水声学-海洋中的声传播理论2
海洋中的声学传播特性研究进展
海洋中的声学传播特性研究进展声学传播特性是指声波在特定介质中传播的特点和规律。
海洋中的声学传播特性研究对于理解海洋环境、探测海洋资源、进行海洋观测和保护海洋生态环境等方面都具有重要意义。
本文将从声波传播机理、声学传感技术以及海洋声学研究中的应用等方面，对海洋中的声学传播特性研究进展进行概述。
一、声波传播机理声波在海洋中传播的机理主要包括直达传播、散射传播和衍射传播等。
直达传播是指声波直接从声源传播到接收器，散射传播是指声波在遇到不均匀介质时被反射或折射导致的传播，而衍射传播则是指声波在遇到障碍物时绕过障碍物进行传播。
海洋中的声波传播受到海水声速、温度、盐度、声衰减等因素的影响。
海水中的声速和密度随深度变化，形成了声速剖面。
此外，海水中的溶解氧浓度和微生物浓度也会影响声波传播。
二、声学传感技术声学传感技术是一种利用声波传播特性进行信息传输、探测和测量的技术。
在海洋环境中，声学传感技术被广泛应用于海洋观测、洋底地震监测、水声通信等领域。
海洋观测方面，声学传感器可以用于测量海洋中的水温、盐度、压力、流速等参数，对海洋环境进行实时监测和预警。
洋底地震监测中，声学传感器可以记录地震产生的声波信号，帮助科学家研究地震的发生和演化过程。
水声通信则利用声波传播的特性进行远距离通信，用于海底油气田监测、海上救援等领域。
三、海洋声学研究中的应用海洋声学研究在海洋科学研究、资源勘探和环境保护等方面有着广泛应用。
在海洋科学研究中，通过对海洋中声波传播特性的研究，可以获取海底地质、海洋生态系统和海洋动力学等方面的信息。
同时，声学观测还可用于研究鱼类迁徙、海洋哺乳动物行为等生物学现象。
在海洋资源勘探方面，声学方法已成为一种重要的探测手段。
通过声波在海洋中的传播特性，可以实现海洋石油、天然气等资源的探测与勘探。
此外，声学方法还可以应用于海洋矿产资源的勘探和开发。
在海洋环境保护方面，声学技术可以用于监测和评估海洋环境的变化和污染状况。
第3章 海洋中的声传播理论
2
2
3.2 波动声学基础
（3）函数Rn(r) 由零阶贝塞尔方程，可得 Rn r 的解：
Rn r jZ n z0 H 0 n r
2
2 2 j sin k zn z0 H 0 n r H
水声学
第3章 海洋中的声传播理论
①平面波情况
x =f t c
水声学
1 0 x c t
第3章 海洋中的声传播理论
jk 0 x
15
3.1 波动方程和定解条件
②柱面波情况
lim r jk 0 r r
③球面波情况
注意负号的物理含义。
水声学 第3章 海洋中的声传播理论 13
3.1 波动方程和定解条件
④边界上密度或声速有限间断
边界上压力和法向质点振速连续：
p s0 p s0
1 p 1 p n n s 0 s 0
若压力不连续，压力突变或质量加速度趋于无穷；
水声学
第3章 海洋中的声传播理论
24
3.2 波动声学基础
（1）波动方程
d 2 Rn 1 dRn d 2 Zn 2 2 Zn 2 Rn 2 k0 Z n r z z0 r dr r n dz dr
——第二类非齐次边界条件
水声学 第3章 海洋中的声传播理论 12
3.1 波动方程和定解条件
③混合边界条件：声压和振速线性组合
p a bp f s n s
——若a和b为常数，则为第三类边界条件 若 f s 0 ，则为阻抗边界条件： p Z un
《水声学》部分习题答案
线的交点所对应的距离来确定混响是主要干扰，还是噪声为主要干扰，如下图，
rR<rn，所以混响是主要干扰。
声信号级
回声信号级
混响掩蔽级
噪声掩蔽级
rR rn
距离r
6 工作中的主动声呐会受到哪些干扰？若工作频率为 1000Hz，且探测沉底目
标，则该声呐将会受到哪些干扰源的干扰。
解：工作中的主动声呐受到的干扰是：海洋环境噪声、海洋混响和自噪声，若工
水声工程学院
8
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哈尔滨工程大学国家级精品课程——《水声学习题集参考答案》
解：早晨时声呐作用距离远，因为此时可能存在表面声道，而下午一般不会形成 表面声道。即使不出现表面声道时，早晨的负梯度也小于下午的负梯度，所以早 晨的作用距离远于下午，这就是下午效应。 9 画出深海声道声速分布，应用射线理论说明声波在深海声道中远距离传播的
7
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第 4 章 典型传播条件下的声场
1 邻近海面的水下点源声场中的声压振幅随距离变化具有哪些规律？ 2 表面声道的混合层中的声线传播具有那些特点？ 3 什么是反转深度？什么是临界声线和跨度？ 4 什么是会聚区和声影区？二者之间声强大小如何？会聚增益是如何定义的？
声线曲率半径 R = c0 ，所以水平传播距离 g
x = R 2 − (R − d )2 = 2Rd − d 2
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6
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一般情况下，声速垂直梯度 g 为远小于 1 的量 所以曲率半径较水深大得多 x ≈ 2Rd = (2c0d / g)1/ 2
解：1）声速绝对梯度 g = dc = 1500 −1450 = −0.5s −1
第3章海洋中的声传播理论2
将形式解代入波动方程：
2 A A
k02
k
2
j
k0
2A A
2
0
8
射线声学的基本方程
2 A
A
k02
k2
0
2
2 A
A
0
当 2 A A k 2 时，
2
k k0
2
n2 x
,
y
,
z
强度方程 程函方程
9
射线声学的基本方程
两个基本方程
2 n2
2
2 A
x
x
x
x s
y
y s
z
z s
n cos2 n cos2 n cos2 n
x
x
15
射线声学的基本方程
d ncos n
ds
x
第（3）种表示式： d n cos n
ds
y
d ncos n
ds
z
矢量方程形式：
d n
ds
16
射线声学的基本方程
应用举例
c 声速 为常数
1x nzcos
x
2 z nzcos
z
因此，
1x nzcosdx
2z nzcosdz
22
射线声学的基本方程
求解程函的显式
O
根据Snell定律
x
1x cos0 x C1
nzcos n sin
n2 cos2 0
2 z
z z0
n2 cos2 0 dz C2
程函：x , z cos0 x
定条件限制下波动方程的近似解。
2
射线声学的基本方程
水声学-海洋的声学特性2
(
注意： 注意：三参数模型可用于分析海洋中声场的平均结构
College of Underwater Acoustic Engineering 15
2、海面声学特性 、
海面波浪
周期性——周期、波长、波 周期、波长、 周期性 周期 速和波高等量描述其特征； 速和波高等量描述其特征； 随机起伏性——概率密度分 随机起伏性 概率密度分 方差、 布、方差、谱和相关函数等 描述其特征。 描述其特征。
11
海底反射损失的三个特征 ∗ 存在一个“分界掠射角” 存在一个“分界掠射角”ϕ ，是海底反射损失 的一个特征参数 ∗ 反射损失值较小,随 当 ϕ<ϕ 时，反射损失值较小 随 ϕ 增大而增加 ∗ 反射损失较大,与 当 ϕ>ϕ 时，反射损失较大 与 ϕ 无明显依赖关 系
海底反射损失简化模型-三参数模型 海底反射损失简化模型 三参数模型
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21
海底反射系数模和反射损失 值随掠射角的变化 值随掠射角 海底反射系数模和反射损失BL值随掠射角的变化 反射系数模
高声速海底
低声速海底
10
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深海实测的海底反射损失
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6
人们关心的海底参数
声速（反演） 声速（反演） 密度（反演） 密度（反演） 衰减系数（反演） 衰减系数（反演） 底质（取样） 底质（取样） 垂直分层结构（取样） 垂直分层结构（取样）
2001年中美联合考察 年中美联合考察
2005年黄海实验 年黄海实验
2.1.2海洋的声学特性-海水的声速
2.1.2海洋的声学特性-海⽔的声速第2章海洋的声学特性第⼀讲海⽔的声速2.1 海⽔中的声速声速：海洋中重要的声学参数，也是海洋中声传播的最基本物理参数。
海洋中声波为弹性纵波，声速为：sc ρβ1=式中，密度ρ和绝热压缩系数s β都是温度T 、盐度S 和静压⼒P 的函数，因此，声速也是T 、S 、P 的函数。
1、声速经验公式海洋中的声速c （m/s ）随温度T （℃）、盐度S （‰）、压⼒P （kg/cm 2）的增加⽽增加。
经验公式是许多海上测量实验的总结得到的，常⽤的经验公式为：较为准确的经验公式：STPP S T c c c c c ++++=22.1449式中，4734221007.510822.2104585.56233.4T T T T c T ---?-?+?-=?()()2235108.735391.1-?--=-S S c S ?4123925110503.310451.3100279.11060518.1P P P P c P ----?-?+?+?=?()[][][]TP T T P T T T P PT P P T S c STP31021012382546214310745.110286.910391.210644.6103302.110796.21009.21096.11061.210197.135----------?-?+?-+?-? +?-+?-?-?+?--=?上式适⽤范围：-3℃注意：海⽔中盐度变化不⼤，典型值35‰；经常⽤深度替代静压⼒，每下降10m ⽔深近似增加1个⼤⽓压的压⼒。
声速c 的数值变化虽然微⼩，但它对长距离传播声线的分布、射程、传播时间等量的影响很⼤，因此需要有准确的声速数值。
但上式计算⽐较繁琐，在精度要求不太⾼时，可使⽤⽐较简单的经验公式。
许多⽂献资料，都给出较为简单的声速经验公式，这⾥介绍乌德公式：()PS T T c 175.03514.1037.021.414502+-+-+=式中，压⼒P 单位是⼤⽓压， 25/10013.11m N atm ?=。
水声学原理 (2)
水声学underwater acoustics简史水声换能器和参量阵水声换能器水声换能器的进展水声参量阵声波在海洋中的传播和声场数值预报传播损失水下声道理论方法深海中的声传播浅海中的声传播声场数值预报水声场的背景干扰噪声海洋中的混响信号场的起伏和散射海面波浪引起的声起伏湍流引起的声起伏内波引起的声起伏目标反射和舰船辐射噪声水下目标反射舰船辐射噪声水声信号处理-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过程有关的声学问题。
声波是已知的唯一能够在水中远距离传播的波动,在这方面远比电磁波(如无线电波、光波等)好,水声学随着海洋的开发和利用发展起来，并得到了广泛的应用。
简史1827年左右，瑞士和法国的科学家首次相当精确地测量了水中声速。
1912年“巨人”号客轮同冰山相撞而沉没，促使一些科学家研究对冰山回声定位，这标志了水声学的诞生。
美国的R.A.费森登设计制造了电动式水声换能器(500～1000Hz)，1914年就能探测到2海里远的冰山。
1918年，P.朗之万制成压电式换能器，产生了超声波,并应用了当时刚出现的真空管放大技术,进行水中远程目标的探测，第一次收到了潜艇的回波，开创了近代水声学，也由此发明了声呐。
随后，水声换能器的革新，关于温度梯度影响声传播路径的机理、声吸收系数随频率变化等水声学研究的成就，使声呐得以不断改进，并在第二次世界大战期间反德国潜艇的大西洋战役中起了重要作用。
第二次世界大战以后,为提高探测远距离目标(如潜艇)的能力,水声学研究的重点转向低频、大功率、深海和信号处理等方面。
同时，水声学应用的领域也越加广泛，出现了许多新装置，例如:水声制导鱼雷,音响水雷，主、被动扫描声呐,水声通信仪，声浮标，声航速仪,回声探测仪,鱼群探测仪,声导航信标,地貌仪,深、浅海底地层剖面仪，水声释放器以及水声遥测、控制器等。
水声作为遥测海洋的积分探头，在长时间内大面积连续监测海洋的运动过程以及海洋资源概念也已初步形成。
第3章海洋中的声传播理论
College of Underwater Acoustic Engineering，2007
声场常用分析方法
•波动理论（简正波方法） 研究声信号的振幅和相位在声场中的变化，
它适用低频，数学上复杂、物理意义不直观的 声场分析方法。 •射线理论（射线声学）
研究声场中声强随射线束的变化，它是近 似处理方法，且适用于高频，但数学上简单、 物理上直观的声场分析方法。
I 1
N
TL 10 lg I r 10 lg n1
2
2 nr
Z
n
z0
Z
n
z
e
j
n
r
40
3.2 波动声学基础
（4）传播损失
当
Zn
和
均为实数时，可得：
n
随距离单调增加
TL
10 lg
N n1
2 nr
Z
2 n
z0
Z
2 n
z
N
lim r jk 0
r r
③球面波情况
lim r jk 0
r r
——也称为索末菲尔德（Sommerfeld）条件。
16
3.1 波动方程和定解条件
（3）奇性条件 对于声源辐射的球面波，在声源处存在奇异
点，即
r0 p
不满足波动方程；如果引入狄拉克函数，它满足 非齐次波动方程
级数求和的数目与传播的频率和层中参数有关。
31
3.2 波动声学基础
（2）截止频率 简正波阶数最大值：
n
海洋中的声、光传播
04
05
01
03
02
海洋光学中有两个基本的辐射度量，用于描述海中光场的分布。
01
是辐亮度L，它是指沿特定方向垂直于单位截面积并沿此方向单位立体角的辐射量大小；
02
辐照度E，它表示单位面积接收到的辐射量
03
2.1海洋光学中的一些辐射量
入射到海水表面的光，一部分被反射回空气中，一部分折射到海中。光在海面的反射和折射遵从光的反射定律和折射定律。
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202X
第十章 海洋中的声、光传播
1 海洋声学
1.1 水声学与海洋声学的发展 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，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。 发现过程： 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。 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“sound navigation and ranging”的缩写。
2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2.2海-气交界面的光学性质
光进入海中，受到海水的作用将衰减。即使最纯净的水，这种衰减也是很严重的。引起衰减的物理过程有两个：吸收和散射。
华北理工水声学讲义02海洋的声学特性
第2章 海洋的声学特性§2.1 海洋声学参数及传播损失本讲主要内容⏹ 声速经验公式（了解） ⏹ 海洋中声速的变化（重点） ⏹ 传播衰减概述（重点）⏹ 纯水和海水的超吸收（重点） ⏹ 非均匀液体中的声衰减（了解） 一、海水中的声速 1、声速(Sound Speed)：海洋中重要的声学参数，也是海洋中声传播的最基本物理参数。
流体介质中，声波为弹性纵波，声速为：式中，密度 和绝热压缩系数都是温度T 、盐度S 和静压力P 的函数，因此，声速也是Temperature 、Salinity 、Pressure 的函数。
2、声速经验公式❑ 海洋中的声速c （m/s ）随温度T （℃）、盐度S （‰）、压力P （kg/cm 2）的增大而增大。
❑ 经验公式是许多海上测量实验总结得到的。
※注：❑ 单位❑ 海水中盐度变化不大，典型值35‰； ❑ 经常用深度替代静压力，每下降10m 水深近似增加1个大气压的压力。
3、乌德公式4、声速测量❑ 声速剖面仪SVP ——Sound Velocity Profile❑ 温盐深测量仪CTD —Conductivity, Temperature, Depth ❑ 抛弃式温度测量仪XBT ——eXpendable BathyThermograph5、海洋中的声速变化❑ 海洋中声速的垂直分层性质❑ 声速梯度1）温度变化1度，声速变化约4m/s2）盐度变化1‰ ，声速变化约1m/ssc ρβ1=s β()P S T T c 175.03514.1037.021.414502+-+-+=()()z c z y x c =,,P P S S T T c g a g a g a dz dcg ++==ρ3）压力变化1个大气压，声速变化约0.2m/s6、海中声速的基本结构典型深海声速剖面温度垂直分布的“三层结构”：❑表面层（表面等温层或混合层）：海洋表面受到阳光照射，水温较高，但又受到风雨搅拌作用。
水声学-海洋中的声传播理论2
2
均为实数时， 当 Z n 和 ζ n 均为实数时，上式等于 N 2π 2 2 TL = −10 lg ∑ Z n (z0 )Z n ( z ) + ζ r n =1 n
n≠ m
∑r
N
4π
ζ nζ m
Z n (z0 )Z n ( z )Z m ( z0 )Z m ( z )e
− j (ζ n −ζ m )r
∑
n =1
N
− j ζ nr − 2π sin (k zn z )sin (k zn z0 )e 4 ζ nr
π
College of Underwater Acoustic Engineering HEU
4
一、波动声学基础
硬底均匀浅海声场 截止频率： 截止频率： 临界频率： 临界频率：最高阶非衰减简正波的传播频率
nπ k zn = , n = 0,1, L H
College of Underwater Acoustic Engineering HEU 6
0≤ z≤H
一、波动声学基础
硬底均匀浅海声场 相速和群速： 相速和群速： 相速： 相速：等相位面的传播速度 等相位面： 等相位面：ζ n r − ωt = const
College of Underwater Acoustic Engineering HEU 5
1 πc0 ωN = N − 2 H
一、波动声学基础
硬底均匀浅海声场 截止频率： 截止频率： 对于上下界面均为绝对硬界面的平面波导 绝对硬界面的平面波导， 对于上下界面均为绝对硬界面的平面波导，最低阶 简正波为零阶简正波，截止频率为零 简正波为零阶简正波，截止频率为零，任何频率的 声波均能在波导中传播； 声波均能在波导中传播； 若声波频率小于一阶简正波的截止频率， 一阶简正波的截止频率 若声波频率小于一阶简正波的截止频率，则波导中 只有均匀平面波 均匀平面波一种行波 只有均匀平面波一种行波 Z n ( z ) = An sin (k zn z ) + Bn cos(k zn z )
水声学第四章 海洋中的声传播理论
px , y , , t z x , y , t ps
——第一类非齐次边界条件
7
绝对硬边界——法向质点振速为零 1）平整硬质海底：
p z 0
z 0
2）不平整硬质海底：z x , y , t
n u u x u y u z 0 x y
几何扩展 吸收 散射
2
扩展损失的一般形式
切变粘滞吸收 热传导吸收 弛豫吸收 热传导效应 粘滞性 散射
均匀介质的声吸收类型
含气泡水层的声吸收机理
3
本章主要内容
波动方程和定解条件（了解） 波动声学基础（重点） 硬底均匀浅海声场（重点） 液态海底均匀浅海声场（了解） 射线声学的基本方程（重点、难点） 射线理论的应用条件（重点、难点）
31
射线声学的基本方程
沿任意方向传播的平面波
Ae
j t k r
z
波矢量的方向余弦
kx cos k ky cos k kz cos k
k
o
波矢量
r
y
位置矢量
x
32
射线声学的基本方程
均匀介质平面波：声线相互平行，互不相交，声 波振幅处处相等。
n
2 j H
2 sin k z sin k z H zn zn 0 0 n r
n
远离点源时，
H 0 n r
2
2
n r
e
j nr 4
第四章 海洋中的声传播理论
第四章 海洋中的声传播理论水声传播常用的方法：波动理论（简正波方法）——研究声信号的振幅和相位在声场中的变化；射线理论（射线声学）——研究声场中声强随射线束的变化，它是近似处理方法，且适用于高频，但它能有效、清晰地解决海洋中地声场问题。
4.1 波动方程和定解条件1、波动方程当介质声学特性是空间坐标的函数，则可得小振幅波的运动方程、连续性方程和状态方程：p t u -∇=∂∂ρ 0=⋅∇+∂∂u tρρρd c dp 2= 状态方程可写为：tc t p ∂∂=∂∂ρ2由状态方程和连续性方程可得：012=⋅∇+∂∂u tp c ρ 利用运动方程从上式中消去u可得0112222=∇⋅∇-∂∂-∇ρρp tp c p当介质密度是空间坐标的函数时，波动方程的形式和密度均匀介质中波动方程的形式不同。
引入新的从变量：ρϕp=，则可得0432********=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∇-∇+∂∂-∇ρρρρϕϕt c 对于简谐波，222ω-=∂∂t ，则上式可写为：()0,,22=+∇ϕϕz y x K式中，2224321⎪⎪⎭⎫⎝⎛∇-∇+=ρρρρk K 。
ϕ不是声场势函数，K 也不是波数。
在海水中，与声速相比密度变化很小，可将其视为常数，则()z y x c k K ,,ω==，于是()0,,22=+∇ϕϕz y x k ()0,,22=+∇p z y x k p如果介质中有外力作用F，例如有声源情况，则有()ρϕϕFz y x K ⋅∇=+∇,,22在密度等于常数时，有()ρϕϕFz y x k ⋅∇=+∇,,22()F p z y x k p⋅∇=+∇,,22上述赫姆霍茨方程是变系数的偏微分方程——泛定方程。
2、定解条件满足物理问题的具体条件——定解条件。
物理量在介质边界上必须满足的条件。
（1）绝对软边界绝对软边界条件：声压为零界面方程表示为()t y x z ,,η=，()()0,,,,,==t y x z t y x p ηη——不平整海面 也称为第一类齐次边界条件如果已知边界面上的压力分布，则()()s t y x z p t y x p ==,,,,,ηη，称为第一类非齐次边界条件。
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。
海洋声学基础——水声学原理-吴立新
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。
水声学基础第二章
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Z
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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？
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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。
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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。
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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
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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
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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
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
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2 k zn
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一、波动声学基础
液态海底均匀浅海声场 在液态下半空间（ 在液态下半空间（Z>H）中，振幅沿深度按指数规律衰 ） 频率越高，振幅衰减越快。 减，频率越高，振幅衰减越快。高频声波在界面发生全 反射时，能量几乎全被反射回水层中， 反射时，能量几乎全被反射回水层中，波的能量几乎被 限制在层内传播。 限制在层内传播。 简正波 临界频率 1
：声强随距离增加作起伏下降，呈现干涉曲线 声强随距离增加作起伏下降，
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一、波动声学基础
硬底均匀浅海声场 传播损失 当层中声传播条件充分不均匀， 当层中声传播条件充分不均匀，简正波之间相位 无关， 无关，则 N 2π 2 2 TL = −10 lg ∑ Z n (z 0 )Z n (z ) n =1 ζ n r 硬质海底的浅海声场传播损失 硬质海底的浅海声场传播损失
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1 πc0 ωN = N − 2 H
一、波动声学基础
硬底均匀浅海声场 截止频率： 截止频率： 对于上下界面均为绝对硬界面的平面波导 绝对硬界面的平面波导， 对于上下界面均为绝对硬界面的平面波导，最低阶 简正波为零阶简正波，截止频率为零 简正波为零阶简正波，截止频率为零，任何频率的 声波均能在波导中传播； 声波均能在波导中传播； 若声波频率小于一阶简正波的截止频率， 一阶简正波的截止频率 若声波频率小于一阶简正波的截止频率，则波导中 只有均匀平面波 均匀平面波一种行波 只有均匀平面波一种行波 Z n ( z ) = An sin (k zn z ) + Bn cos(k zn z )
一、波动声学基础
硬底均匀浅海声场 相速和群速： 相速和群速： 群速度： 群速度：波形包络的传播速度 dω c gn = dζ n
ξn = k −k
2 0
2 n
2 zn
ω ω ξn = − n c c 0 0
2
2
2
ω ω=c ξ + n 0 c 0
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一、波动声学基础
硬底均匀浅海声场 TL随声波掠射角的变化 随声波掠射角的变化 硬质海底
ϕc = π 2
非绝对硬海底
c1 < c 2 、ϕ c < π 2 ，掠射角 ϕ < ϕ c 的声波受到海底 全反射， 的声波经海底反射很快衰减。 全反射ϕ > ϕ c 的声波经海底反射很快衰减。它的传播损 ，
失大于硬质海底的 值。 大于硬质海底的TL值 硬质海底的
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一、波动声学基础
硬底均匀浅海声场 TL随声源（接收点）位置的变化 随声源（ 随声源 接收点） 声源（接收点）位于海面附近， 变大 变大。 声源（接收点）位于海面附近，TL变大。 声源（接收点）位于海底附近， 变小 变小。 声源（接收点）位于海底附近，TL变小。 原因： 原因： 取值概率变化， 主要是 sin 2 (k zn z 0 ) 取值概率变化，使其平均值不等 于1/2。 。 1）靠近海面，小于1/2 ）靠近海面，小于 2）靠近海底，大于 ）靠近海底，大于1/2
第四章 海洋中的声传播理论
第八讲 波导中的简正波与传播损失
本讲主要内容
波动声学基础
硬底均匀浅海声场 液态海底均匀浅海声场
思考题解答及大作业 射线声学基础
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一、波动声学基础
硬底均匀浅海声场 截止频率： 截止频率： 简正波水平波数： 简正波水平波数：
nπ k zn = , n = 0,1, L H
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0≤ z≤H
一、波动声学基础
硬底均匀浅海声场 相速和群速： 相速和群速： 相速： 相速：等相位面的传播速度 等相位面： 等相位面：ζ n r − ωt = const
TL = −10 lg
∑
n =1
N
4 2π sin 2 (k zn z 0 )sin 2 (k zn z ) H 2 ζ nr
：该式为简正波相位无规假设下的声传播损失
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一、波动声学基础
硬底均匀浅海声场 传播损失 sin 假设声源和接收器远离海面和海底， 2 假设声源和接收器远离海面和海底， (k zn z 0 ) 、 sin 2 (k zn z ) 在0和1之间随机取值，对深度取平均，有 之间随机取值， 和 之间随机取值 对深度取平均，
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一、波动声学基础
液态海底均匀浅海声场 波导模型——Pekeris模型（分层介质模型） 模型（ 波导模型 模型 分层介质模型）
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θ n = ± arcsin
ξn
k
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一、波动声学基础
硬底均匀浅海声场 相速度： 相速度：等相位面的传播速度
c pn = c0 sin θ n
群速： 群速：波形包络的传播速度
c gn = c0 sin θ n
c0 ω ω ω c pn = = = = 2 2 2 2 2 ζn k0 −kzn 1 − (ωn ω ) ω ω − n c c 0 0
：浅海水层属于频散介质。 浅海水层属于频散介质。
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一、波动声学基础
液态海底均匀浅海声场 液态海底均匀浅海声场的解为
2 ( p (r , z ) = − j ∑ πAn sin (k zn z )sin (k zn z0 )H 02 ) (ζ n r ) , 0 ≤ z ≤ H n =1 N N
= − j∑
n =1
2 n
2π 2 An sin (k zn z )sin (k zn z0 )e ζ nr
π − j ζ nr − 4
, ζ n r >> 1
ω 2 = −ζ n c 1
2
2k zn A = ρ1 2 k zn H − sin (k zn H ) cos(k zn H ) − sin (k zn H ) tan (k zn H ) ρ 2
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一、波动声学基础
硬底均匀浅海声场 第n阶简正波分解 阶简正波分解
2 j 2π pn (r , z ) = − sin (k zn z )sin (k zn z0 )e H ζ nr
π − j ξnr − 4
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一、波动声学基础
硬底均匀浅海声场 截止频率： 截止频率： 解释： 解释：
2 pn (r , z ) = − j H
2π π sin (k zn z )sin (k zn z0 ) −jζnr−4 e ζ nr
ω cgn =c 1− n 0 ω
2
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一、波动声学基础
硬底均匀浅海声场 相速和群速与声波频率的关系 简正波的群速小于相速
c pn 随 ω 增加而减小
c gn 随 ω 增加而增加
c pn 和 c gn 满足 cpncgn =c2 满足： 0
ω 1 π ξ n = − n − c 2 H 0
2 2
阶数最大取值： 阶数最大取值：
Hω 1 N = πc + 2 0
：当简正波阶数 n > N 时， n 为虚数，此时简正波 ξ 为虚数， 随距离增大指数衰减。 随距离增大指数衰减。
：波导为频散介质，导致脉冲波形传播畸变 波导为频散介质，
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一、波动声学基础
硬底均匀浅海声场 传播损失（假设单位距离处声压振幅为1 传播损失（假设单位距离处声压振幅为 ）
I (1) 2π TL = 10 lg = −10 lg ∑ Z n ( z0 )Z n ( z )e − jζ n r I (r ) ζ nr n =1
− j ξ n r + k zn z − π − j ξ n r − k zn z − π 1 2π 4 4 = sin (k zn z0 )e −e H ξnr 方向上是由两个波迭加 简正波 p n 在z方向上是由两个波迭加而形成的驻波 方向上是由两个波迭加而形成的驻波 两平面波与z轴夹角 轴夹角： 两平面波与 轴夹角：
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一、波动声学基础
硬底均匀浅海声场 截止频率： 截止频率： 临界频率： 临界频率：最高阶非衰减简正波的传播频率