海洋的声学特性

• 工作原理：声循环
前一个脉冲到达接收
器，触发后一个脉冲从发
射器发出，记录每秒钟脉 冲的发射次数f，发射器
和接收器的距离L已知。
• 声速：c=fL。
水声学 第2章 海洋的声学特性 8
2.1 海水中的声速
2、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 BathyThermograph
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。
水声学 第2章 海洋的声学特性 18
2.1 海水中的声速
请解释一下深海声速梯度分布？
水声学
第2章 海洋的声学特性
19
2.1 海水中的声速
2）海水中声速的基本结构
温度的季节变化、日变化和纬度变化：
（1）季节变化： 百慕大海区温度随月份的变化情况，夏季既有表面 等温层，又有表面负梯度层；冬季有很深的表面混合 层。季节变化对海洋深处的温度影响较小。
传播损失 TL 扩展损失 TL 1 吸收损失 TL 2
水声学
第2章 海洋的声学特性
32
2.2 海水中的声吸收
2、声传播的扩展损失
1）平面波的扩展损失 在理想介质中，沿x轴方向传播简谐平面波声压：
p p0 expit kx
2 I p0
传播损失为：
I 1 TL1 10lg 0 I x
水声学 第2章 海洋的声学特性
dB
33
2.2 海水中的声吸收
2）球面波的扩展损失
在理想介质中，沿r方向传播简谐球面波声压：
p0 p expit kx r
2 I p0 r2
传播损失为：
TL1 10lg I r I 1 20lg r
dB
水声学
第2章 海洋的声学特性
温度的季节变化和日变化主要发生在 海洋上层。
水声学
第2章 海洋的声学特性
22
2.1 海水中的声速
2）海水中声速的基本结构 温度的季节变化、日变化和纬度变化： （３）纬度变化 • 在低纬度海域，主跃变层的
深度较深。
• 在高纬度海域，等温层一直
延伸到接近海洋表面。
水声学
第2章 海洋的声学特性
23
2.1 海水中的声速
水声学 第2章 海洋的声学特性 9
2.1 海水中的声速
海上实验现场吊放
水声学 第2章 海洋的声学特性 10
2.1 海水中的声速
海水温度测量结果（2001年中美联合考察）
水声学 第2章 海洋的声学特性 11
2.1 海水中的声速
海水温度、声速测量结果（2002年）
水声学 第2章 海洋的声学特性 12
声速梯度
水声学
Baidu Nhomakorabea
g c 4.623 - 0.109T gT 1.391g S 0.16g P
第2章 海洋的声学特性 14
2.1 海水中的声速
2）海水中声速的基本结构 典型深海声速剖面： 温度分布“三层结构” （1）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
c
1

绝热压缩系数： T，S，P
c T，S，P T，S，P
Temperature、Salinity、Pressure
水声学
第2章 海洋的声学特性
3
2.1 海水中的声速
1、声速经验公式
海水中的声速c（m/s）随温度T（℃）、盐度S（ ‰）、静压力P（kg/m2）的增大而增大。其中，温 度的影响最显著。 通过大量海上声速测量数据，总结可得到声速经 验公式。较精确的经验公式为：
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，统称吸收。 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
dI 2Idx
1 I 1 ln 2 x I x 1 p1 ln x px
34
2.2 海水中的声吸收
3）典型的声传播扩展损失
一般，可以把扩展损失写成：
TL1 n 10 lg r
dB
根据不同的传播条件，n取不同的数值：
n=0 适用平面波传播，例如管道中声传播。
TL1 0
水声学 第2章 海洋的声学特性 35
2.2 海水中的声吸收
3）典型的声传播扩展损失 n=1 适用柱面波传播，例如表面声道和深海声道，
，因此需要有准确的声速数值。
水声学 第2章 海洋的声学特性 6
2.1 海水中的声速
2、声速测量
测量仪器设备：温深仪（温度深度记录仪）和声速仪。
温深仪：通过热敏探
头测量水中温度，同 时通过压力传感器给 出深度信息，可以转 换给出声速。
水声学
第2章 海洋的声学特性
7
2.1 海水中的声速
2、声速测量
声速仪是声学装置
包括：海洋中泥沙、气泡、浮游生物等悬浮粒子以及介质 本身不均匀性和海水界面引起的声波散射而导致声强衰减。
水声学 第2章 海洋的声学特性 31
2.2 海水中的声吸收
1、海水中的声传播损失
传播损失：度量声波传播衰减的物理量。
I 1 TL 10 lg I r
传播损失主要由扩展损失和吸收损失两部分组成：
• 经常用深度替代静压力，水深每下降10m压力
近似增加1个大气压；
• 1℃＝（1 F-32）5/9。
o
水声学
第2章 海洋的声学特性
5
2.1 海水中的声速
精确计算声速有什么意义？
海水声速的数值变化相对于本身虽然很小，但它
对声传播特性可能产生大的改变，导致海水中的声
能分布、声传播距离、传播时间等量发生明显变化
水声学
c0
Zm
c
c0
c
Zm
Z
Z
第2章 海洋的声学特性
26
2.1 海水中的声速
4）声速垂直分布分类 表面声道（混合层声道）声速分布： 特点：在某深度处有一声速极大值。 形成原因：在秋冬季节，水面温度较 低，加上风浪搅拌，海表面层温度均 匀分布，在层内形成正声速梯度分布。
Z
Zm
ch c
水声学
第2章 海洋的声学特性
2.2 海水中的声吸收
1）声传播吸收损失
声吸收引起的传播损失（吸收系数乘以传播距离）：
I x I 1e 2 x
声压幅值比的自然对数为无量纲量，称为奈贝。
水声学 第2章 海洋的声学特性 38
2.2 海水中的声吸收
1）声传播吸收损失 声强可以写成：
I x I 110
x 10
10 I 1 20 p1 lg lg x I x x px
水声学
第2章 海洋的声学特性
20
2.1 海水中的声速
2）海水中声速的基本结构 温度的季节变化、日变化和纬度变化： （2）日变化： •高风速：中午表面温
度受高风速的作用，
出现明显的混合层。
•低风速：表面呈现负
温度梯度，在早晨可 能出现正温度梯度。
水声学 第2章 海洋的声学特性 21
2.1 海水中的声速
13
2.1 海水中的声速
3、海水中声速变化
声速梯度：表示声速随深度变化的快慢。 dc gc aT gT aS g S aP g P dz 根据经验公式
aT 4.623 0.109T
m s
/ oo
atm
o
C
aS 1.391
aP 0.160
m s
o
m s
2.1 海水中的声速
3、海水中声速变化
1）海水中声速的垂直分层性质 实测海洋等温线和等盐度线几乎是水平平行的， 在不同深度上取不同的值。温度、盐度和静压力均
具有水平分层和随深度变化的特性，所以声速具有
水平分层和随深度变化的特性。
c x , y , z c z
水声学
第2章 海洋的声学特性
搅拌作用。
水声学 第2章 海洋的声学特性 15
2.1 海水中的声速
2）海水中声速的基本结构
典型深海声速剖面：
（2）季节跃变层：
在表面层之下，特征是 负温度梯度或负声速梯度， 此梯度随季节而异。 夏、秋季节，跃变层明 显；冬、春（北冰洋）季 节，跃变层与表面层合并 在一起。
水声学 第2章 海洋的声学特性 16
2）海水中声速的基本结构 浅海温度剖面： 浅海温度剖面分布具 有明显的季节特征。在冬 季，大多属于等温层的温 度剖面，夏季为负跃变层
温度梯度剖面。
水声学
第2章 海洋的声学特性
24
2.1 海水中的声速
3）海水温度和声速的起伏变化 •海洋声速变化粗略近似描述：将温度和声速看成不随 时间变化，只随深度变化； • 实际海水是随时间和空间起伏变化，等温层是宏观
c 1449.22 cT cS cP cSTP
适用范围：3℃<T<30℃、33‰<S<37‰
1.013105 N / m2 1个大气压 P 980 105 N / m2
水声学 第2章 海洋的声学特性 4
2.1 海水中的声速
1、声速经验公式
• 海水中盐度变化不大，典型值取35‰；
27
2.1 海水中的声速
4）声速垂直分布分类 反声道声速分布：
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，海水温度
随深度不断下降。
Z
水声学
第2章 海洋的声学特性
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2.1 海水中的声速
4）声速垂直分布分类 浅海常见声速分布： 特点：声速随深度单调下降。
c
形成原因：海洋上部的海水受到
太阳强烈照射的结果。
Z
反声道声速分布与浅海常见声速分布有何不同？
水声学 第2章 海洋的声学特性 29
2.1 海水中的声速
5）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：
c cz c
在后面章节将分别讨论确定性声速分布和声速起伏对 声传播的影响。
水声学 第2章 海洋的声学特性 30
2.2 海水中的声吸收
1、海水中的声传播损失
声波传播的强度衰减（传播损失）原因：
1）扩展损失（几何衰减）：声波波阵面在传播过程中不断 扩展引起的声强衰减。 2）吸收损失（物理衰减）：介质粘滞性、热传导性以及驰 豫过程引起的声强衰减。
3）散射：介质的不均匀性引起声波散射和声强衰减。
第2章 海洋的声学特性
从声传播角度讨论海洋声学特性、海洋的不
均匀性和多变性，了解水声信号传播的信道环
境，为声呐设计和声呐性能预报提供理论依据。
水声学
第2章 海洋的声学特性
2
2.1 海水中的声速
声速是海水中最重要的声学参数，也是影响声波 在海洋中传播的最基本的物理量。
海水中声波为弹性纵波，声速表达式为：
吸收系数：单位距离衰减的分贝数，dB/m
p 1 20 lg e ln 20 lg e 8.68 １Neper=8.68dB x p x
声强之比的以10为底的对数为贝尔（Bell），贝 尔值的10倍称为分贝（dB）。
水声学 第2章 海洋的声学特性 39
而言，微观而言温度随时间起伏变化。
• 一般海水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。
水声学 第2章 海洋的声学特性 25
2.1 海水中的声速
4）常见海水声速分布概要 深海声道声速分布： 特点： (1)在某深度处有一 声速最小值（此深 度为声道轴）。 (2)声道轴随纬度变 化，两极最浅，赤 道最深。
2.1 海水中的声速
2）海水中声速的基本结构
典型深海声速剖面：
（3）主跃变层：
温度随深度巨变的层， 特征是负的温度梯度或负 声速梯度，季节对它的影 响微弱。
水声学
第2章 海洋的声学特性
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2.1 海水中的声速
2）海水中声速的基本结构 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
相当于全反射海底和全反射海面组成的理想波导中的 声传播。 n=3/2
TL1 10 lg r
适用计及海底声吸收时的浅海声传播 ，相当
于计入界面声吸收所引起的对柱面波传播损失修正。
TL1 15 lg r
水声学 第2章 海洋的声学特性 36
2.2 海水中的声吸收
3）典型的声传播扩展损失 n=2 n=3 n=4 适用球面波传播，例如开阔水域(自由场)。
TL1 20 lg r
声波通过浅海声速负跃变层后的声传播。
TL1 30 lg r
适用偶极子声源或计及平整海面虚源干涉的远
场声传播，相当于计入声波多途干涉后，对球面波传
播损失的修正。
TL1 40 lg r
第2章 海洋的声学特性 37
水声学
2.2 海水中的声吸收
3、声传播吸收损失和吸收系数