水声学原理：第1章 与声学相关的海洋特性

1.1 声学介质—海洋
• 声速剖面
– 表面声信道 • 表面声道可以看作声道轴上移到水面，通常出现在 热带和温和区域（tropical and moderate zones）。
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1.1 声学介质—海洋
• 声速剖面
– 表面声信道 • 在南极和北极地区、热带海区的地中海、秋季和冬 季的浅海，声速持续增大并非常靠近海底。 • 北冰洋典型声速剖面如下图所示。表面层较薄、声 速最低，声速梯度大，为
水声学原理
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1.1 声学介质—海洋
• 声速剖面
– 深海声信道 • 黑海与波罗的海，有时声道轴之下声速的增加是由 于深层暖流所引起的温度随深度的升高。 • 如果声道轴以下介质的声速只受静压力控制，则该 声信道称为hydrostatical。 • 如果声道轴以下由于高盐度暖水团的出现导致声速 升高，则称该声信道为thermal。 • 典型的thermal水下声信道发生在波罗的海和黑海。
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a (4 5) 10 5 m1
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1.1 声学介质—海洋
• 声速剖面
– 双轴声信道 • 表面声道和深海声道同时存在时出现这种声道。 • 声线1保持在表面声道中传播；声线2主要在深海声 道中传播；
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1.1 声学介质—海洋
• 声速剖面
– 双轴声信道 • 双轴声道可在葡萄牙半岛沿岸的北大西洋中观测到。 上面的声轴深度在450-500m，底下的声轴深度在 2000m。此声速分布的形成是由于地中海高盐暖水 团入侵至大西洋1200m深水层的缘故。
k~
c~
c
(1 ix)
kr
iki
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x ki / kr
kr / c
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1.1 声学介质—海洋
• 声吸收
– 如何考虑介质的声吸收衰减？ 平面波声压 p 可表示为：
p e e e ik~r
i(kr iki )r
ik r r ki r
声强 I 可表示为： I p2 e2kir
2c 2c
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1.1 声学介质—海洋
• 声吸收
– 更低的频段上（100Hz-3kHz），衰减系数的Thorp公 式：
• 第一项表示硼酸 H3BO 3 的驰豫吸收，驰豫频率为 1kHz；
• 第二项代表 MgSO4 的驰豫吸收，驰豫频率为 65kHz；
• 由于不同海洋pH值不同，硼酸的驰豫吸收有显著的
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1.1 声学介质—海洋
• 声速剖面
– 深海声信道 • 从400km到1000km距离上声场传播损失
声源深度21m 声波频率111.1Hz 汇聚区之间的距离为65km
声源深度104m 声波频率13.89Hz 汇聚区之间的距离为61.7km ※水声不学同原理频率声场汇聚区之间的距离差别是由波导效应引起的。21
业出版社, 2004年
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第1章 与声学相关的海洋特性
第1章 与声学相关的海洋特性
• 本章主要内容
– 海水中的声速 – 典型垂直声速剖面 – 声吸收 – 海洋的可变性及对声场的影响 – 海面 – 海面的声散射 – 气泡的声散射 – 深水散射层 – 海底 – 环境噪声
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1.1 声学介质—海洋
地理位置差别。
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1.1 声学介质—海洋
• 声吸收
– 100Hz时声强衰减10倍的距离在8333km，而电磁场和 大功率激光的距离都不足1km
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衰减系数与频率的依赖关系的实验测量结果： 包括大西洋、印度洋、太平洋、地中海和红海。 经验公式预报中深度取1240m。
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1.1 声学介质—海洋
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课程简介
学习方法
– 时间 – 数学推导 – 计算机仿真
学习成果
– 水平分层介质中的声场计算 – 水下规则目标的回波波形模拟 – 海洋混响强度与时域波形预报 – 海洋环境噪声空间相关特性建模分析
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课程简介
参考教材
– Fundamentals of ocean acoustics. 3rd Ed. L.M. Brekhovskikh, Yu.P. Lysanov. Springer, 2001.
40f
40
f : Hz
c : m/s
:m
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1.1 声学介质—海洋
• 海洋的可变性及对声波的影响
– 从声学的角度看，海洋是极端变化的：洋流、内波、 小尺度湍流扰乱了声速的水平分层，导致了声传播的 空间和时间的起伏。
– 大尺度洋流和锋区（Frontal Zone）
• 大尺度洋流的边界称为锋区—墨西哥湾暖流、自台 湾东面的菲律宾海流向日本的暖流
• 声速剖面
– 浅海声信道 • 浅海和大陆架海域，夏秋季节由于表层海水受到太 阳光的很好加热形成了如下图所示的典型声速分布。 足够远传播的声波都将受到海底反射的影响，在远 距离上导致较大的损失。
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1.1 声学介质—海洋
• 声泄漏
– 水下声道的“非理想性”是指声速垂直分布沿传播路 径的变化或声道边界的不平整性。
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1.1 声学介质—海洋
• 声吸收
– 海水衰减系数Marsh和Schulkin经验公式为（3kHz0.5MHz）：
• 第一个括号内的第一项代表 MgSO4 的驰豫吸收， 第二项代表粘滞吸收
• 第二个括号代表吸收与静水压力的关系，压力的影 响是很微弱的，4km深度上压力引起的衰减系数变 化不超过30%。
• 海洋最典型的特征—非均匀性 – 有规变化的声速剖面—水下声信道 – 随机不均匀性—散射—声场起伏 – 粗糙海面和海底、内波、气旋、小尺度湍流、 生物性的深水散射层引起声波的吸收和衰减等 效应。
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1.1 声学介质—海洋
• 海水中的声速
– 声速经验公式
c 1449 .2 4.6T 0.055T 2 0.00029 T 3 (1.34 0.010T )(S 35) 0.016 z
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课程简介
前后衔接 本科生课程 振动与 声基础
本科生课程
数理方程
本科生课程
换能器 技术
本科生课程
水声学
硕士生课程 水声学原理
博士生课程
水声传播 原理
本科生课程
计算声学
本科生课程
声学测量
本科生课程
声纳技术
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课程简介
课程目的
– 进一步深入学习声波在海洋中传播所涉及的基 本理论与概念
声波传播单位波长的衰减为：
TL
10
log
I (r)
I(r )
()
20
log e ki
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1.1 声学介质—海洋
• 声吸收 – 如何考虑介质的声吸收衰减？
x ki
(λ)
(λ) ln 10 (m)c ln 10 ( c mHz) ln 10
kr 20 log e 2 40
• 声速剖面
– 深海声信道
• 深海声道的声道轴深度一般在1000—1200m
• 热带—深度延伸至2000m
• 纬度越高，上部水温受热越小，声道轴逐渐上升甚 至升至海面
• 地中海、黑海与日本海以及温带的太平洋中，声道 轴位于100-300米
• 中纬度地区，比如60 S 至 60 N ，太平洋声道轴的 声速从1450m/s变化到1485m/s；大西洋声道轴的 声速则从1450m/s变化到1500m/s。
印度洋
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1.1 声学介质—海洋
• 声速剖面
– 深海声信道 • 当声源接近水面时，一系列亮区和影区将交替出现
• 声线经过深水层折射后再次回到浅水区形成了汇聚
区—粗实线。汇聚区表现为高声强级。
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1.1 声学介质—海洋
• 声速剖面
– 深海声信道 • 声场这种独特的带状结构能在很远的距离上观测到 • 在tropical Atlantic，人们在400km至2300km的距 离上观测到了37个汇聚区（13.89Hz） • 由于传播路径上声速剖面的变化，在更远的距离上 汇聚区和影区交融在一起
1.1 声学介质—海洋
• 声速剖面
– 声速剖面的最大起伏出现在海洋表层—温度、盐度的 季节变化和日变化
– 1000m以下，温度变化甚微，声速随着深度的增大而 增大—静压力
– 日本海—从200-300m深度一直延伸至海底，声速线性 增大
– 黑海—具有相似的声速结构
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1.1 声学介质—海洋
– 适用范围 温度： 0 T 35 ℃； 盐度： 0 S 45 ‰； 深度：0 z 1000 m。
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1.1 声学介质—海洋
• 海水中的声速
– 温度每升高1℃
T （℃）
5
10 15 20 25 30
∆c （m/s）
4.1
3.6
3.1
2.7
2.4
2.1
– 声速梯度 g dc 0.016 s1
小于最大掠射角的声线称为什么声线？
• 声速剖面 若大于最大掠射角，声线首先在哪个边界发生反射？
– 深海声信道
该信道携带的声线为掠射角 max 的声线： max [2(c0 cm ) / c0 ]1/ 2
水声※学声原理速差越大，最大声线掠射角就越大，波导就越高效。 14
1.1 声学介质—海洋
• 在锋区处，海水的温度、盐度、密度和声速变化强 烈—墨西哥湾暖流的北边，向北 35 N ，每5海里温 度降低10℃；南面则是弱的锋区，在马尾藻海和墨 西哥湾暖流之间，温度只下降1-2℃。
• 声吸收
– Kibblewhite和Hampton重新处理了低频声吸收所有相 关实验数据，提出了1kHz以下海水声衰减系数
– 系数 K 考虑了硼酸效应的地域变化， s 为与频率无关 的附加衰减（ (0.2 4.2) 10 3 dB/km），其大小依赖于 水体质量
– 上式修正的物理机理仍然不清楚。与频率无关的大尺
– Fundamentals of acoustical oceanography. Hermann Medwin, Charence S. Clay. Academic Press, San Diego,1998.
– 海洋声学. 布列霍夫斯基赫著, 科学出版社, 1983年 – 水声学. 汪德昭, 尚尔昌. 科学出版社, 1981年 – 实用声纳工程. [英]A. D. Waite著, 王德石等译. 电子工
– 掌握声场建模、目标声散射建模、海洋混响建 模、海洋环境噪声建模等的基本原理与方法
– 达到应用所学理论分析简单水声学问题的目的 – 为后续课程的学习打基础
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课程简介
主要内容（6章）
– 与声学相关的海洋特性 – 海洋声场特性分析与应用 – 水下目标的回波特性 – 海面海底的声散射机理与海洋混响 – 海洋环境噪声场空间相关特性建模理论 – 声纳设备的设计与性能预报
度湍流不均匀性的散射可能是其原因之一；在几赫兹
时，伴随着声能泄漏的衍射损失也是可观的。随着频
水声学原理率降低，由于衍射造成的衰减将增加。
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1.1 声学介质—海洋
• 声吸收
– 如何考虑介质的声吸收衰减？
设介质的声吸收系数为 () dB/λ ，声速为 c 。复声速 c~
可表示为
复波数 k~ 为：
c~ c 1 ix
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1.1 声学介质—海洋
• 声速剖面
– 反波导声信道 • 由于太阳的强烈照射使得海面水温高，底下水温低， 声速随着深度的增大单调减小。从声源到影区边缘 的距离也只有几公里，但影区内声强并不为零，声 波的衍射、海水介质不均匀性的散射以及海底反射 声对影区声场有贡献。
水声学原理
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1.1 声学介质—海洋
– 泄漏是指脉冲信号最初在表面声道（深海声道）中传 播，由于声速垂直分布的变化或海面的散射，而后又 转到深海声道（表面声道）中去。
水声学原理
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1.1 声学介质—海洋
• 声吸收
– 流体的切变粘滞消耗了一部分声能并转化为热能 – 海水的驰豫过程引起的体积粘滞（volume viscosity）
对频率为100Hz-100kHz声波的吸收却是主要因素 – 另一个引起声强衰减的原因就是介质的散射 – 散射和吸收统称为声衰减
dz
a 1 dc 1.1 1.2 10 5 m 1 c0 dz
※水声声速学原垂理 直梯度是水平梯度的1000倍；冷暖流交汇区基本相当11
1.1 声学介质—海洋
• 海水中的声速
– 第一个近似—水平分层介质 – 内波、大尺度涡漩、洋流和其它因素对海洋分层的影
响则需要单独进行讨论 。
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水声学原理
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1.1 声学介质—海洋
• 声速剖面
– 深海声信道
※在深海声道中，声传播最大距离只受海水声吸收控制。
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1.1 声学介质—海洋
• 声速剖面
– 深海声信道
• Heard Island：声源频率57Hz、深度157m（声道 轴），最远传播距离18000km—远距离声传播
大西洋
太平洋