(acoustic absorption)： 、海水的声吸收 ： 将声能变为不可逆的海水分子内能流体介质存 在粘滞性与导热性， 在粘滞性与导热性，介质因压缩变形而引起声能 耗散为机械能耗散。动态压缩时， 耗散为机械能耗散。动态压缩时，分子间的非弹 性碰撞使部分声能转变为热能， 性碰撞使部分声能转变为热能，通常称这部分声 吸收为由分子过程引起的声吸收。 吸收为由分子过程引起的声吸收 2、海面波浪的声散射(acoustic scatter)： 、海面波浪的声散射 ： 因不平整性、气泡和浮游生物的散射， 因不平整性、气泡和浮游生物的散射，声能弥 散到其他方向而损失。 散到其他方向而损失。
第三章海洋的声学特性ppt课件
n=1：适用外表声道和深海声道，柱面波传播， TL=10logr，相当于全反射海底和全反射海面 组成的理想波导中的传播条件；
n=1.5：适用计及海底声吸收时的浅海声传播 ， TL=15logr，相当于计入界面声吸收所引起的 对柱面波的传播损失的修正；
n=2：适用于开阔水域〔自在场〕，球面波传 播，TL=20logr；
吸收系数 均匀介质的声吸收 介质切变粘滞的声吸收〔经典声吸收〕 介质热传导声吸收〔经典声吸收〕 驰豫吸收〔超吸收〕
假设平面波传播间隔 dx 后，由于声吸收而引 起声强降低为 dI ，那么
dI2Idx
IxI0e2x取自然对数得：Fra bibliotek1 x
ln
p0
px
lnp0/px为声压振幅的自然对数衰减，
无量纲，称为：奈贝(Neper) 物理意义：单位间隔的奈贝数，Neper/m 通常将声强写成下式：
IxI01 0x10
取常用对数得：
1x0 lgII0 x2x0 lgpp0 x
物理意义：单位间隔的分贝数，dB/m
2 xl0g eln p p 0 x 20lg e8.68
反向散射强度(朝声源方 向的声散射。) ：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。
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， 与频率普通无关 入射角>5度时，散射
强度10lgms近似与cos2
成正比 大入射角时，散射强度能够与频率的四次方成
即：1Neper=8.68dB
声吸收引起的传播损失：
T L 1l0 g I I1 x x 1 xx1
海洋中的声传播理论详解课件
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声波在海洋中的散射和吸收导致信号强度衰减，使得远程通信和探测的可靠性降低 。
高分辨率声传播模型的发展
针对声传播的复杂性和不确定 性，发展高分辨率声传播模型 是重要的研究方向。
高分辨率模型能够更准确地模 拟声波在海洋中的传播路径和 能量衰减，提高预测精度。
通过引入更多的环境参数和改 进模型算法，可以更好地模拟 声传播过程，为实际应用提供 更可靠的依据。
当声波从一种介质传播到另一种介质时，由于介质密度的变化，声波的传播方 向会发生改变。在海洋中，声波从海水传播到空气时会产生折射现象。
声波反射
当声波遇到不同介质的界面时，部分或全部声波能量会返回原介质。在海洋中 ，声波遇到海底或海面时会产生反射现象。
声波的散射与吸收
声波散射
在海洋中，由于海水的密度、温度和盐度等分布不均匀，声波在传播过程中会发 生散射现象，导致声能分散。
02
海洋声学基础
海洋的物理特性
温度
海水温度随深度增加而 降低，影响声波传播速
度和衰减。
盐度
海水中盐分浓度影响声 波传播速度和衰减。
压力
深海压力大，影响声波 传播速度和衰减。
混浊度
海水中悬浮颗粒物和浮 游生物影响声波传播。
声波在海水中的传播速度
低频声波传播速度高 于高频声波。
深海声道现象：在一 定深度以下，声波传 播速度随深度增加而 增加。
海洋中的声传播理论详解课件
contents
目录
• 声波的基本理论 • 海洋声学基础 • 海洋中的声传播现象 • 海洋声传播的应用 • 海洋声传播的挑战与展望
01
声波的基本理论
声波的产生与传播
声波的产生
浅海脉冲声传播的信道匹配
内 ｊ ４
了‘、
、 １ １
， ｓ ， ｆ （ ， ｔ ） ） ・ ＝ 刃 ｐ ５ Ｓ （ Ｃ ｔ ） ） Ｉ ２ ｅ ｘ ｐ （ 一 ‘ ｃ ｏ ｔ ） ｄ ｃ ｏ ， 一
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时间 １ ．
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’图 ， ，深度 ２ ４ 米水听器接收六个站点发射的 ５ １ 码元信号接收信号脉冲压缩结果
图４ ， ５ ５ ． ６公里站位各深度信道匹配处理对信
号检测信噪比的改善效果 （ 简称匹配增益）
噪比。此时，信道匹配技术可用来消除多途的这种影响，文献「 ２ ］ ［ ３ 〕 对信道匹配进
行了理论实验研究，分别提出了解卷积信道响应法和自 适应信道匹配方法。 近年来，
在时间 反转和水声通讯信道均衡研究中 〔 ４ ， ５ １ ， 类似 信道匹配的 算法受到越来越多的 关
注。浅海低频声信道的多途特征明显，脉冲信号在其中传播时受多途影响较大。而
为 ， 在２ ４ 米 深 度 接 收 的 各 个 站 点 发 射 的５ １ １ 码 元 信 号 的 脉 冲 压 婀 结 果 ， 表 格１ 为 图
１ 脉冲压缩信号信噪比的理论值和实测值对比， 结果说明， 实验所用脉冲信号获得了 与理论值一致的脉冲压缩时间增益，补充多途扩展附加传播损失非常必要。
表 １水声通信接收 ５ １ １ 码元脉冲压缩信号的信噪比理论实验对比 （ 接收深度 ２ ４ 米）
在已 有的研究中， 对浅海信道低频信号的脉冲压缩和信道匹配及信道匹配增益的理
第十章 海洋中的声、光传播及其应用
第十章海洋中的声、光传播及其应用§10.1海洋声学概说10.1.1水声学与海洋声学的发展迄今为止，人们所熟知的水中的各种能量辐射形式中，以声波的传播性能为最好。
在含有盐、气泡和浮游生物的海水中，光波和电磁波的衰减都非常大。
它们的传播距离较短，远不能满足人类在海洋活动中的需要。
因此，到目前为止，在水下目标探测、通讯、导航等方面均以声波做为水下唯一有效的辐射能。
声呐是应海战需要而发展起来的水下目标探测设备。
它的普遍使用开始于第二次世界大战期间。
据可查的文献记录，早在1490年，达·芬奇写过：“如果使船停航，将长管的一端插入水中，将管的开口放在耳旁，则可听到远处的航船。
”这种声呐的雏形不能确定目标的方位。
在一次大战期间，于船的另一侧加了一根管，采用双耳测听，初步解决了测向问题。
第一次大战期间，由于德国的潜艇活动，约4000多艘同盟国舰船被击沉，这个数目相当于同盟国拥有舰船的三分之一，从而迫使同盟国集中很大力量去研究同潜艇做斗争的手段。
恰好1914年郎之万、康斯坦丁首先做成了电容(静电式)发射器和碳粒微音接收器。
1918年利用这样的发射和接收器，接收到来自海底的回波和于200m深处一块甲板的回波。
同时，郎之万等人用石英晶体做成压电式发射器和接收器，并采用了刚研制成的真空管放大器，制成第一台回声定位仪，以后简称声呐(sonar)。
“声呐”名称的由来，是仿照雷达一词对“声导航和回声定位”的英文“soundnavigationandranging”的缩写。
在第一次和第二次大战期间，交战国双方热衷于水下定位设备的研究。
在20～30年代，由于对声在海中的传播规律了解很少，曾认为声呐性能有一种神秘的不可靠性。
即声呐的性能有时早晨较好，到下午性能变得很坏，尤其在夏季的午后最差。
当时称这种现象为“午后效应”。
后来测量海水各层温度发现，由于太阳的照射，海表层温度升高，构成较小的温度梯度，形成了声的折射，使声波部分能量弯曲入射到海底。
海洋声学
（3）海洋声学技术和仪器。各种不同类型的声纳设备正 是海洋学技术中的佼佼者。海洋声学的研究不仅解开了许 多海洋之谜，也为人类开发海洋、利用海洋提供了许多有 效的途径。
观测要素
海水声速 声速梯度 声速跃层 水下声道
声速梯度
海洋中声速的基本结构 典型深海声速剖面： （4）深海等温层：
在深海内部，水温比 较低而且稳定，特征是正 声速梯度。
在主跃变层（负）和深海 等温层（正）之间，有一 声速极小值—声道轴。
声速梯度
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。
声音在海洋中是怎样衰减的？
实验表明，声波在海水中的吸收比在淡水中要大 得多，而且频率越高，吸收就越大。这主要是因 为海水中含有丰富的盐类，特别是硫酸镁。当声 波通过海水时，一部分声能转化为硫酸镁分子的 化学能，最后又变成了热能。除此以外，海底沉 积物对声波也有吸收作用，并且要比海水的吸收 作用大几百倍。进一步研究还发现，海底沉积物 对声波的吸收还与声波频率有关，频率越高，吸 收越大。所以，在海底沉积物中只有频率很低的 声波，才能穿透很大的深度，或传播很远的距离。
科学家们终于找到了直接测量海水中声速的方法，并根
据这一方法设计制造了声速测量器。很快声速测量器就
成为人们迅速、准确测量水下声速的重要工具。
声速测量仪
用来测量海水中声波传播速度，提供海洋声速剖面图的水 声仪器。亦称声速梯度仪。装备于潜艇、反潜水面舰艇、 反潜直升机和海洋调查船等。由声速－深度探头和电子收 发装置组成。声速－深度探头，包括一对距离固定的收、 发换能器和一个压力计。电子收发装置产生电信号，激励 探头内的发射换能器发出声波，声波传到接收换能器后， 再由收发装置进行处理测出声速。常用声速测量方法，有 相位法与环鸣法两种。相位法使用连续波，通过测量发射 与接收声波之间的相位差，推算出发射与接收换能器之间 海水的声速。环鸣法使用短脉冲，接收换能器每收到一个 脉冲，即触发发射换能器再发射一个脉冲，如此反复，根 据脉冲重复频率推算出声速。使用时，声速－深度探头在 水中下沉，在下沉过程中不断测量声速，同时用压力计测 量相应深度，得到测量点声速随深度变化的分布曲线，即 海洋声速剖面图。海洋声速剖面图可用于计算声线轨迹 (见声线轨迹仪)，也可直接用来选择声纳的有利工作状态 和潜艇的最佳航行深度。
海洋声学
之内传播的现象，就是人们通常所讲的“声道”效应了。
声波在海水中传播时也有类似的现象。我们知道，在固定跃层中声速随深度 的增加迅速减小，当降到某个限度时，就会进入深海等温层，在深海等温 层中由于压力增加声速反而会加快。也就是说，在固定跃层与深海等温层 交界的地方声速达到了最小值，从这一交界处无论向上还是向下声速都会 增加。另一方面，由于声波在传播中，总是具有向声速比较低的水层弯曲 的特性，所以，在这两层中激发的声波不能越出这条声带，而是曲折地沿 声道的轴线(两层的分界线，位于声速最小值处向前传播， 这时声波被固定在一定范围内， 就像被一个“管子”套住了一样， 这个“管子”就是海洋声道。 由于没有扩散， 所以声波在声道中可以传播到数千海里之外。
声速梯度
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。
声速梯度
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。
你知道什么是声纳吗？
和雷达一样，声纳这个词也是英文缩写字的音译，有时也 译为“声呐”，它的英文原意是“声波导航和测距装置”。 不过，现在声纳的含义已经大大超出了水声导航和定位的 范围了。一般认为，声纳就是利用声波在水下的传播特性， 通过电声转换和信号处理，完成水下目标探测，进行水下 通讯或遥测、遥控的设备。时至今日，利用水下声波的最 常用设备就是声纳。它是利用辐射器来产生特定的声波， 然后再用水听器或水下微音器接收从目标上反射回来的声 波，并通过比较接收信号与发射信号之间的差别来获得目 标参数的。声纳有主动式和被动式之分，它们之间的主要 区别在于声纳是否辐射声信号。主动式声纳是利用辐射器 在水中发射声脉冲，然后接收被目标反射回来的声波，进 而计算目标的方位和距离等参数；而被动式声纳自己并不 产生声辐射。仅仅通过侦听目标的声辐射来确定目标的距 离和方位。
水声学原理：第2章 海洋中声场的基本理论
哈尔滨工程大学
水声学原理
14
硕士学位课程
2.1 海洋中声场的射线理论
• 三维折射
– 当介质的折射率是三维坐标的函数时，声线将不能保 持在同一个平面内。
– 在海洋声学中，当分析内波对声场的影响时将会遇到 三维折射的情形。
– 在研究距离有关（Range-dependent）海洋中声波远 距离传播时也会遇到相同情况。
哈尔滨工程大学
水声学原理
26
硕士学位课程
2.1 海洋中声场的射线理论
• 海洋声层析（Ocean Acoustic Tomography）
– 海洋的变化特性对海洋气候、地球的天气都有显著的 影响，显著改变了声场的层状结构、导致了声信号的 起伏、扰动了声线路径。
– 从调查船和卫星获取的水团特征信息也是非常丰富的， 但尽管如此，这对实际生产来说还不够充分，因为目 前所获取的信息仍然只是海面和海面表层的信息。
(2A • W
A 2W
)
k
2 0
A[n 2
(W )2 ]
0
– 当声波频率足够高时，由上式可得程函方程和输运方 程（transport equation）
(W )2 n2
2A • W A2W 0
哈尔滨工程大学
水声学原理
16
硕士学位课程
2.1 海洋中声场的射线理论
• 三维折射
– 程函方程：
• 定义了声线几何坐标，声线垂直于等相位面
– 从某个距离开始，c 将超过海底的声速，在这种情况下，
声线将在海底发生反射。在远距离声传播中，由于这
种声线在海底的多次反射导致了较大的总声功率损失
哈尔滨工程或大者学 高吸收海底情况1 海洋中声场的射线理论
海洋声学基本教学活动内容计划
2014年海洋声学基础教学内容与计划
主要教学内容：
1.绪论(2学时)
2.海洋环境及声学特性(6学时)
3.海洋中的声传播理论(12学时)
4.典型海洋环境下声场(10学时)
5.目标散射与反射(6学时)
6.海洋中的混响(6学时)
7.海洋噪声(2学时)
8.海洋声传播起伏(2学时)
9.声纳方程的应用(4学时)
10.计算海洋声学概述(4学时)
教学计划:
每次授课4学时(上午8:15~11:45)
9月上课时间：
18日、25日
10月上课时间：
9日、16日、23日、30日
11月上课时间：
6日、13日、20日、27日
12月上课时间：
4日、11日、18日、25日
1月上课时间：
8日、15日
以上上课时间根据本人工作安排可能会稍有调整，调整时另行通知。
主要参考书目：
1.《水声学原理》，刘伯胜，雷家煜，哈尔滨船舶工程学院出版社。
2.《海洋声学基础》，布列霍夫斯基，雷桑诺夫，海洋出版社
3.《海洋声学》，布列霍夫斯基
4.《水声原理》，尤立克，哈尔滨船舶工程学院出版社。
5.分层介质中的波，布列霍夫斯基，科学出版社
6.《Computational Ocean Acoustics》,Finn B.Jensen, William
A.Kuperman, Michael
B.Porter, Henrik Schmidit.。
院士论坛▏吴立新等：物理海洋观测研究的进展与挑战
院士论坛▏吴立新等：物理海洋观测研究的进展与挑战图1 海洋在不同空间—时间尺度上运动的示意图物理海洋学又是一门以观测为基础的学科，在其发展史上任何一次实质性的突破都离不开海洋观测与探测技术的革新：卫星高度计的问世让科学家认识到海洋是“不平静”的，全球存在着大量的中尺度涡旋；浮标观测技术的成熟及热带海洋与全球大气研究(Tropical Ocean Global Atmosphere，TOGA)计划的实施为揭示ENSO(E1 Nifio Southern Oscillation)现象形成的海洋一大气动力学过程及机理，特别是ENS0事件的预测奠定了历史性的基础；ARGO(Array for Realtime Gestrophic Oceanography)计划的全面实施使我们对全球海洋进行实时观测有了可能，有效促进了海洋水团特征变化、海水流动以及混合等研究的发展。
本文从当今物理海洋学所面临的若干前沿科学问题出发，重点探讨物理海洋观测研究所面临的任务与挑战，包括在大洋边界流系统、海洋湍流及跨等密度面混合以及海洋热含量和淡水平衡等方面的观测研究。
一、大洋边界流系统大洋边界流系统在全球气候系统中起着非常重要的作用。
在大洋西侧由于地转效应造成的能量汇聚形成了强的西边界流。
在副热带海洋，西边界流把低纬度的暖水带到相对较冷的中高纬度海区，对全球海洋热量输送起着非常重要的作用。
在副极地地区，西边界流主要承担浮力的输送，它将层化较弱的高纬度水体带到中纬度地区。
在大洋东侧还存在着东边界流，这些海区一般存在着上升流系统，是表层海洋与次表层海洋生物地球化学交换活跃的海区，因此东边界流系统主要承担海洋生物地球化学物质的输运。
在热带海区，存在着低纬度西边界流，低纬度西边界流包含着表层流和次表层潜流，在热带和副热带的能量与物质交换中发挥着重要作用。
在大西洋以及南大洋还存在着深层西边界流，是全球经向翻转环流的关键组成部分，控制着深层海洋物质的输送和分布。
水声学第三章 海洋的声学特性幻灯片PPT
lnV12lnVV*
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又
V 2 im coc s2 o n s 2 s2 i/ nc2 o n s 2
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13
令：
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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
海洋声学基础讲义-吴立新精编版
海洋声学基础——水声学原理绪论各种能量形式中，声传播性能最好。
在海水中，电磁波衰减极大，传播距离有限，无法满足海洋活动中的水下目标探测、通讯、导航等需要。
声传播性能最好，水声声道可以传播上千公里，使其在人类海洋活动中广泛应用，随海洋需求增大，应用会更广。
§0-1节水声学简史01490年，意大利达芬奇利用插入水中长管而听到航船声记载。
11827年，瑞士物理学家D.colladon法国数学家c.starm于日内瓦湖测声速为1435米每秒。
21840年焦耳发现磁致伸缩效应1880年居里发现压电效应31912年泰坦尼克号事件后，L.F.Richardson提出回声探测方案。
4第一次世界大战，郎之万等利用真空管放大，首次实现了回波探测，表示换能器和弱信号放大电子技术是水声学发展成为可能。
（200米外装甲板，1500米远潜艇）5第二次世界大战主被动声呐，水声制导鱼雷，音响水雷，扫描声呐等出现，对目标强度、辐射噪声级、混响级有初步认识。
（二战中被击沉潜艇，60%靠的是声呐设备）6二、三十年代——午后效应，强迫人们对声音在海洋中的传播规律进行了大量研究，并建立起相关理论。
对海中声传播机理的认识是二次大战间取得的最大成就。
7二战后随着信息科学发展，声呐设备向低频、大功率、大基阵及综合信号处理方向发展，同时逐步形成了声在海洋中传播规律研究的理论体系。
81、1945年，Ewing发现声道现象，使远程传播成为可能，建立了一些介质影响声传播的介质模型。
2、1946年，Bergman提出声场求解的射线理论。
3、1948年，Perkeris应用简正波理论解声波导传播问题。
4、50-60年代，完善了上述模型（利用计算技术）。
5、1966年，Tolstor和Clay提出声场计算中在确定性背景结构中应计入随机海洋介质的必要性。
§0-2 节水声学的研究对象及任务1、水声学：它是声学的一个重要分支，它基于四十年代反潜战争的需要，在经典声学的基础上吸收雷达技术及其它科学成就而发展起来的综合性尖端科学技术。
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
海上战争中的动态海洋及动态海洋声学环境平台探讨
海上战争中的动态海洋及动态海洋声学环境平台探讨吴开明;任云;吴立新;丁翠环;张仁和【期刊名称】《舰船电子工程》【年(卷),期】2008(028)007【摘要】水声设备和其相关技术是舰船在航海中的犀利的眼睛,目前动态海洋环境已经成为水声学及其相关技术发展的瓶颈.基丁海洋地理信息、海洋气象、海洋水文及其动态物理规律的动态海洋环境系统平台,以及由此衍生的动态海洋声学环境平台,是现代海战的基本支撑环境.结合海洋学、水声学等多学科的大型综合的海洋考察实验足国外同行研究的一个前沿;共同筹建一套综合的适于现代海上战争战略战术的动态海洋环境平台,也将是我国海洋学、水声学、海军等相关领域相互协作的奋斗方向.【总页数】5页(P178-182)【作者】吴开明;任云;吴立新;丁翠环;张仁和【作者单位】科学院声学研究所,北京,100080;国科学院研究生院,北京,100080;91388部队,湛江,524022;科学院声学研究所,北京,100080;国科学院研究生院,北京,100080;科学院声学研究所,北京,100080;91388部队,湛江,524022;科学院声学研究所,北京,100080【正文语种】中文【中图分类】TN911.73【相关文献】1.海洋石油职工海上和陆上动态血压比较 [J], 钟伟言;张学愚;林艳足;谢汝林;王学涛;谢重汉;宋锁林2.海洋科技创新、海洋全要素生产率与海洋经济发展的动态关系——基于面板向量自回归模型的实证分析 [J], 宁凌; 宋泽明3.全球海洋预报信息平台在海上风电业中的应用——以海维斯海洋信息服务平台为例 [J], 王晓春;钱苏伟;杜瑛卓;张旺;赵海波4.海洋地质杂志社《海洋地质与第四纪地质》和《海洋地质动态》双获山东省优秀科技期刊 [J],5.海洋地质杂志社《海洋地质与第四纪地质》、《海洋地质动态》第四届编辑委员会 [J],因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
海洋科学导论第9、10章 生物 声光(文档不可编辑)
10.1 海洋声学概说
迄今为止，人们所熟知的水中的各种能量辐射形式中，以声波的传播 性能为最好。
声呐sonar——声导航和回声定位“sound navigation and ranging”
“声呐”还是“声纳”
1把Acoustic susceptacne译名为“声纳”，这个“声 纳”是表示声波在传播中导声能力量度的声导纳的 一个分量，正像“电纳”是表示电流在电路中传输 时的导电能力量度的一个分量一样。
海水中声波的传播速度 在（0-17）℃范围内每升高1℃其相应的声速度增加4.21m/s； 盐度每增加1，声速值增加1.14m/s； 当深度变化100m时，声速约增加1.75m/s。
10.3 海洋的声学特性
声速的水平梯度一般较铅直梯度为小，但在那些较复杂的海区（冷暖 水团相交混的海域）则必须考虑声速的水平梯度。
声吸收是将声能变为不可逆的海水分子内能。
波动的海面有大量的气泡和浮游生物，因不平整性、气泡和浮游生物 的散射，一部分声能弥散到其他方向而损失，所损失的声能与海况和 浮游生物有关。
10.4 浅海中声传播理论和声场特征
反射、折射定律：声线总是向声速小的 方向弯曲。
水下声道：声速剖面于水下出现一极小 值，极小值所在的平面称声道轴，声波 在其间可传播很远距离，此即为水下声 道现象。
2“纳”有接受的意思，可以表达声波 通过和接受电流通过的意思；“呐”有 呐喊和大声喊叫的意思，可以用来表达 声学现象。
10.2 声速度 330m/s要大四倍。
声源每秒振动的次数称频率，单位是赫兹（Hz）。人耳可听 到的最高频率约为20×103Hz，因此在20×103Hz以上的声波 称为超声波。
中国海洋大学教授吴立新当选中国科学院院士
中国海洋大学教授吴立新当选中国科学院院士新华网山东频道１２月２０日电（记者张旭东）中国科学院近日公布了新的院士增选结果，中国海洋大学教授、物理海洋专家吴立新成功当选。
吴立新，安徽省桐城市人，出身于普通家庭，自幼刻苦学习，后升入清华大学就读于流体力学专业，１９８８年进入北京大学攻读硕士、博士学位。
１１年的求学生涯，他不仅从清华、北大两所中国最高学府学到了丰富的知识，也汲取了两校的优良传统和文化内涵。
１９９４年博士毕业后，吴立新去美国做博士后，先到罗格斯大学，一年后又到了威斯康新大学麦迪逊分校气候研究中心在美国科学院院士ＪｏｈｎＫｕｔｚｂａｃｈ的团队工作。
这期间，他开始与海洋结缘，研究方向从涡旋动力学转向海洋动力学，后又跨越到气候动力学。
这期间，他所从事的“海洋气候年代际变化研究”在国际上产生了一定的影响力，并引起国际同行的关注。
吴立新在美１１年完成了学术科研的重大跨越，作为锋芒初露的青年科学家也受到外国同行的赞誉。
正当别人以为他会留在美国继续发展的时候，２００５年他放弃了美国优越的生活和工作条件，回到国内，进入中国海洋大学，成为“筑峰工程”第一层次教授。
１１年的知识获取，１１年的学术积淀，他把自己最具创造力的时光留给了中国海洋大学。
进入海大８年来，吴立新带领他的团队取得了系列令人瞩目的成就。
从“９７３计划”项目，到创新研究群体，到科技部创新团队，再到国家重大科学研究计划项目，此外还产生了一批有重要国际影响力的原创性成果，先后在《ＮａｔｕｒｅＧｅｏｓｃｉｅｎｃｅ》、《ＮａｔｕｒｅＣｌｉｍａｔｅＣｈａｎｇｅ》等国际著名杂志刊发。
吴立新本人也先后获得国家杰出青年基金获得者、山东省“泰山学者”、教育部“长江学者”等称号。
当下吴立新正积极开展海洋科学与技术青岛协同创新中心的工作，作为中心主任，他准备用５－１０年的时间将中心建设成全球著名的海洋科学与技术的研究中心之一，对我们国家海洋科学与技术的发展起到辐射带动作用。
海洋水声环境和声纳设计手册
海洋水声环境和声纳设计手册海洋水声环境和声纳设计手册是在海洋环境中进行声纳系统设计和应用的重要参考资料。
本手册包含了海洋水声环境的基本知识、声纳系统设计的原理和方法、声纳信号处理技术、声纳探测与测量方法等内容。
以下是相关参考内容的概述。
一、海洋水声环境1. 海洋水声传播特性：介绍海洋中声波传播的基本原理和特性，包括声速剖面、吸声、散射、衍射等；2. 海洋噪声：介绍海洋中的自然和人为噪声，如海浪噪声、风噪声、船舶噪声等；3. 海洋声学气象：介绍海洋中的声学气象条件，如声速剖面变化、吸声层出现等。
二、声纳系统设计原理和方法1. 声纳系统概述：介绍声纳系统的基本组成和工作原理；2. 声纳系统设计流程：包括需求分析、系统规划、硬件选择、软件开发、系统集成、测试与验证等；3. 声纳传感器设计：介绍声纳传感器的类型、特性选择和设计原则；4. 声纳信号处理：介绍声纳信号的处理方法，包括滤波、时域频域分析、谱估计等；5. 声纳系统性能评估：介绍声纳系统的性能指标和评估方法。
三、声纳信号处理技术1. 声纳信号预处理：介绍声纳信号预处理的方法，包括去噪、均衡、滤波等；2. 声纳图像处理：介绍声纳图像的处理方法，包括图像增强、目标检测与识别等；3. 声纳信号检测与跟踪：介绍声纳信号的检测和跟踪方法，如目标检测、目标跟踪、波束形成等；4. 声纳数据融合：介绍声纳数据融合的方法，如多传感器数据融合、多源数据融合等；5. 声纳系统优化与自适应：介绍声纳系统的优化和自适应方法，如自适应波束形成、自适应滤波等。
四、声纳探测与测量方法1. 传声器选取和定位：介绍传声器的选取和定位方法，包括传感器特性和布放原理；2. 目标检测与识别：介绍声纳目标检测和识别的方法，如目标特征提取、分类与识别等；3. 测量与定位：介绍声纳测量和定位的方法，包括时间差测量、相位差测量等；4. 水下声源定位：介绍水下声源定位的方法，如测角定位、测距定位等；5. 声纳成像与重建：介绍声纳成像和重建的方法，包括声纳图像重建、声纳三维成像等。
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海洋声学基础——水声学原理绪论各种能量形式中，声传播性能最好。
在海水中，电磁波衰减极大，传播距离有限，无法满足海洋活动中的水下目标探测、通讯、导航等需要。
声传播性能最好，水声声道可以传播上千公里，使其在人类海洋活动中广泛应用，随海洋需求增大，应用会更广。
§0-1节水声学简史01490年，意大利达芬奇利用插入水中长管而听到航船声记载。
11827年，瑞士物理学家D.colladon法国数学家c.starm于日内瓦湖测声速为1435米每秒。
21840年焦耳发现磁致伸缩效应1880年居里发现压电效应31912年泰坦尼克号事件后，L.F.Richardson提出回声探测方案。
4第一次世界大战，郎之万等利用真空管放大，首次实现了回波探测，表示换能器和弱信号放大电子技术是水声学发展成为可能。
（200米外装甲板，1500米远潜艇）5第二次世界大战主被动声呐，水声制导鱼雷，音响水雷，扫描声呐等出现，对目标强度、辐射噪声级、混响级有初步认识。
（二战中被击沉潜艇，60%靠的是声呐设备）6二、三十年代——午后效应，强迫人们对声音在海洋中的传播规律进行了大量研究，并建立起相关理论。
对海中声传播机理的认识是二次大战间取得的最大成就。
7二战后随着信息科学发展，声呐设备向低频、大功率、大基阵及综合信号处理方向发展，同时逐步形成了声在海洋中传播规律研究的理论体系。
81、1945年，Ewing发现声道现象，使远程传播成为可能，建立了一些介质影响声传播的介质模型。
2、1946年，Bergman提出声场求解的射线理论。
3、1948年，Perkeris应用简正波理论解声波导传播问题。
4、50-60年代，完善了上述模型（利用计算技术）。
5、1966年，Tolstor和Clay提出声场计算中在确定性背景结构中应计入随机海洋介质的必要性。
§0-2 节水声学的研究对象及任务1、水声学：它是声学的一个重要分支，它基于四十年代反潜战争的需要，在经典声学的基础上吸收雷达技术及其它科学成就而发展起来的综合性尖端科学技术。
它包括水声物理和水声工程两方面内容。
①声物理：是研究声波在水介质中辐射、传播和接收时的各种现象和规律。
其任务是为水下探测技术服务的。
②水声工程：根据已探知的现象和规律，运用无线电电子学、电声学、统计数学、计算数学、仪表技术、自动控制、信息论、海洋学及物理学其它分支的新成就，研制国防，航海，渔业，海洋开发等应用中的水声仪器设备，它包括水下声系统和水声技术两方面。
a：水下声系统：实现电、力、声转换，换能器，基阵等材料、结构、辐射、接收特征等。
b：水声技术：指水声信号处理、显示技术。
2、二者关系：水声物理是基础，提供依据；水声工程丰富了水声物理内容，促进其发展，二者相互促进，相辅相成，不可分开。
3、内容安排：①海水介质及边界声特性②声在海洋中的传播规律理论③典型水文条件下的声传播④ 水下目标的声反射、散射 ⑤ 海中混响 ⑥ 海洋噪声 ⑦ 声传播起伏§0-3节 声呐方程 一 声呐及其工作方式1、 主动声呐2、 被动声纳二 声呐参数1、 声源级：其中为发射换能器或发射阵声轴方向1米处声强，（参考1微帕均方根声压）① 指向性指数：它表征在相同距离上，指向性发射器声轴上声级高出无指向性发射目标目标器声场声级的分贝值。
②声源级与声功率：目前：2、传播损失：表征声传播一定距离后强度的衰减变化。
3、目标强度：反映目标反射本领为在入射波反向离目标声中心1米处回波强度。
为目标入射声波的强度。
4、海洋环境噪声级：度量环境噪声强弱的量5、等效平面波混响级：（主动声纳）若强度为平面波入射到接收阵，其输出与阵对准目标时混响输出相等，则混响级为：其中6、接收指向性指数：7、阵增益：分子为阵输出信噪比，分母为单阵元输出信噪比，当噪声源各项同性时，由描述8、检测阈：检测阈小，设备处理能力强，性能好。
四、声呐方程：1、主动声呐方程：基本考虑：主动声纳方程：（收发合置）①噪声干扰为主：②混响干扰为主：2、被动声呐方程：3、组合声呐参数：名称表达式物理意义回声信号级加到主动声纳接收器（阵）上回声信号级噪声掩蔽级在噪声干扰中声呐正常工作最低信号级混响掩蔽级在混响中声呐正常工作最低信号级回声余量主动声呐回声级超过噪声掩蔽级数量优质因数主动声呐允许最大单程损失主动声呐（TS=0时）允许最大双程损失品质因数接收端声源级与噪声级之差4、声呐方程应用及限制应用：①对已有正在设计中，研制声呐设备进行性能预报。
②用于声呐设计例如：——频率高好——频率低好主动声呐背景干扰确定：如右图：对噪声级：当时声呐由于混响而不能正常工作。
对噪声级：则声呐受噪声级控制。
第一章海洋的声学特性§1-1 海水中的声速：为海水密度，绝热压缩系数。
由于海中的温度、盐度、静压力随时间地点而异，因为，为温度盐度静压力的函数，故声速与介质特性关系为：声速增大温度增大不变减小增大盐度增大增大减小增大压力增大不变减小实验表时，c在1420~1520米/秒内变化经验公式：威尔逊：乌德公式：单位为大气压（一）海洋中声速的垂直分层性质和声速梯度影响声速的三要素：T，S和d都接近水平分层变化，故则声速梯度为：而所以其中若c由乌德公式给出，则：T增加，c增加约4m/s。
S增加，c增加约1.14m/s。
P增加，c增加约0.175m/s。
（二）海洋中声速的基本结构1、典型深海声速剖面：三层结构：①表面混合层（高温，搅拌）②深海等温层③过渡跃变层2、常见海洋声速分布：浅海秋冬季混合等温层浅海夏季高纬度秋冬季深海3、声速分布分类：①深海声道的声速分布②表面声道声速分布③反声道声速分布④浅海常见的声速分布§1-2 海水中的声吸收一、传播衰减扩展损失：由于声波波阵面在传播过程中不断扩展而引起的声衰减，亦称几何衰减。
吸收损失：由于介质热传导、沾滞及驰豫过程引起的声强衰减。
散射衰减损失：由介质中泥沙、气泡、生物悬浮粒子及介质不均匀性和介面不均匀引起散射损失。
（一）扩散损失n=0: 平面波n=1: 柱面波：全反射海底海面波导中声传播n=3/2: 计海底吸收的浅海声传播。
（修正柱面波）n=2: 球面波传播n=3: 声波通过浅海负跃变层后声传播损失n=4: 计海面反射干涉效应在费郎和费区内的声传播（二）吸收系数当平面波传播后由吸收引起的声强降低为则为起始声强。
为无量纲量称为夸培。
单位为夸培/米若取10为底形式：则，单位为贝尔，单位称分贝dB考虑吸收后的传播衰减为：二、纯水与海水的超吸收（略）§1-3 海底海底粗糙度有很宽的谱，约从几厘米到几十公里或几百公里。
由散射理论可导出瑞利参数为均方根位移时，粗糙度小，为相干镜反射时，粗糙度大，为漫散射一、海底沉积层（一）密度n为孔隙度：指沉积物体积中含水分体积的百分数。
为孔隙水密度：一般与海底水密度相等为无机物固体密度（二）声速压缩波声速：切变波速度：E为沉积层弹性模量G为沉积层刚性模量（三）衰减损失K为常数，f为频率（KHz），m为指数二、海底反射损失海底反射损失：由声学基础可知：若以掠角表示则为：n=1、几种特殊情况①垂直入射：时若②掠入射：即任何m，n都且有相移全反射③临界角由定义的角度称为临界角（时有）此时表无相移全反射④全透射角由定义角为全透射角。
则此时全入射角存在条件2、低声速海底（n>1）当由时，V由n>m时，，当n<m时，由，则相移在由180º到0º。
3、高声速海底（n<1）垂直入射时掠入射时：临界角入射：对时，V为实数n<m时，V从1均匀减小到n>m时，在全透射角，V=0，则V由1减小到0，再减小到对时，V是复数则,令则有即2∴则，掠入射时，而临界入射时。
4、海底损失的三参数模型实验表明：海底沉积层反射损失随掠角变化特征为：①在分界掠角当时，反射损失较小当时，反射损失较大②小掠角范围内，反射损失随而增加③在大掠角范围内，反射损失与无明显关系由上三特征引入三参数模型：三个参数：为斜率为分界掠角，即为全内反射角§1-4 海面一、波浪的基本特征：（一）重力表面波（二）表面张力波二、波浪的统计特性（一）概率密度（二）海浪谱P-M谱为海面19.5米处风速，m/s。
§1-5 海洋内部的不均匀性一、湍流与微结构湍流形成T，S的细微结构，从而引起声场的细微结构。
跃变层中湍流与内波不稳定性有关。
二、内波内波引起等温线随海洋的变化，从而对声传播信号起伏带来影响（低频、远距离更明显）。
三、海流与锋区海流边缘形成锋区，造成T，S水平变化，声穿过时将引起强烈起伏。
四、中尺度涡旋五、深水散射层（DSL）第二章海洋中的声传播理论一、声波在海洋中的传播是一个非常复杂的问题，原因：1、引起衰减和折射的海水物理化学性质2、不平整表面产生的复杂反射、散射3、自然噪声和混响背景的存在及引起声场变化的海洋易变性以上因素引起声传播过程中的延迟、失真、损耗和起伏等变化，形成水声物理的基本研究课题。
二、海洋中声传播的理论方法1、简正波理论：用常规方法寻求波动方程和一组定解条件的线性级数解，即用简正波的特征函数来描述声场。
每个特征函数都是方程的解，所有简正波的线性迭加构成了一般解，但须满足边条件和初条件。
优点：此方法精确、细致描述声场，尤其是可解决射线声学不适用的声影区、会聚区、焦散区声场。
缺点：求解困难，最简单条件下，求解过程也十分繁杂。
物理图像不直观。
为简化求解而简化模型，造成理论与实际不符而精度较差。
适用：低频、远场、浅海2、射线理论（几何声学）：射线声学完全抛开声传播过程中的波动性质，而将其理解为声波的能量沿一定路径通过一定形状几何面向外传播。
优点：概念方法直观，计算简便，物理图像清晰缺点：在声影区、焦散区，介质在一个声波波长范围内变化较大区域不适用，存在局限性。
适用：高频，近场，深海§2-1 波动方程和定解条件一、波动方程2-1 小振幅情况下，可忽略，则有：2-2 则小振幅条件下运动方程为：2-3 由质量守恒定律得连续性方程为：2-4 声振动为等熵过程，其状态方程为：2-52-6 或2-7 由2-3、2-4、2-7消去u后，得到：2-8做变量代换，得2-9对简谐波：则2-9式变为：2-10 式中：2-11 若忽略海洋中密度的空间变化，则有：则波动方程变为：2-12 ，则也满足上述方程2-13 当介质中存在外力作用时（如声源），则波动方程变为：2-14 F为作用于单位介质体元上的外力，经类似推导可得2-15 当为常数时有：或2-16 非齐次亥姆霍茨方程3-15，3-16给出了物理量随时间随空间变化所满足的普遍规律，即范定方程。
二、定解条件（一）边界条件（物理量在边界上满足的条件）1、绝对软边界：边界上的压力等于零，若边界是z=0平面，则有2-17 若边界为的自由表面（如不平整海面）则2-18 此为第一类齐次边界条件若已知界面上的压力满足一定分布,则边界条件应写为：2-19 此为第一类非齐次边界条件。