水声学第三章 海洋的声学特性
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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。
c 声速：沉积层中有压缩波速度（声速） 和切变波
速度 c s 两种。
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
海底声反射损失
定义：反射声振幅相对入射声振幅减小的分贝数
BL20lgpr 20lgV pi
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， 与频率一般无关
入射角>5度时，散射
强度10lgms近似与 cos2
成正比 大入射角时，散射强度可能与频率的四次方 成正比
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
低声速海底
深海实测的海底反射损失
海底反射损失的三个特征
存在一个“分界掠射角” ，是海底反射损失
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 无明显依赖关系 海底反射损失简化模型-三参数模型
V 2 im co m c s s2 2 io n in s 2 c s 2 o 2 i n s / n 22 c2 o n s 2
又
1n2 M1iM2
令：
V V*02iM m 1M 1iM i2M 22
QReV V/2V* 0M 212m M M 222 Q 2 m 2M M 1 2 M 2 2
注意与书：上三结参果数：模型可用于分析海洋中声场的略有平不均同结！构
2、海面声学特性
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。
波浪的基本特征
H
波峰到波谷垂直距离的平均值
重力表面波：以重力作为恢复力的波动
表波面浪张的力形波成和：H 1等以3 记级表录面中张1力/3最作大为波恢高复的力平均值
描1）述：海的洋计中算某些描深度上述水平：聚居流的生体物群流。 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。 波长可达几十公里到几百公里，波高从10米到100米。
与书上结果：
略有不同！
波20峰01到 年波中谷美垂联直合距考它离察的平形均值成海水中温度和盐度的细微结构变化，引起声
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
人们关心的海底参数
声速（反演）
2001年中美联合考察
密度（反演）
衰减系数（反演）
底质（取样）
垂直分层结构（取样）
2005年黄海实验
海底特性探测
多波束侧扫声纳探测海底地形
海底沉积层
Q
,0
20lnV
lnV0
con,s t
2
三参数： 、 lnV0 、 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
QlnV0
Vmcosi i sin2i n2 mcosi i sin2i n2
lnV12lnVV*
注意复：数实，12际此V 海时/底不存会V在发*V吸生2V收全内V处反*/理射方。法按：照R将书e海上V V底的/2声方速法V视计* 为算：
基本在水平方向上流动，流速较快，呈长带状。
波长可达几十公里到几百公里，波高从10米到100 海记底录反 中射1/3系最数大模波和高反的射平损均失值BL值随掠射角的变化 米。 重力表面波：以重力作为恢复力的波动
对低频、远距离的声传播信号有重大影响。
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）。
平均波高
H 1 10 记录中1/10最大波高的平均值
有效波高1
2
H0.2H 5130.2H 0110
平均1/10最大波高
波浪的统计特征
波浪的概率密度分布 常识：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）
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
3、海洋内部的不均匀性
湍流 海底反射损失的三个特征
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。
第三章 海洋的声学特性
本讲主要内容
海底声学特性（了解） 海面声学特性（了解） 海洋内部的不均匀性（了解）
1、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
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
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
速的微结构变化。 Pierson-Moskowitz谱（P-M谱）
基本在水平方向上流动，流速较快，呈长带状。
内波 记录中1/10最大波高的平均值
注意：实际海底存在吸收 处理方法：将海底声速视为复数，此时不会发生全内反射。 2001年中美联合考察
描述：两种不同密度液体在其叠合界面上所产生的 与高书于上 几结千果赫：频率的声波，海底粗糙度是影响略声有波不反同射！的主要作用 波动。 海面对声传播的影响简介
c 声速：沉积层中有压缩波速度（声速） 和切变波
速度 c s 两种。
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
海底声反射损失
定义：反射声振幅相对入射声振幅减小的分贝数
BL20lgpr 20lgV pi
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， 与频率一般无关
入射角>5度时，散射
强度10lgms近似与 cos2
成正比 大入射角时，散射强度可能与频率的四次方 成正比
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
低声速海底
深海实测的海底反射损失
海底反射损失的三个特征
存在一个“分界掠射角” ，是海底反射损失
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 无明显依赖关系 海底反射损失简化模型-三参数模型
V 2 im co m c s s2 2 io n in s 2 c s 2 o 2 i n s / n 22 c2 o n s 2
又
1n2 M1iM2
令：
V V*02iM m 1M 1iM i2M 22
QReV V/2V* 0M 212m M M 222 Q 2 m 2M M 1 2 M 2 2
注意与书：上三结参果数：模型可用于分析海洋中声场的略有平不均同结！构
2、海面声学特性
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。
波浪的基本特征
H
波峰到波谷垂直距离的平均值
重力表面波：以重力作为恢复力的波动
表波面浪张的力形波成和：H 1等以3 记级表录面中张1力/3最作大为波恢高复的力平均值
描1）述：海的洋计中算某些描深度上述水平：聚居流的生体物群流。 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。 波长可达几十公里到几百公里，波高从10米到100米。
与书上结果：
略有不同！
波20峰01到 年波中谷美垂联直合距考它离察的平形均值成海水中温度和盐度的细微结构变化，引起声
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
人们关心的海底参数
声速（反演）
2001年中美联合考察
密度（反演）
衰减系数（反演）
底质（取样）
垂直分层结构（取样）
2005年黄海实验
海底特性探测
多波束侧扫声纳探测海底地形
海底沉积层
Q
,0
20lnV
lnV0
con,s t
2
三参数： 、 lnV0 、 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
QlnV0
Vmcosi i sin2i n2 mcosi i sin2i n2
lnV12lnVV*
注意复：数实，12际此V 海时/底不存会V在发*V吸生2V收全内V处反*/理射方。法按：照R将书e海上V V底的/2声方速法V视计* 为算：
基本在水平方向上流动，流速较快，呈长带状。
波长可达几十公里到几百公里，波高从10米到100 海记底录反 中射1/3系最数大模波和高反的射平损均失值BL值随掠射角的变化 米。 重力表面波：以重力作为恢复力的波动
对低频、远距离的声传播信号有重大影响。
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）。
平均波高
H 1 10 记录中1/10最大波高的平均值
有效波高1
2
H0.2H 5130.2H 0110
平均1/10最大波高
波浪的统计特征
波浪的概率密度分布 常识：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）
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
3、海洋内部的不均匀性
湍流 海底反射损失的三个特征
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。
第三章 海洋的声学特性
本讲主要内容
海底声学特性（了解） 海面声学特性（了解） 海洋内部的不均匀性（了解）
1、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
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
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
速的微结构变化。 Pierson-Moskowitz谱（P-M谱）
基本在水平方向上流动，流速较快，呈长带状。
内波 记录中1/10最大波高的平均值
注意：实际海底存在吸收 处理方法：将海底声速视为复数，此时不会发生全内反射。 2001年中美联合考察
描述：两种不同密度液体在其叠合界面上所产生的 与高书于上 几结千果赫：频率的声波，海底粗糙度是影响略声有波不反同射！的主要作用 波动。 海面对声传播的影响简介