水声学-海洋中的声传播理论1
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。
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。
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
华北理工水声学课件03海洋中的声传播理论-4分层介质中的射线声学
R1 1
x 1
z
z
声线轨迹
声线水平传播距离
③当梯度为恒定值时，声线轨迹为圆弧，则水平距离：
x
R1
sin 1
sinz
cz1
cos1
g
sin 1
sinz
通常情况下已知的是声线
O
x
z
经过的垂直距离，因此，
z
④水平距离的另一种形式为：
z1
1 x
1
1
(
2
(1
2
))
R1 1
x
(
z1
z)
/
tg
声线传播时间
传播时间的另一种表达式③：
1 d
t
g 1 cos
① 式为求传播时间的基本公式 ② 式是对深度进行积分的求解公式 ③ 式是对掠射角进行积分的求解公式
线性分层介质中的声线图
线性声速分层近似下的声线图
c0
c
x
0
ci (z) gi z
i zi
xi
i1
x
线性分层介质中的声线图
x2
z
1 a
2
1 a2
O(x0 , z0 ) z
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：
x O
1
x
tg1
a
2
z
1 a
2
a
1
cos 1
2
R
1
O(x1, z1) z
声线轨迹
声线水平传播距离 ①任意声速分布下声线经过的水平距离：
c(z) O
计算复杂；
不能处理影区和焦散区附 近的声场；
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。
(完整版)水声学原理(第一章)
参考值
10
1.6.2声压级等于声强级:
L I
10 log
I I
0
10
log
p2
c
p2 0
c
20 log
p p
0
L
p
注意参考值不同产生的声级差别:
1971年以前曾用： =20μPa＝2×10－4达因/厘米2，换算到现在标准要加26分贝。 ＝1 达因/厘米2＝1μb（微巴）＝10－5μPa，换算到现在的标准 要加100分贝。
水声技术的成果突出反映在两个方面 1、声呐性能的不断提高：探测距离原来越远、对目标的定位、跟踪能力越来越强 2、应用声自导或声引信的水中兵器（鱼雷、水雷、深水炸弹等）的作战能力不断 提高。
因此，现代舰艇在水下面临的威胁与水声技术的水平有直接的关系。声隐身 性能是潜艇水下隐蔽性的核心。
4
1.4、水声技术的发展历史
声学中采用分贝计量的原因： ❖声学量的变化大到六、七个数量级以上
▪ 从窃窃私语到大型喷气式飞机起飞的声功率差十个数量级； ▪ 人耳的听阈在频率1kHz时是20μPa（微帕），痛阈是20Pa， 相差六个数量级； ▪ 在水中，一艘老式潜艇的辐射总声功率达到数瓦，而新型的 低噪声潜艇不到1微瓦，相差六、七个数量级。 ❖人耳（仪器）的响应近似与声压或声强的对数成比例。
5
1.5 声呐简介
声呐（声纳）-SONAR(Sound Navigation and Ranging)
凡是利用水下声信息进行探测、识别、定位、导航和通讯的系统，都通称为声呐系 统。声呐的主要应用是军用声呐。按工作方式可以分为：主动声呐和被动声呐。 按安装平台分可以分为： ❖潜艇声呐：潜艇上的电子设备是声呐。一般核潜艇装有10～15部声呐。主要有： 艏部主、被动综合声呐；被动测距声呐；舷侧阵声呐；拖曳线列阵声呐。 ❖水面舰声呐：舰艏声呐；变深拖曳声呐；拖曳线列阵声呐。 ❖机载声呐和浮标：吊放声呐；声呐浮标。 ❖海洋水声监视系统：岸站（岸边海底固定式声呐）；预警系统 ❖水声对抗器材：鱼雷报警声呐；声诱饵；干扰器；气幕弹 ❖水中兵器自导：鱼雷声自导；水雷声引信； ❖其它：通讯仪、鱼探仪、多普勒测速仪、浅地层剖面仪等。
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。
水声学原理：第2章 海洋中声场的基本理论
哈尔滨工程大学
水声学原理
14
硕士学位课程
2.1 海洋中声场的射线理论
• 三维折射
– 当介质的折射率是三维坐标的函数时，声线将不能保 持在同一个平面内。
– 在海洋声学中，当分析内波对声场的影响时将会遇到 三维折射的情形。
– 在研究距离有关（Range-dependent）海洋中声波远 距离传播时也会遇到相同情况。
哈尔滨工程大学
水声学原理
26
硕士学位课程
2.1 海洋中声场的射线理论
• 海洋声层析（Ocean Acoustic Tomography）
– 海洋的变化特性对海洋气候、地球的天气都有显著的 影响，显著改变了声场的层状结构、导致了声信号的 起伏、扰动了声线路径。
– 从调查船和卫星获取的水团特征信息也是非常丰富的， 但尽管如此，这对实际生产来说还不够充分，因为目 前所获取的信息仍然只是海面和海面表层的信息。
(2A • W
A 2W
)
k
2 0
A[n 2
(W )2 ]
0
– 当声波频率足够高时，由上式可得程函方程和输运方 程（transport equation）
(W )2 n2
2A • W A2W 0
哈尔滨工程大学
水声学原理
16
硕士学位课程
2.1 海洋中声场的射线理论
• 三维折射
– 程函方程：
• 定义了声线几何坐标，声线垂直于等相位面
– 从某个距离开始，c 将超过海底的声速，在这种情况下，
声线将在海底发生反射。在远距离声传播中，由于这
种声线在海底的多次反射导致了较大的总声功率损失
哈尔滨工程或大者学 高吸收海底情况1 海洋中声场的射线理论
水声学第三章 海洋的声学特性
2020/12/13
20
• 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。
2020/12/13
19
3、海洋内部的不均匀性
• 湍流
– 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。它是一种随机运动的旋转流 。
– 它形成海水中温度和盐度的细微结构变化，引 起声速的微结构变化。
• 内波
– 描述：两种不同密度液体在其叠合界面上所产 生的波动。
– 波长可达几十公里到几百公里，波高从10米到 100米。
– 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
2020/12/13
5
• 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
2020/12/13
6
• 人们关心的海底参数
– 声速（反演）
• Pierson-Moskowitz谱（P-M谱）
2020/12/13
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• 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
高声速海底
低声速海底
水声场
一、声在海洋中的传播众所周知，理想的传输信道是无损均匀媒质构成的无限空间，声信号在其间传播将不产生任何畸变。
在无限均匀的理想媒质中，声源发出的声波以球面波形式向周围扩展，声强随距离的平方衰减。
当声波传播到足够远距离时，球面波波阵面的曲率变得越来越小，可近似看作平面波波阵面，于是球面波动方程可简化为平面波动方程。
用平面波描述声在媒质中的传播，可使声的传播和各种声学量之间的关系变得比较简单。
在远场情况下，这种简化假设大多是近似正确的。
当媒质具有平行平面的上下边界时，由于声波不能穿过平面边界，声波在一定距离以后将按柱面规律扩展，即声强随距离线性衰减。
但实际海洋空间是有损的非均勻媒质的有限空间，声信号在海洋中传播时将产生扩展和衰减效应、折射、反射和散射效应、波导效应、多途效应以及起伏效应等多种物理效应。
这些效应使声信号能量产生衰减，波形发生畸变，导致水下通信、目标探测和识别的性能下降。
声波在海洋中的传输通道称为声信道。
声信道的特性对海洋中的声场具有重大影响。
在大多数情况下，海中声信道可看作是缓慢时变、空变的相干多途信道，而在另外一些场合，则必须计及它的随机特性，声传播的各种随机现象与声信道的随机特性密切相关。
由于海洋中声传播非常复杂，通常为了便于讨论，往往对海洋环境条件作某些假设，使问题得以简化。
在水声学中，经常使用两种方法来研究水声信号的传播问题。
第一种方法是波动理论，按波动声学观点，分层媒质中的声场可以用一系列简正波之和来描述，研究声场归结为求解适合边界条件的波动方程。
波动理论的优点是适用于所有频率，特别适用于低频浅海中的声传播。
第二种方法是射线理论，射线声学的基本假是：声能沿着一定的方向线（称为声线）传递，声线与等相位面（称为波阵面）相垂直；由声线围成的管状空间称为声线束管，声线不能穿过声线束壁管。
射线声学是一种近似的理论，但它具有直观和简便的优点，它适用于声传播与球面波、平面波传播规律相差不太大的情况，或者声场的空间变化不是很急剧的区域以及高频波的声场。
水声学原理第一章 ppt课件
2
水声学原理第一章
声呐与雷达的工作原理相似。但由于信息载体－声波与电磁波的差异决定了 声呐和雷达有重要差别。
a.电磁波速度30万公里/秒,声波在水中1.5公里/秒。决定：
•工作频率差别大。雷达频率约GHz（ 1 0 9 Hz） 声呐频率约kHz（ 1 0 3 Hz）
1490年 达芬奇就提出声纳的原始概念 泰坦尼克号的沉没，开始最初的声纳设计 第一次世界ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ战的爆发促进了一系列军用声纳的发展（值得一提的 是郎之万在换能器上的贡献，并测得了水中1500米外潜艇回波） 一战和二战之间水声工程一直缓慢而稳步发展,最大的成就是对海 洋声传播机理的认识。（如“下午效应”现象的解释） 二战期间为了探测德国潜艇，水声工程有了很大发展，出现了大量 新的理论和技术 战后水声工程随着计算机和电子计算发展，水声工程的应用在军用 、民用领域更为广泛。
1012米。
应当指出的是，虽然结构噪声级与振动级的定义相同， 但实际测量和评价方法有区别的。因为结构噪声要反映 连续弹性体的振动特性，所以用一个点的振动级是无法 描述的。通常要用结构的整个辐射面上大量测点的统计 平均来描述。
12
水声学原理第一章
物理量的乘除运算变成加减运算。
例如在声学测量中，用灵敏度等于S 伏/μPa的水听器接收，经 过放大倍数等于K的放大器放大后得到电压V伏。水听器输入端的声压
注意参考值不同产生的声级差别:
1971年以前曾用： =20μPa＝2×10－4达因/厘米2，换算到现在标准要加26分贝。 ＝1 达因/厘米2＝1μb（微巴）＝10－5μPa，换算到现在的标准 要加100分贝。
俄罗斯标准＝20μPa 由于空气声和水声参考值的不同，舱室内声级为L分贝的噪声若 无损耗地传到水下将变成L＋26分贝的水噪声。
水声学原理第一章2
水声学原理第一章2
水声学概述 水声传播原理 水下声场 声呐原理及应用 总结与展望
contents
目 录
01
水声学概述
水声学是一门研究水下声波的产生、传播、接收和利用的学科，其研究对象包括声波在水下的传播规律、声呐技术以及水下声学现象等。
总结词
水声学是声学的一个分支，专门研究声波在水下介质中的传播规律。它涉及到声波在水下环境中的产生、传播、散射、吸收和反射等物理过程，以及水下声学现象的机制和特性。水声学的研究对象包括声波在水下的传播规律、声呐技术以及各种水下声学现象等。
声呐的基本原理和组成
声呐信号的发射和接收
声呐信号的发射
声呐发射机产生一定频率和强度的声波，通过换能器将电信号转换为声波向水中发射。
声呐信号的接收
声呐接收机接收到反射回来的声波后，通过换能器将声波转换为电信号，然后进行处理和分析。
VS
声呐的探测性能受到多种因素的影响，如水深、水温、盐度、水中的悬浮物等。不同的声呐型号和应用场景需要选择合适的参数和配置。
详细描述
水声学的定义和研究对象
总结词
水声学的发展历程可以追溯到20世纪初期，随着科技的不断进步，水声学在探测、通信、海洋生物学和地球物理学等领域得到了广泛的应用和发展。
详细描述
水声学的发展历程可以追溯到20世纪初期，当时人们开始系统地研究声波在水下的传播规律。随着科技的不断进步，水声学在探测、通信、海洋生物学和地球物理学等领域得到了广泛的应用和发展。如今，水声学已经成为一门高度发达的学科，为人类在海洋领域的探索和发展提供了重要的技术支持。
应用领域
声呐广泛应用于水下探测、海洋科学研究、水下考古、海底地形测量等领域。在军事上，声呐也被用于潜艇探测、水下目标识别和反潜作战等方面。
海洋声学原理
海洋声学原理今天来聊聊海洋声学原理的相关知识。
你们有没有在海边听到过那种低沉又深远的声音，就像是大海在诉说着什么秘密一样？其实这就和海洋声学原理有关系。
我最初对海洋声学原理感兴趣，是因为看了一部关于海洋探险的纪录片。
在纪录片里，那些科考人员通过一些仪器在海洋里探测各种东西，看起来特别神奇。
海洋可以看作是一个巨大而复杂的声学空间。
声音在海洋中传播就像汽车在各种各样的道路上行驶一样。
首先呢，我们得知道声音在海洋中的传播速度跟在空气中不太一样。
在海水中，声音的传播速度主要受海水的温度、盐度和压力等因素的影响。
我把这个原理打个比方，就好像你在不同材质的管道里送水，水的流速会不一样。
海水温度高一些的时候，声音就传得快一些；盐度高的地方和盐度低的地方，声音传播速度也有差异；压力呢，就像水深的潭底会和浅滩的水压不同一样，越深的地方压力越大，也会对声速产生一定影响。
说到这里，你可能会问，了解这个有什么用呢？这用处可大了！比如说海洋科考，科学家们可以利用声学原理来找寻海底的宝藏、研究海底的地形地貌或者寻找那些神秘的深海生物。
曾经我自己也很困惑，为什么有时候在海洋里声音传播会突然改变方向呢？后来我才知道这是因为海洋中的声速剖面不是均匀的，当声音遇到声速不同的水层时就会发生折射现象。
这个折射现象也很有趣。
就好比光线通过一块三棱镜会改变方向一样，声音在海洋里从一个水层进入到另一个声速不一样的水层时也会发生类似的转向。
从实用价值上来说，利用这种声音折射的特性，军方可以使用声呐来探测到躲在特殊位置（像那些可以造成声音折射区域）的潜艇等目标。
还有一个很重要的概念叫海洋噪声。
海里也不是完全安静的，像一些海洋生物发出的声音、海浪的声音，甚至船舶航行的声音等等都构成了海洋噪声。
海洋生物发出声音有时候是为了求偶，比如说一些鲸鱼的叫声能传得很远很远。
这就像我们人类唱歌吸引异性注意一样。
不过呢，这个海洋声学原理，我还不能说自己完全明白了。
水声学原理第一章ppt课件
5
为了提高主动声纳的作用距离，将发射器做 成具有一定的发射指向性，如下图所示。
解释原因：可以提高辐射信号的强度，相应 也提高回声信号强度，增加接收信号的信噪 比，从而增加声纳的作用距离。
6
发射指向性指数DIT：
DI T
10 lg
ID I ND
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。 含义：
的回波强度。
11
4、海洋环境噪声级NL （Noise Level）
Question：海洋内部是安静的吗？
海洋环境噪声是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
定义：
NL 10lg I N
I0
式中I0为参考声强度,IN是测量带宽内（或1Hz频带内）的
QUESTION：何为水听器灵敏度?
14
水听器灵敏度Sh
定义：
水听器处的声压为p，装置的开路终端电 压是V，则水听器的灵敏度为：
Sh 20 lg( v / p) dB/V
例子：已知水听器的灵敏度为-200dB/V，假设入 射平面波的声压级为80dB，问其输出端的开路电 压为几伏？
15
无指向性水听器产生的均方电压： 设水听器的灵敏度为单位值，噪声场为 各向同性的，单位立体角内的噪声功率 为Ii，无指向性水听器产生的均方电压 为：
目标反射本领有差异：在同样入射声波的照射下，不同 目标的回波是不一样的。它除了与入射声波特性（频率、 波阵面形状）有关，还与目标的特性（几何形状、材料 等）有关。 目标强度TS定量描述目标反射本领的大小
定义：
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-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，T olstor 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）。
水声学原理
22
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
15
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。
水声学原理
a (4 5) 10 5 m1
23
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；
水声学原理
24
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
水声学原理
x ki / kr
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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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11
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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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：
c(z) O
x
z
1
z1
x
z
dx dz
z
z
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曲率半径
O 0 0
x
R1 d 1 cos dc
ds
c dz
R
轨迹方程
x2
z
12 a
1 a2
O(x0 , z0 ) z
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7
二、声线轨迹
声线轨迹方程 在海面处以任意掠射角 1 出射 曲率半径
R 1 a
c
cz1
os1g
s
in1s
inz
③
z
z1
1 x
已知垂直距离时：
(1 ) -(
2
2
1
)
x(z1z)/tg1 21z ④ z
R1 1
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x 1
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三、声线水平传播距离
传播距离的基本公式： ①式为求声线水平传播距离的基本公式 ②式为经反转点后声线水平传播距离的求解公式 ③式为恒定梯度下已知掠射角时声线水平传播距离公式 ④式为恒定梯度下已知深度时声线水平传播距离公式
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五、线性分层介质中的声线
线性声速分层近似下的声线图
c0
c
x
0
ci (z) gi z
i zi
xi x
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i1
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五、线性分层介质中的声线
第四章 海洋中的声传播理论
第十讲 分层介质中的射线声学
一、Snell折射定律和声线弯曲
折射定律
声线弯曲
c c0
cos cos0 常数
c
c0
x
0 0
c c0
x
0 0
z
负梯度下声线弯曲
z
正梯度下声线弯曲
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10
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：
声线经过反转点后的水平距离：
O
x
z
x cos1 z1
1
dz
n2z cos2 1
z
1
dz
z n2z1
②
z
1
z1
x
z
x1 x2
x
：反转点处的掠射角为零！ z
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5
二、声线轨迹
声线轨迹方程 声速分布：
cc01az
相对梯度： a 1 dc(m1) c0 dz
绝对梯度： gddczc0a(s1)
c(z)
z
声速剖面
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6
二、声线轨迹
声线轨迹方程
在海面处以掠射角 0 0 出射
当声线经过反转点 z 时，水平传播距离公式③可改写 为：
xcco z1 1sgsin 1sin z
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四、声线传播时间
传播时间最基本表达式：
ds z dz
t c z1czsinz
①
传播时间的一般计算式：
x 0 g c c z 2 1 o 0 s 1 si0 s ni n co 0 cso s 0
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六、声强度
单层线性分层介质
Ix, zWcxo22s0
4
一、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。
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五、线性分层介质中的பைடு நூலகம்线
四种不同类型声速分布下的声线轨迹
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六、声强度
射线声学计算声强的基本公式：
Ix, z Wcos0
x
x
0
sin
此时需计算水平距离对声源处声线的掠射角的导数
x 0
单层线性分层介质
t
c1z1
z z1
n2zdz n2zco2s1
②
当声速梯度为恒定值时，根据Snell定律有：
dzcz1sind
gcos1
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四、声线传播时间
声速梯度恒定时：
t 1 d g 1 cos
③
传播时间计算公式： ① 式为求传播时间的基本公式 ② 式是对深度进行积分的求解公式 ③ 式是对掠射角进行积分的求解公式