第4章 海洋声速及声线跟踪
水声学原理第四章4
x
①声线在海面处以掠射角 0 0出射， 声线的轨迹方程：
R
1 1 x z 2 a a
2
z
2
O ( x0 , z0 )
声线轨迹
声线轨迹方程 ②声线在海面处以任意掠射角 1 出射，声线的轨迹方程：
O
x
1
tg1 1 1 x z a cos a a 1
xi
i
sin i 1
聚焦因子
定义：不均匀介质中声强 I x , z 与均匀介质中的声 强 I 0（球面波扩展声强）之比。
x cos 0 I x , z F x , z I0 x sin 0
物理含义 F x , z ：说明了声能相对会集程度 F x , z 1 ：说明射线管束的发散程度大于球面波 的发散 F x , z 1：说明射线管束发散小于球面波的发散
x
c
c0
x
0 0
0 0
z
z
负梯度下声线弯曲
正梯度下声线弯曲
Snell折射定律和声线弯曲
常数的概念：
对于某条声线，它是常数，不同的声线，其常数 不一定相同。 几何意义：
声线总是向声速减小的方向弯曲。 应用——声线相关参数的求解：
声线曲率半径； 声线轨迹方程； 声线传播距离； 声线传播时间。
声线轨迹
声线水平传播距离 ①式为求声线水平传播距离的基本公式 ②式为经反转后声线水平传播距离的求解公式 ③式为恒定梯度下求声线水平传播距离的公式 ④式为恒定梯度下求声线水平传播距离的又一形 式
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。
《水声学》部分习题答案
《水声学习题集参考答案》水声工程学院水声学课程组编哈尔滨工程大学目录绪论 (1)第1章声学基础 (2)第2章海洋声学特性 (2)第3章海洋中的声传播理论 (3)第4章典型传播条件下的声场 (6)第5章声波在目标上的反射和散射 (10)第6章海洋中的混响 (14)第7章水下噪声 (17)第8章声传播起伏 (20)第9章声纳方程的应用 (20)绪 论1 略2 略3 略4 略5 环境噪声和海洋混响都是主动声呐的干扰，在实际工作中如何确定哪种干扰是主要的？解：根据水文条件及声呐使用场合，画出回声信号级、混响掩蔽级和噪声掩蔽级随距离变化的曲线，如下图，然后由回声信号曲线与混响掩蔽级、噪声掩蔽级曲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，r R <r n ，所以混响是主要干扰。
声信号级噪声掩蔽级R6 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，若工作频率为1000Hz ，干扰来自：风成噪声、海底混响、螺旋桨引起的自噪声及水动力噪声。
7 已知混响是某主动声呐的主要干扰，现将该声呐的声源级增加10dB ，问声呐作用距离能提高多少？又，在其余条件不变的情况下，将该声呐发射功率增加一倍，问作用距离如何变化。
（海水吸收不计，声呐工作于开阔水域） 解：对于受混响干扰的主动声呐，提高声源级并不能增加作用距离，因为此时信混比并不改变。
在声呐发射声功率增加一倍，其余条件不变的情况下，作用距离变为原距离的42倍，即R R 412 。
第1章声学基础1什么条件下发生海底全反射，此时反射系数有什么特点，说明其物理意义。
解：发生全反射的条件是：掠时角小于等于全反射临界角，界面下方介质的声速大于界面上方介质的声速。
发生全反射时，反射系数是复数，其模等于1，虚部和实部的比值给出相位跳变角的正切，即全反射时，会产生相位跳变。
第4章_长基线水声定位系统(LBL)汇总
T2
t2
t1 2
F3 T1＝t1/2
T2
F4
R2 c T2
应答器与TTS的距 离（多个）
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几种应用模式
舰船导航模式－－简化模型
F3 R1i
F4
F3 F4
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由于被定位目 标（水面船） 到应答器的单 程传播时间的 求解方法一样。 因此，可以简 化表示。
图中船上问答 机询问信号用 F3表示（通常 只有一个频 率），应答器 回答信号用F4 表示（实际上 有几个应答器 就有几个回答 频率）。
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几种应用模式
长基线有缆潜器（TTS）导航模式
母船上只有接收机，TTS上装有问答机。 定位对象为TTS 求TTS与T的斜距R2 工作过程
设：接收时刻t1、t2 单程传播时间T1、T2 则，
T2
1 2 t2
1 T1 t1 2 t2
问答机
t1 t2 T2
F3
R2 cT2 R1 cT1
4
换插图？？
2020/10/2
引言
本章要解决的问题
本章主要研究利用海底应答器的长基线水声定位系统， 利用无线电浮标的长基线系统基本原理是相同的。
长基线系统的几种应用模式(定位解算时，依定位模 式的不同获取水声传播距离的方式也有所不同。)
海底应答器的标校（定位系统的阵元为应答器，因此 应答器的位置测量精度对定位精度有直接影响）
基线安装的位置：海底
特点：利用海底应
定位方法：长基线利用海底应答器阵来确定载体的位置 答器阵来确定载体
记录询问时刻和各应答器应答信号到达时刻
的位置----相对于
位置坐标：定位的坐标是海底应答器阵的相对坐标 海底应答器阵的相
水声学-海洋中的声传播理论2
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 )
水声学-海洋中的声传播理论1
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三、声线水平传播距离
任意声速分布下声线经过的水平距离：
x
dx
z1
z1 tg z
d
z
cos1
z z1
1 dz
n2zco2 s1
① ：声线经过反转点后，水平距离为多少？
X xcos1 zz1
1
dz
n2zco2s1
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线性声速分层近似下的声线图 各层水平传播距离：
xi (zizi1)/ta1 2 nii1
声线总传播距离：
xN i 0 1 x iN i 0 1(zi zi 1 )/ta 1 2 nii 1
：根据 xi和 zi 可以描绘声线轨迹，它是不同曲率圆弧 的组合。
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三、声线水平传播距离
恒定声速梯度下声线的水平距离：
c(z) O
z
z
z1
1 x
R1 1
x 1
z
z
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三、声线水平传播距离
恒定声速梯度下声线的水平距离：
已知掠射角时：
xR1sin1sinz
O
z
X
O 1
x
R
1
轨迹方程
xta g 12z1 a2ac1o1s2
O(x1, z1) z
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第4章 海洋声速及声线跟踪
现代海洋测绘
赵建虎
第四章
海洋声速及声线跟踪 Oceanic Sound Velocity & Sound Ray Tracing
赵建虎
本
章
内 容
海洋声学 声纳及其工作方式 海洋声速及声速剖面类型划分 声线跟踪 等效声速剖面法 声线跟踪过程 声速测量误差对水深计算的影响 思考题
海面反射：声波由海水射向海面时，在海水与空气界面上所产生 的反射，称为海面反射。 海底反射：声波由海水射向海底时，在海水与海底的界面上所产生 的反射，称为海底反射。
海水中声波强度减弱的主要因素可归纳为如下三个方面： 几何衰减：由于海水温度、盐度、压力等分布不均匀，因此有 声速梯度存在，再加上海面、海底的影响，引起声线弯曲。
海水温度变化1℃，海水声速变化约为原来的0.35％(约5m/s)； 盐度每增加l‰，声速约增加1.14 m／s； 深度每增加100米，声速约增加1.75 m／s。 其中以水温变化对声速的影响为最大。
深海声速垂直分布图：
海水中声速在垂直方向的变化可分为三个水层：表层（0~ 150 m）、中间层（~ 1500 m）、深水层（1500 m~）。表层和深水层温度 分布较均匀，由于压力影响，声速随深度而增加；中间层中的声速由于 温度迅速降低而减小。
海洋的声学特性
2.1 海水中的声速
声速垂直分布分类 表面声道声速分布：
特点：在某一深度处有一声速极
大值。
Zm
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
Z
声速梯度分布。
第23页/共90页
ch c
2.1 海水中的声速
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。
海水超吸收
海水超吸收原因： 海水中含有溶解度较小的
MgSO4，它的化学反应的驰豫 过程引起超吸收。
在声波作用下，MgSO4化学 反应的平衡被破坏，达到新 的动态平衡，这种化学的驰 豫过程，导致声波的吸收。
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2.2 海水中的声吸收
海水超吸收
Schulkin和Marsh根据2~25kHz频率范围内所作的大 量测量结果，归纳的半经验公式：
第4页/共90页
2.1 海水中的声速
乌德公式
c 1450 4.21T 0.037T 2 1.14S 35 0.175 P
P的单位是大气压。
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2.1 海水中的声速
2、声速测量
测量仪器设备：温度深度记录仪和声速仪 。 温度深度记录仪： 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。
扩展损失
（4）n=2 适用于开阔水域(自由场)，球面波传播。
（5）n=3
TL 20lg r
声波通过浅海声速负跃变层后的声传播。
TL 30lg r
（6）n=4 适用偶极子声源或计及平整海面虚源干涉 的远场声传播，相当于计入声波干涉后，对球面波传
海洋技术 声速剖面主导的浅海声传播最佳深度规律研究
海洋技术▏声速剖面主导的浅海声传播最佳深度规律研究近年来，水声学研究的重点逐渐从深海转到浅海，我国沿海海域多为浅海，研究浅海声场声学特性无论是从军事战略的角度，还是经济发展的角度考虑，都有其重要作用。
如何更好、更高效地在浅海进行声呐探测和水声通信一直是水声界关注的焦点，也是实际应用上的难题。
浅海的波导声学特性相对于深海更加复杂。
波导的上、下界面分别受海面和海底边界条件的制约，由于边界条件不同，声能量在深度方向上的分布并不均匀，当传播距离一定时，不同深度的声能量差异可达20dB。
因此，接收点位置的选取对声信号接收效果的影响很大，如何更好地选择接收点深度以最大程度地提高声学探测和水声通信能就显得十分重要。
在给定声源位置的情况下，垂直方向的声传播损失最小点被称为最佳深度。
最佳深度的选取可以优化接收效果，如被动声呐放置在最佳深度可以提高目标探测的概率。
国内外学者针对最佳深度做了一定的研究。
Weston首先对声场的平均声强进行了研究，通过计算等声速梯度条件下深度方向上的距离平均声强，发现了最佳深度现象，并用声强解释了该现象形成的原因。
而后，Gershfeld等通过对声传播损失和信噪比的计算，得出浅海声传播的最佳深度与声源点深度相同的结论，并研究了声源位置、海底类型和声源频率对最佳深度的影响。
以上都是针对给定声源情况而计算的最佳深度。
Ferla等通过计算声呐的检测半径，对声源深度未知时的最佳深度位置进行了研究，得出在声源深度未知时，接收点深度选择在声速最小处时接收效果最佳的结论。
王晓宇等分别对理想Pekeris波导和实际浅海分层波导下的水平线列阵最佳布放深度进行研究，得出了最佳布放深度应与声源深度相同的结论。
范培勤等通过将深度方向的声传播损失转化为检测概率，研究了声呐最优工作深度、正梯度和负梯度声速剖面下的最佳深度，得出声呐应放置在声速较小深度的结论。
现有的研究大多只针对等声速梯度情况下的声传播最佳深度现象，有关声速剖面对最佳深度影响的研究则十分有限，且相关研究选取的声速剖面类型也较少，没有系统、全面地研究其对最佳深度的影响。
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。
主动声纳方程期末总结-水声学讲义
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第六章 声波在目标上的反射和散射
本章主要内容
目标强度参数定义 刚性大球目标强度计算理论推导 常见声纳目标的目标强度值和特性 目标强度测量方法 目标回波组成及其特征 壳体目标的回波信号特征
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作业点评
聚集因子F是如何定义的，它有什么物理意义？ 举出二个F>1的场合。
解：聚集因子 F Ix, z/ I0 ，其中I是非均匀介
质中的声强，I0是按球面波衰减的声强，若 F>1，表示该处衰减小于球面波规律，反之， 则表示该处衰减大于球面波规律。会聚区和焦 散线上F>1。
声信号级
回声信号级 混响掩蔽级 噪声掩蔽级
rR rn
距离r
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作业点评
第四章
声线弯曲满足的基本条件是什么？并定性说明它们 之间的规律。
海水中声速值从海面的1500m/s均匀减小到100m深处 的1450m/s。求（1）速度梯度；（2）使还表面的水平 声线达到100m深处时所需要的水平距离；（3）上述 声线到达100m深处时的角度。
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第六章 声波在目标上的反射和散射
本章主要内容
刚性球体散射声场计算及其特性 弹性球体散射声场计算 弹性球体散射声场特性 求解散射声场的理论方法
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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。
海洋测量重点总结
海洋海洋的定义：地球表面包围大陆和岛屿的广大连续的含盐水域，是由作为海洋主体的海水水体、溶解和悬浮其中的物质、生活于其中的海洋生物、邻近海面上空的大气、围绕海洋周缘的海岸和海底等部分组成的统一体。
海岸：陆地与海洋相互作用、相互交界的地带。
海岸带：海陆交互的地带。
海岸线：近似于多年平均大潮高潮的痕迹所形成的水陆分界线。
海洋地形海岸带：海陆交互作用的地带，其地貌是在波浪、潮汐、海流等作用下形成的。
大陆边缘：大陆与大洋连接的边缘地带。
大陆架：大陆周围被海水淹没的浅水地带，是大陆向海洋底的自然延伸，其范围是从低潮线起以极其平缓的坡度延伸到坡度突然变大的地方为止。
大陆坡：大陆架外缘陡倾的全球性巨大斜坡，其下限为坡度突然变小的地方。
大陆隆：从大陆坡下界向大洋底缓慢倾斜的地带，又称大陆基或大陆裙。
大洋底：大陆边缘之间的大洋全部部分，由大洋中脊和大洋盆地组成。
大洋中脊：贯穿世界四大洋、成因相同、特征相似的巨大海底山脉系列。
大洋盆地：大洋中脊和大陆边缘之间的宽广洋底。
海洋中储存的能源：海洋能、矿物资源、生物资源。
海洋测绘海洋测绘是海洋测量和海图绘制的总称。
海洋大地测量的定义：研究海洋大地控制点网及确定地球形状大小，研究海面形状变化的科学，包括与海面、海底以及海面附近进行精密测量和定位有关的海事活动。
任务是：对海洋及其邻近陆地和江河湖泊进行测量和调查；获取海洋基础地理信息；编制各种海图和航海资料；为航海、国防建设、海洋开发和海洋研究服务。
主要内容有：海洋大地测量、水深测量、海洋工程测量、海底地形测量、障碍物探测、水文要素调查、海洋重力测量、海洋磁力测量、海洋专题测量和海区资料调查。
主要目的是：在给定的坐标参考系中确定船舶的位置，或者在给定的参考坐标系中确定海底某点的位置。
影响因素：海水温度、盐度、密度。
精度要求主要考虑定位的精度要求。
精度的衡量指标：相对精度、绝对精度。
海洋大地控制网海洋大地控制网是陆上大地网向海域的扩展。
海洋测绘复习要点
海洋测绘复习要点第⼀章海洋与海洋测绘1、海岸:是陆地与海洋相互作⽤、相互交界的地带。
2、海岸带：海陆交互的地带，其外界应在15—20⽶等深浅⼀带，这⾥既是波浪、潮流对海底作⽤有明显影响的范围，也是⼈们活动频繁的区域。
3、海岸线：近似于平均⼤潮、⾼潮的痕迹所形成的⽔陆分界线。
4、⼤陆架：⼤陆周围被海⽔淹没的浅⽔地带，是⼤陆向海洋底的⾃然延伸。
国际海洋法中，⼤陆架定义为沿海国的⼤陆架包括其领海以外依其陆地领⼟的全部⾃然延伸，扩展到⼤路边外缘的海底区域的海床和底⼟，或者从测算领海宽度的基线量起到⼤陆边缘外缘的距离不到200 n mile，则扩展到200 n mile的距离。
5、⼤陆专属经济区：为领海以外并邻接领海，介于领海与公海之间，具有特定法律制度的国家管辖⽔域。
专属经济区的宽度从领海基线量起，不应超过200n mile。
15、海洋测绘是海洋测量和海图绘制的总称，其任务是对海洋及其邻近陆地和江河湖泊进⾏测量和调查，获取海洋基础地理信息，编制各种海图和航海资料，为航海、国防建设、海洋开发和海洋研究服务。
海洋测绘的主要内容有：海洋⼤地测量、⽔深测量；海洋⼯程测量；海底地形测量；障碍物探测；⽔⽂要素调查；海洋重、磁⼒测量；海洋专题测量和海区资料调查；各种海图、海图集、海洋资料的编制和出版；海洋地理信息的分析、处理及应⽤。
16、海洋测量⼯作的主要内容：第⼆章海洋⼤地控制⽹1、海洋⼤地测量控制⽹：是陆上⼤地⽹向海域的扩展。
海洋⼤地测量控制⽹主要由海底控制点、海⾯控制点（如固定浮标）以及海岸或岛屿上的⼤地控制点相连⽽组成。
2、海⾯控制⽹：主要包括以固定浮标为控制点的控制⽹、海岸控制⽹、岛屿控制⽹以及岛屿—陆地控制⽹。
3、海洋⼤地测量：是研究海洋⼤地控制点⽹及确定地球形状⼤⼩，研究海⾯形状变化的科学，其中包括与海⾯、海底以及海⾯附近进⾏精密测量和定位有关的海事活动。
第三章海洋⽔⽂要素观测1、⽔⽂要素：是指在江河、湖泊、海洋的某⼀点或断⾯上观测各种⽔⽂要素，并对观测资料进⾏分析和整理的⼯作。
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
【精品】海洋声学基础讲义吴立新
【关键字】精品海洋声学基础——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。
（外装甲板，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。
第4章_长基线水声定位系统(LBL)
9
4.2 几种应用模式
长基线有缆潜器（TTS）导航模式 母船上只有接收机，TTS上装有问答机。 定位对象为TTS 求TTS与T的斜距R2 工作过程
设：接收时刻t1、t2 单程传播时间T1、T2 则，
t2 t1 T1 F4
1 T2 t 2 2
1 T1 t1 t 2 2
T2 F3
问答机
R2 cT2
R1 cT1
10 2019/3/7
4.2 几种应用模式
长基线无缆潜器（ Free Swimming Submersible －FSS）定位模式 1) 母船询问方式
前后两 页跳转 T T1 、T 、T
1 3
5
T5
定 位 对 象 为 FSS （TTS） 求T3→R3
21 2019/3/7
4.3 海底应答器阵的校准
四个应答器的情况 2) 坐标变动法
坐标变动法校准是任意固定3点，由测
量数据通过最小二乘法来调整第4点。 优点：它可用于基阵中的任意点。 A
A8 A1 O1 D A7 A6 O3 A5 A4 C
X
O2 A3 A2 B
缺点：对每一点都需假设一坐标作为
2 2019/3/7
海底应答器阵的相 对坐标。
4.1 引言
基线长度 （m） 长基线 100～ 换能器（信标） 已知海底应答器阵的绝对地理位置，求各个应答器到被定位的对 LBL 6000 水域中 象的距离（测量时间） ，利用球面交汇，解算被定位对象的位置。 各个应答器的回答频率不同，各个应答器的回答频率也不同。 短基线 1～50 换能器布放在船 测量各阵元到被定位的对象（目标）的距离（测量时间） ，利用球 SBL 超短基线 USBL <1 的前后和左右 面交汇，解算被定位对象的位置。 船上（载体上） 通过测量两两阵元接收应答器（信标）应答信号的相位差，来解 基阵 算目标位置的。 基线位置 应用
海水声速
海水声速声波在海水中的传播速度。
声波传播速度的主要因素是温度、盐度和压强（深度）等。
其中温度的变化对声速的影响最大。
由于海水介质中温度、盐度分布的不均匀，会造成声速分布的不均匀，从而形成海洋中的声速梯度，声波在海水中传播的速度比在空气中传播的速度快三倍半（约为1500米／秒）。
当知道温度、盐度和深度时，即可计算声速。
对海水声速作直接测量的仪器叫声速仪，其工作原理是经测定声脉冲通过一定距离的时间间隔以求出声速。
声速的经验公式声波是一种弹性波，它的速度由下式确定：其中K为体积弹性模量，ρ为密度，K和ρ都是温度T、盐度S和静压力P的函数。
声速对这三个量的依赖关系通常用经验公式来表示。
这样的经验公式最早是由Kuwahara提出的。
后来，其他的研究人员多次对它进行修正，使其更为准确。
迄今公认最准确的公式是威尔逊公式。
这个公式包括单独依赖于温度、盐度和静压力的各项以及同时依赖于这三个量的项的和。
Frye和Pugh在威尔逊公式的基础上，给出更简单的，按照温度T（ºC）及盐度S（‰）计算声速的公式。
其中静压力P（千克/厘米2）与深度z（米）的关系为：温度升高引起海水体积弹性模量K值增加和密度ρ减小，而声速随之增加。
海水温度随季节变化范围很大，因此海水温度是影响声速的主要因素。
盐度对声速的影响比温度小。
海水中的各种盐类，由于其离子力大小不同，所以对压缩率G=1/K有不同的影响。
海水溶液所含的所有盐类中，NaCl的浓度对压缩率影响最大。
盐度越大，K值也越大，声速越大。
海水中盐度的变化范围不是很大。
在较小的深度，声速和深度的关系是线性的，深度每变化10米，声速变化0.165（米/秒）。
海水中声波的传播和声速分布有非常重要的关系，同一个海区，海水温度随着季节变化，数据中心根据对台湾海峡进行的历次大量船基调查所获得的温、盐、深数据，接照声速的经验公式计算出各站的声速，形成单站声速图；对断面上的多站位声速通过数学方法插值计算，得到断面上的声速分布，作出声速断面图，按此方法可得到关心区域内的任意点声速。
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4．1．2声波在海水中的传播特性
波束在海水中的折射特性，可通过Snell法则很好的反映。Snell法则为：
式中i和i+1是声速为Ci和Ci+1相 邻介质层界面处波束的入射角 和折射角，p为Snell常数。
入射角0时，波束在界面处发生折射，若经历的水柱中有 N+1个不同介质层，则产生N次折射，波束的实际传播路径为一个 连续折线，即声线。 Snell 法则不但解释了波束在水中的传播特性，还给出了求解 声线路径的算法。
脉冲时间法：在海水介质中放设一组发射和接收换能器 （机械能与 电能相互转换的设备），在它们之间的距离S已知的情况下，测出声 脉冲的传播时间t，即可求得声速C=L/t。
干涉法声速测量：基于被测海水介质中连续干涉声波效应引起的驻 波声场。其中两个相邻波峰或波谷之间的距离即为一个声波波长。 在发射换能器固定的情况下，移动接收换能器记下最大输出（波峰） 时的距离即为波长或波长的整数倍，为减少实际测量的误差，常常 进行若干次测量后取平均。
4．1．3 声道
当声波在海洋中传播时，若有一部分声能在海中某一水层内而不逸出 该水层，则称此为声道，亦称声波道。
沿深度方向声速极小处，声源发出的声线将向上和向下弯曲返回极值区， 而保留在该水层上下两个声速相等的深度之间传播。
4．1．4 海洋噪声
海洋是不平静的，存在着各种各样的噪声。就水声学研究范畴而言， 水中噪声分为环境噪声和舰艇噪声两大类。
声波在海水中传播时，会在介质常数不同的两个水层界面处产生 反射、折射和某种程度的反向散射。其中折射现象起因于海水是 非均匀介质，这也是导致波束声线弯曲和传播速度发生改变的根 本原因。折射后的声线是向声速减小的方向弯曲。
声线的弯曲程度和方向与声速在垂直方向的变化相互联系，声速 变化越大，弯曲越显著。此外，声波的传播速度在温水区要比冷 水区快，且向冷水区（即声速较低的水区）弯曲。因此，若温度 随深度增加，声线向海面弯曲，反之则向海底弯曲。正常情况下， 声线弯曲成圆弧状。
① 声在海水中传播的规律和海洋环境条件对声传播的影响。 主要包括不同水文和底质条件下声波的传播规律，海水对 声的吸收，声波的起伏、散射和海洋噪声等。 ② 利用声波探测海洋。 ③ 海洋声学技术和仪器。
4．1．1 海洋声速
海水中的声速随着温度、盐度和压力的增加而增加，是压力P（bar）或 深度Z（米）的线性函数，是温度T（℃）、盐度S的非线性函数。海水中的声 速可以用声速剖面来描述。声速剖面亦称“声速垂直分布”，反映的是声速 沿深度的变化规律。 声速随深度的相对变化率，即单位深度内声速的相对变化量，称之为声速 梯度，单位为1/秒。声速梯度可表达为：
相位法测量：根据固定距离范围内测量声波的相位变化来确定声速。
脉冲循环法：首先多谐振荡器产生一个触发脉冲，触发发射电路工作， 并形成前沿陡峭的电脉冲击和激励发射换能器，受激励换能器便在其 自身固有谐振频率上产生声脉冲振荡。高频声脉冲由换能器向被测海 水辐射出去，被相距S处的接收换能器收到，接收到的信号经放大整形 后随即触发多谐振荡器，使其产生新的触发脉冲触发发射电路工作， 与此同步地辐射出下一个声脉冲，这一声脉冲传播S距离后又被接收换 能器接收，这一过程不断循环进行。循环脉冲的重复周期（其倒数即 是循环频率）就是声脉冲传播距离S所历经的时间T。
将前面获得的描述声速剖面结构的梯度序列输入到神经网络中。
根据神经元在格网上的物理位置及初始权值，计算神经元之间的距 离。
根据选定的获胜神经元、神经元间的距离和初始邻域距离构造邻域。
通过反复训练和调整神经元的权值，确保邻域内的神经元与输入向 量达到最大的匹配并实现它们之间最大的相似，从而达到分类的目 的。
4．4 声线跟踪
声线跟踪（Sound Ray Tracing）：是建立在声速剖面基础上的 一种波束脚印（投射点）相对船体坐标系坐标的计算方法。 声线跟踪通常采用层追加方法，即将声速剖面内相临两个 声速采样点划分为一个层，层内声速变化可假设为常值（零 梯度）或常梯度。在常梯度的声线跟踪计算过程中，声速变 化函数采用Harmonic平均声速。 Harmonic平均声速 Harmonic平均声速定义为： 假设波束经历的水柱[z0，z]有N层，则可利用层厚度 （zi+1- zi）和声速函数Ci（Z）获得整个水柱中的 Harmonic平均声速。
4．3．2 声速剖面的分类
长期以来，声速剖面分类通过人工方法来实现，该方 法效率低下，且人为因素影响突出。基于自组织神经网 络（SOFM）的声速剖面分类方法在近几年取得了很大 的发展，下面主要介绍这种分类方法。
SOFM构造网络和划分声速剖面类型的过程可归纳如下： 假设存在R个需要分类的声速剖面，对应着S个输出类别，则首先 需要赋予R个声速剖面到S个输出类型之间映射的初始权值。
根据以上参数，我们可以给出声纳方程。声纳方程是在综合考 虑水声所特有的各种现象和效应对声纳设备的设计和应用所产生 影响的关系式。它将海水介质、声纳目标和声纳设备的作用联系 在一起。 主动声纳方程：
被动声纳方程为：
4．3 海洋声速及声速剖面类型划分
4．3．1 海洋声速的确定
海洋中的声速可以通过直接法和间接法获得。 1、声速的直接测定 凡通过测量声速在某一固定距离上传播的时间或相位 (一般采用声速 测量仪测量声速），从而直接计算海水声速的方法均属直接声速测量。 声速测量仪依据的原理有： 脉冲时间法、 干涉法、 相位法 脉冲循环法等。
在各种水下辐射形式中，以声波在海水中的传 播为最佳。海洋传递声音的性能比大气好得多，且 在海洋中声波的衰减远小于无线电波的衰减。水声 的这些特性使它成为海洋工程的重要工具，作为通 讯、导航、探测和监测手段，水声技术被广泛地用 于海洋开发和军事方面。
4．1 海洋声学
海洋声学是研究声波在海洋中传播特性、规律和 利用声波探测海洋的学科，是海洋学和声学的边缘 学科，也是物理海洋学的分支。 海洋声学的基本内容包括三个方面：
被动声纳（噪音声纳站）信息的流程为：被动声纳通过接收被探测 目标（声源部分）如鱼雷、潜艇等的辐射噪声，来实现水下目标探测。
主、被动声纳工作信息流程的基本组成包括声信号传播介质（海 水）、被探测目标和声纳设备。 影响声纳设备工作的因素，即声纳参数，主要包括：
声源级SL、发射指向性指数DIT 、声功率Pa、传播损失TL、目标强 度TS、海洋环境噪声级NL、等效平面波混响级RL、接收指向性指数DI 以及检测阈DT。
目标强度TS定量描述目标反射本领的大小，它定义为：
式中，Ii是目标处入射声波的强度；Ir离目标声中心1米处的回波 强度。
环境噪声级NL是度量环境噪声强弱的量，其定义为：
接收换能器的接收指向性指数DI定义为：
即： 式中：b（，）是归一化的声束图函数，，是空间方位角。
代表无指向性水听器产生的均方电压 ， 代表指向性水听器产 生的均方电压 。
DIT可定义为：
式中，ID为指向性发射器在声轴上测得的声强度；IND为无指向性 发射器辐射的声强度。
无指向性声源辐射声功率Pa与声源级SL的关系：
有指向性声源辐射声功率与声源级的关系：
传播损失TL定量描述声波传播一定距离后声强度的衰减变化，它定义为：
式中，I1是离声源声中心1米处的声强度；Ir离声源声中心r米处的声强度。
一般在海水中测声速，还要考虑如下因素：
测区的水文要素； 声速在海水中的传播特性 ； 特殊水域，由于某种原因，声速剖面变化复杂，需 做小间距测量 ； 表层和底部的声速测量非常重要 。
2、间接声速测量 根据测得的温、盐度和压力数据，用特定的计算公式确 定水声速的方法称为间接声速测量。
目前，已有较多描述温度、盐度和深度（或静压力）与 海水中声速间关系的经验公式。 下面给出7种比较常用的声速经验公式.
3. W. D. Wilson简化公式。
4.Leroy（1969）给出的经验公式
5.Mackenzie根据前人研究，于1981提出了特定条件下的声 速公式（E式）
6.Chen-Millero-Li经验公式。适用范围：温度T（C）： 0C<T<40C、压力P（bars）：0<P<1000、盐度S（ppt）： 0<S< 40。 7. EM分层简化公式
声纳参数的定义
声源级SL：是用来描述主动声纳所发射的声信号的强弱（反应发射器 辐射声功率大小）的参数。 若I为发射器声轴方向上离声源声中心1米处的声强，I0 为参考强，
I0 =0.67×10-18W/m2 ，则SL的定义为：
DIT的含义：是在相同距离上，指向性发射器声轴上声级高出无指 向性发射器辐射声场声级的分贝数。
海水温度变化1℃，海水声速变化约为原来的0.35％(约5m/s)； 盐度每增加l‰，声速约增加1.14 m／s； 深度每增加100米，声速约增加1.75 m／s。 其中以水温变化对声速的影响为最大。
深海声速垂直分布图：
海水中声速在垂直方向的变化可分为三个水层：表层（0~ 150 m）、中间层（~ 1500 m）、深水层（1500 m~）。表层和深水层温度 分布较均匀，由于压力影响，声速随深度而增加；中间层中的声速由于 温度迅速降低而减小。
海洋环境噪声包括： ①海洋动力噪声，如风吹在海面上引起的噪声，流过海底的海流、碎 浪及降雨引起的声响； ②生物噪声。
在海洋测量中，海洋环境噪声是指由海洋中大量的各种各样的噪声源 发出的声波构成的，它是声纳设备的一种背景干扰。环境噪声级NL是度 量环境噪声强弱的量。
4．2 声纳及其工作方式
声纳是利用水下声信息进行探测、识别、定位、导航和通讯的系统。 按照工作方式分为主动声纳和被动声纳两种。
声速剖面编号（SVP） 2, 3, 4, 8, 9, 10, 12, 20 1,11,15, 17, 18,19 7, 13, 16 5, 6 14, 22 小幅度的正梯度变化