第3章海洋中的声传播理论讲义
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海洋声学特征
第3章 海洋的声学特性
07:06
本章目的
• 本章从声学角度讨论海洋、海洋的不均匀 性和多变性，弄清声信号传播的环境，有 助于海中目标探测、声信号识别、通讯和 环境监测等问题的解决。
07:06
3.1 海水中的声速
1、声速（ Sound Speed ） 海洋中的重要声学参数，也是海洋中声传
播的基本物理参数。
07:06
3.1 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。
07:06
3.1 海水中的声速
2、声速测量
声速仪是声学装置： •声循环原理工作：
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。
c 1449.22 cT cS cP cSTP
上式适用范围：-3℃<T<30℃、33‰<S<37‰
1.013 105 N / m2 1个大气压 P 980 105 N / m2
07:06
3.1 海水中的声速
声速经验公式
• 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； • 1℃＝（1oF-32）5/9。
07:06
3.1 海水中的声速
海洋中声速的基本结构 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 风雨搅拌作用。
07:06
3.1 海水中的声速
海洋中声速的基本结构
07:06
本章目的
• 本章从声学角度讨论海洋、海洋的不均匀 性和多变性，弄清声信号传播的环境，有 助于海中目标探测、声信号识别、通讯和 环境监测等问题的解决。
07:06
3.1 海水中的声速
1、声速（ Sound Speed ） 海洋中的重要声学参数，也是海洋中声传
播的基本物理参数。
07:06
3.1 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。
07:06
3.1 海水中的声速
2、声速测量
声速仪是声学装置： •声循环原理工作：
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。
c 1449.22 cT cS cP cSTP
上式适用范围：-3℃<T<30℃、33‰<S<37‰
1.013 105 N / m2 1个大气压 P 980 105 N / m2
07:06
3.1 海水中的声速
声速经验公式
• 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； • 1℃＝（1oF-32）5/9。
07:06
3.1 海水中的声速
海洋中声速的基本结构 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 风雨搅拌作用。
07:06
3.1 海水中的声速
海洋中声速的基本结构
第三章海洋的声学特性ppt课件
n=0：适用管道中的声传播，平面波传播， TL=0；
n=1：适用外表声道和深海声道，柱面波传播， TL=10logr，相当于全反射海底和全反射海面 组成的理想波导中的传播条件；
n=1.5：适用计及海底声吸收时的浅海声传播 ， TL=15logr，相当于计入界面声吸收所引起的 对柱面波的传播损失的修正；
n=2：适用于开阔水域〔自在场〕，球面波传 播，TL=20logr；
吸收系数 均匀介质的声吸收 介质切变粘滞的声吸收〔经典声吸收〕 介质热传导声吸收〔经典声吸收〕 驰豫吸收〔超吸收〕
假设平面波传播间隔 dx 后，由于声吸收而引 起声强降低为 dI ，那么
dI2Idx
IxI0e2x取自然对数得：Fra bibliotek1 x
ln
p0
px
lnp0/px为声压振幅的自然对数衰减，
无量纲，称为：奈贝(Neper) 物理意义：单位间隔的奈贝数，Neper/m 通常将声强写成下式：
IxI01 0x10
取常用对数得：
1x0 lgII0 x2x0 lgpp0 x
物理意义：单位间隔的分贝数，dB/m
2 xl0g eln p p 0 x 20lg e8.68
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， 与频率普通无关 入射角>5度时，散射
强度10lgms近似与cos2
成正比 大入射角时，散射强度能够与频率的四次方成
即：1Neper=8.68dB
声吸收引起的传播损失：
T L 1l0 g I I1 x x 1 xx1
n=1：适用外表声道和深海声道，柱面波传播， TL=10logr，相当于全反射海底和全反射海面 组成的理想波导中的传播条件；
n=1.5：适用计及海底声吸收时的浅海声传播 ， TL=15logr，相当于计入界面声吸收所引起的 对柱面波的传播损失的修正；
n=2：适用于开阔水域〔自在场〕，球面波传 播，TL=20logr；
吸收系数 均匀介质的声吸收 介质切变粘滞的声吸收〔经典声吸收〕 介质热传导声吸收〔经典声吸收〕 驰豫吸收〔超吸收〕
假设平面波传播间隔 dx 后，由于声吸收而引 起声强降低为 dI ，那么
dI2Idx
IxI0e2x取自然对数得：Fra bibliotek1 x
ln
p0
px
lnp0/px为声压振幅的自然对数衰减，
无量纲，称为：奈贝(Neper) 物理意义：单位间隔的奈贝数，Neper/m 通常将声强写成下式：
IxI01 0x10
取常用对数得：
1x0 lgII0 x2x0 lgpp0 x
物理意义：单位间隔的分贝数，dB/m
2 xl0g eln p p 0 x 20lg e8.68
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， 与频率普通无关 入射角>5度时，散射
强度10lgms近似与cos2
成正比 大入射角时，散射强度能够与频率的四次方成
即：1Neper=8.68dB
声吸收引起的传播损失：
T L 1l0 g I I1 x x 1 xx1
第3章 海洋中的声传播理论
第3章 海洋中的声传播理论 29
2
2
3.2 波动声学基础
（3）函数Rn(r) 由零阶贝塞尔方程，可得 Rn r 的解：
Rn r jZ n z0 H 0 n r
2
2 2 j sin k zn z0 H 0 n r H
水声学
第3章 海洋中的声传播理论
①平面波情况
x =f t c
水声学
1 0 x c t
第3章 海洋中的声传播理论
jk 0 x
15
3.1 波动方程和定解条件
②柱面波情况
lim r jk 0 r r
③球面波情况
注意负号的物理含义。
水声学 第3章 海洋中的声传播理论 13
3.1 波动方程和定解条件
④边界上密度或声速有限间断
边界上压力和法向质点振速连续：
p s0 p s0
1 p 1 p n n s 0 s 0
若压力不连续，压力突变或质量加速度趋于无穷；
水声学
第3章 海洋中的声传播理论
24
3.2 波动声学基础
（1）波动方程
d 2 Rn 1 dRn d 2 Zn 2 2 Zn 2 Rn 2 k0 Z n r z z0 r dr r n dz dr
——第二类非齐次边界条件
水声学 第3章 海洋中的声传播理论 12
3.1 波动方程和定解条件
③混合边界条件：声压和振速线性组合
p a bp f s n s
——若a和b为常数，则为第三类边界条件 若 f s 0 ，则为阻抗边界条件： p Z un
2
2
3.2 波动声学基础
（3）函数Rn(r) 由零阶贝塞尔方程，可得 Rn r 的解：
Rn r jZ n z0 H 0 n r
2
2 2 j sin k zn z0 H 0 n r H
水声学
第3章 海洋中的声传播理论
①平面波情况
x =f t c
水声学
1 0 x c t
第3章 海洋中的声传播理论
jk 0 x
15
3.1 波动方程和定解条件
②柱面波情况
lim r jk 0 r r
③球面波情况
注意负号的物理含义。
水声学 第3章 海洋中的声传播理论 13
3.1 波动方程和定解条件
④边界上密度或声速有限间断
边界上压力和法向质点振速连续：
p s0 p s0
1 p 1 p n n s 0 s 0
若压力不连续，压力突变或质量加速度趋于无穷；
水声学
第3章 海洋中的声传播理论
24
3.2 波动声学基础
（1）波动方程
d 2 Rn 1 dRn d 2 Zn 2 2 Zn 2 Rn 2 k0 Z n r z z0 r dr r n dz dr
——第二类非齐次边界条件
水声学 第3章 海洋中的声传播理论 12
3.1 波动方程和定解条件
③混合边界条件：声压和振速线性组合
p a bp f s n s
——若a和b为常数，则为第三类边界条件 若 f s 0 ，则为阻抗边界条件： p Z un
海洋中的声传播理论详解课件
THANKS
感谢观看
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
第3章海洋中的声传播理论详解
方程②：
d 2 Rn 1 dRn 2 (r ) Z n ( z0 ) 2 n Rn 2 dr r dr r
方程①的通解——本征函数 ：
Z n z An sink zn z Bn cosk zn z
对应的 k zn ——本征值
College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University
n
c pn n
群速度：波形包络的传播速度
d cgn d n
说明：浅海水层属于频散介质。
College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University 22
硬底均匀浅海声场
相速和群速与声波频率的关系
2 2
阶数最大取值:
H 1 N c 2 0
结论：当简正波阶数 n N 时， n 为虚数，此 时简正波随距离增大指数衰减
College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University
本征函数(Eigen Function)
Z n z An sin k zn z , 0 z H
College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University 15
根据正交归一化条件 ：
H
0
Z m z Z n z dz 1
混合边界条件——压力和振速线性组合 边界上密度或声速的有限间断——压力和法向质 点振速连续 关于连续的解释： 若压力不连续，质量加速度趋于无穷的不合理 现象； 若法向振速不连续，边界上出现介质“真空” 或“聚集”的不合理现象。
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；
第三章 海洋的声学特性
第三章 海洋的声学特性本章从声学角度讨论海洋、海洋的不均匀性和多变性，弄清声信号传播的环境，有助于海中目标探测、声信号识别、通讯和环境监测等问题的解决。
3.1 海水中的声速声速：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。
海洋中声波为弹性纵波，声速为：s c ρβ1=式中，密度ρ和绝热压缩系数s β都是温度T 、盐度S 和静压力P 的函数，因此，声速也是T 、S 、P 的函数。
1、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）的增加而增加。
经验公式是许多海上测量实验的总结得到的，常用的经验公式为：较为准确的经验公式：STP P S T c c c c c ∆∆∆∆++++=22.1449式中，4734221007.510822.2104585.56233.4T T T T c T ---⨯-⨯+⨯-=∆()()2235108.735391.1-⨯--=-S S c S ∆4123925110503.310451.3100279.11060518.1P P P P c P ----⨯-⨯+⨯+⨯=∆()[][][]TP T T P T T T P PTP P T S c STP 31021012382546214310745.110286.910391.210644.6103302.110796.21009.21096.11061.210197.135----------⨯-⨯+⨯-+⨯-⨯+⨯-+⨯-⨯-⨯+⨯--=∆上式适用范围：-3℃<T<30℃、33‰<S<37‰、()2525/109801/10013.1m N P m N ⨯<<⨯个大气压。
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。
声速c 的数值变化虽然微小，但它对长距离传播声线的分布、射程、传播时间等量的影响很大，因此需要有准确的声速数值。
第3章海洋中的声传播理论2
代表声线的方向，处处与等相位面垂直。
将形式解代入波动方程：
2 A A
k02
k
2
j
k0
2A A
2
0
8
射线声学的基本方程
2 A
A
k02
k2
0
2
2 A
A
0
当 2 A A k 2 时，
2
k k0
2
n2 x
,
y
,
z
强度方程 程函方程
9
射线声学的基本方程
两个基本方程
2 n2
2
2 A
x
x
x
x s
y
y s
z
z s
n cos2 n cos2 n cos2 n
x
x
15
射线声学的基本方程
d ncos n
ds
x
第（3）种表示式： d n cos n
ds
y
d ncos n
ds
z
矢量方程形式：
d n
ds
16
射线声学的基本方程
应用举例
c 声速 为常数
1x nzcos
x
2 z nzcos
z
因此，
1x nzcosdx
2z nzcosdz
22
射线声学的基本方程
求解程函的显式
O
根据Snell定律
x
1x cos0 x C1
nzcos n sin
n2 cos2 0
2 z
z z0
n2 cos2 0 dz C2
程函：x , z cos0 x
定条件限制下波动方程的近似解。
2
射线声学的基本方程
将形式解代入波动方程：
2 A A
k02
k
2
j
k0
2A A
2
0
8
射线声学的基本方程
2 A
A
k02
k2
0
2
2 A
A
0
当 2 A A k 2 时，
2
k k0
2
n2 x
,
y
,
z
强度方程 程函方程
9
射线声学的基本方程
两个基本方程
2 n2
2
2 A
x
x
x
x s
y
y s
z
z s
n cos2 n cos2 n cos2 n
x
x
15
射线声学的基本方程
d ncos n
ds
x
第（3）种表示式： d n cos n
ds
y
d ncos n
ds
z
矢量方程形式：
d n
ds
16
射线声学的基本方程
应用举例
c 声速 为常数
1x nzcos
x
2 z nzcos
z
因此，
1x nzcosdx
2z nzcosdz
22
射线声学的基本方程
求解程函的显式
O
根据Snell定律
x
1x cos0 x C1
nzcos n sin
n2 cos2 0
2 z
z z0
n2 cos2 0 dz C2
程函：x , z cos0 x
定条件限制下波动方程的近似解。
2
射线声学的基本方程
大气和海洋中的声光电现象课件
加强跨学科合作
加强大气科学、海洋科学、物理学、化学等跨学科的合作，共同推动 大气和海洋中声光电现象的研究。
拓展应用领域
将大气和海洋中的声光电现象的研究成果应用于环境保护、气候变化 、资源开发等领域，为人类社会的可持续发展做出贡献。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
声光电现象的原理和应用
通过深入了解这些现象的原理，我们可以更好地理解自然界 中的各种现象，并探索其在各个领域中的应用，如气象学、 海洋学、物理学等。
课程目标
01
掌握声光电现象的基本原理
通过本课程的学习，学生应能够掌握声光电现象的基本原理，包括声音
的传播、光的折射、反射和散射，以及电流和电磁波的产生和传播等。
介绍了大气和海洋中声光电现象的观测技 术和方法，包括声波探测、光学观测、电 场观测等。
未来大气和海洋中声光电现象的研究方向
深入研究大气和海洋中的声光电现象
进一步深入探讨大气和海洋中的声光电现象的产生机制、传播规律及 其应用前景。
发展新型观测技术
研发新型的大气和海洋中声光电现象的观测技术和方法，提高观测精 度和效率。大气中的光吸取与散射系数 Nhomakorabea光吸取系数
大气中的某些物质（如水、二氧 化碳等）会对光线进行吸取，减 少其能量。光吸取系数描述了光 线在大气中被吸取的比例。
光散射系数
大气中的微粒会对光线进行散射 ，使其传播方向产生变化。光散 射系数描述了光线在大气中被散 射的比例。
大气中的光污染与影响
光污染
随着城市化和工业化的快速发展，大气中的光污染日益严重。过度的光照不仅影 响人们的视觉健康，还会对生态环境产生负面影响。
大气中的电流与闪电现象
电流
加强大气科学、海洋科学、物理学、化学等跨学科的合作，共同推动 大气和海洋中声光电现象的研究。
拓展应用领域
将大气和海洋中的声光电现象的研究成果应用于环境保护、气候变化 、资源开发等领域，为人类社会的可持续发展做出贡献。
THANKS FOR WATCHING
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声光电现象的原理和应用
通过深入了解这些现象的原理，我们可以更好地理解自然界 中的各种现象，并探索其在各个领域中的应用，如气象学、 海洋学、物理学等。
课程目标
01
掌握声光电现象的基本原理
通过本课程的学习，学生应能够掌握声光电现象的基本原理，包括声音
的传播、光的折射、反射和散射，以及电流和电磁波的产生和传播等。
介绍了大气和海洋中声光电现象的观测技 术和方法，包括声波探测、光学观测、电 场观测等。
未来大气和海洋中声光电现象的研究方向
深入研究大气和海洋中的声光电现象
进一步深入探讨大气和海洋中的声光电现象的产生机制、传播规律及 其应用前景。
发展新型观测技术
研发新型的大气和海洋中声光电现象的观测技术和方法，提高观测精 度和效率。大气中的光吸取与散射系数 Nhomakorabea光吸取系数
大气中的某些物质（如水、二氧 化碳等）会对光线进行吸取，减 少其能量。光吸取系数描述了光 线在大气中被吸取的比例。
光散射系数
大气中的微粒会对光线进行散射 ，使其传播方向产生变化。光散 射系数描述了光线在大气中被散 射的比例。
大气中的光污染与影响
光污染
随着城市化和工业化的快速发展，大气中的光污染日益严重。过度的光照不仅影 响人们的视觉健康，还会对生态环境产生负面影响。
大气中的电流与闪电现象
电流
声传播理论
A' ' ( z ) ( z ) A( z )
z2
Helmholtz方程解为： Z n ( z )
B k ( z)
2 2 n
j
e
z1
2 k 2 ( z ) n dz
ii. 用差分法、有限元法和边界元法直接求解
(2) 三维波动方程的数值解 抛物方程近似解法；耦合简正波方法；三维射线法。
三、射线声学基础
1. 基本假设 声波的传播可以看作是无数条射线的传播。每一条射线的方向与等相面垂直；声线经历的 时间为声传播的时间；声线束所携带的能量为波传播的能量。
三维平面波：
Ae j (t k r ) Ae
j (t k x x k y y k z z )
Ae j (t kx cos ky cos kz cos )
对于简谐波：
3( ) 2 4 2
] 0
2 t
2
2
0 齐次Helmholtz方程： 2 k 2 ( x, y, z )
其中：
K ( x, y , z , )
c ( x, y , z )
当ρ可看作常数时， 2 p k 2 ( x, y, z ) p 0 有源存在时， 非齐次Helmholtz方程： 2 p k 2 ( x, y, z ) p F 4A (r)
N
N
TL 10 lg
(5) 平滑平均声场
H
n 1
N
8
2
nr
sin 2 k zn z sin 2 k zn z 0 10 lg r 10 lg
H
距离方向平滑：
水声学第三章 海洋的声学特性幻灯片PPT
lnV12lnVV*
12V/V*V2VV*/ ReV V/2V*
又
V 2 im coc s2 o n s 2 s2 i/ nc2 o n s 2
2
m s2 i n ic2 o n s 2
13
令：
1n2 M1iM2
V V*02iM m 1M 1iM i2M 22
QReV V/2V* 0M 212m M M 222 与书上结果：Q 2 m 2M M 1 2 M 2 2略有不同！
7
海底沉积层
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。
声切速变：波c沉速s 积度层中两有种压。缩波速度〔声速c〕 和
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B失L20lgpr 20lgV 定义：反射声振幅相对p入i 射声振幅减小的分贝
动的现象。根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〕。
Q
,0
20lnV
lnV0
con,s t
2
11三参数： 、 lnV0 Nhomakorabea、 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
Q
lnV
0
Vmcosi i sin2i n2 mcosi i sin2i n2
海洋声学基础讲义-吴立新精编版
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，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。
海洋的声学特性课件
声呐技术有多种类型，包括主 动声呐和被动声呐，以及用于 不同探测目的的特殊声呐。
声学多普勒测流技术
声学多普勒测流技术是一种利用声波测量水流速度和方向的无损测量技术 。
该技术基于多普勒效应原理，通过测量声波在水流中的频率变化来推算水 流的速度和方向。
声学多普勒测流技术广泛应用于海洋学、河流水文学等领域，为研究水流 动力学和环境变化提供了重要手段。
声学温度测量技术
声学温度测量技术是一种利用声 波测量水下温度场的方法。
该技术通过测量声波在水中传播 的速度，结合已知的声速与温度 之间的关系，推算出水下的温度
分布。
声学温度测量技术对于研究海洋 热力学、气候变化等领域具有重
要意义。
海洋声学测量技术的发展趋势
海洋声学测量技术不断发展，未来将朝 着高精度、高分辨率、高效率的方向发 展。
在海洋考古研究中的应用
声波成像
利用声波成像技术探测海底沉船、古迹等文化遗产，为海洋考古研究提供新的 方法和手段。
声学测年
通过测量海底沉积物的声学特性，确定沉积物的年代和历史，为海洋历史和考 古研究提供重要依据。
05
未来展望与挑战
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
20世纪初
声呐技术开始应用于军事领域。
20世纪中叶
声学在海洋资源探测和环境监测方面 的应用逐渐普及。
21世纪
高分辨率和高灵敏度声学技术的发展 ，推动了海洋声学研究的深入。
海洋声学的研究意义
促进海洋科学的发展
声学技术为海洋科学研究提供 了重要的工具和方法。
保障国家安全
军事应用领域的声呐技术对于 国家安全具有重要意义。
在海洋环境监测中的应用
海洋的声学特性
系
海底反射损失简化模型-三参数模型
Q
,0
20ln V
ln V0
const,
2
42
三参数： 、 ln V0 、 Q
参数计算
1） 的计算
arccos n
n c1 / c2
2）V0的计算
V0
mn mn
3）Q的计算
m 2 1
Q
ln V
0
V m cosi i sin 2 i n2 m cosi i sin 2 i n2
21
扩展损失
简谐平面波声压 p p0 expit kx
没有扩展损失
TL
10
lg
I 1 I x
0
dB
简谐球面波声压 p p0 expit kr
r
扩展损失
TL
10
lg
I 1 I r
20
lg
r
dB
22
扩展损失的一般形式
TL n 10lg r dB
n=0：适用管道中的声传播，平面波传播， TL=0；
1
2
H
0.25H1 3 0.20H1 10
47
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）
48
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
•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。
Z
第三类 反声道声速分布
19
海底反射损失简化模型-三参数模型
Q
,0
20ln V
ln V0
const,
2
42
三参数： 、 ln V0 、 Q
参数计算
1） 的计算
arccos n
n c1 / c2
2）V0的计算
V0
mn mn
3）Q的计算
m 2 1
Q
ln V
0
V m cosi i sin 2 i n2 m cosi i sin 2 i n2
21
扩展损失
简谐平面波声压 p p0 expit kx
没有扩展损失
TL
10
lg
I 1 I x
0
dB
简谐球面波声压 p p0 expit kr
r
扩展损失
TL
10
lg
I 1 I r
20
lg
r
dB
22
扩展损失的一般形式
TL n 10lg r dB
n=0：适用管道中的声传播，平面波传播， TL=0；
1
2
H
0.25H1 3 0.20H1 10
47
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）
48
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
•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。
Z
第三类 反声道声速分布
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描述：无穷远处没有声源存在时，其声场应具有 扩散波的性质——辐射条件
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9
奇性条件
均匀发散球面波在声源处存在奇异点，不满足波动 方程；
处理方法：引入狄拉克函数。 结论：非齐次波动方程包含奇性定解条件。
8
混合边界条件——压力和振速线性组合 边界上密度或声速的有限间断——压力和法向质
点振速连续
关于连续的解释：
若压力不连续，质量加速度趋于无穷的不合理 现象；
若法向振速不连续，边界上出现介质“真空” 或“聚集”的不合理现象。
注意：上述边界条件只限制波动方程一般解（通解） 在边界上的取值
辐射条件
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6
2、定解条件
边界条件
绝对软边界(声压释放边界)——声压为零
不平整海面： z x , y , t
1）第一类齐次边界条件：
p x , y , , t zx , y , t 0
声速：c0
密度：0
边界
自由海面
硬质平整海底
波导模型
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12
简正波
由于声场的圆柱对称性，水层中声场满足柱坐标系下 的波动方程：
1 r
r
r
p r
2 p z 2
2
本章主要内容
Snell折射定律和声线弯曲 声线轨迹 声线传播时间 线性分层介质中的声线图 聚焦因子 波动理论与射线理论的比较
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3
1、波动方程
研究水下声传播的常用方法 波动理论 研究声信号的振幅和相位在声场中的变化 简正波(NM)模型、绝热简正波(Adiabatic)模型、耦 合简正波(Couple)模型 Kraken、Couple 射线理论 研究声场中声强随射线束的变化 BELLHOP、HARPO&EIGEN、RTPO（自研） PE、FFP、Multipath Extension WKB
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4
1、波动方程
波动方程
由连续性方程、运动方程、状态方程得到波动方程
2 p
1 c2
2 p t 2
1
p
0
密度均匀介质中的Helmholtz方程：
2 p k 2x , y , zp 0
初始条件
当求远离初始时刻的稳态解时，可不考虑初始条件
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10
第四章 海洋中的声传播理论
波动声学基础
3、, z0 ) 水深：H
2）边界面上有压力分布：
p x , y , , t zx , y , t ps
——第一类非齐次边界条件
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7
绝对硬边界——法向质点振速为零
1）平整硬质海底： p 0
说明：上述赫姆霍茨方程是变系数的偏微分方程 ——泛定方程
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5
2、定解条件
定解条件 波动方程：给出声波传播所遵循的普遍规律 定解条件：声波传播所满足的具体条件 类型： 边界条件 辐射条件 奇性条件 初始条件
k02
p
4A
r
r0
即：
2 r
p
2
1 r
p r
2 z
p
2
k
2 0
p
2 r
r
z
z0
应用分离变量法，令：
pr , z Rn rZn z
n
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13
经分离变量得到
n
Z
n
d 2Rn dr 2
1 r
dRn dr
Rn
d 2Zn dz 2
k02 Z n
2 r
(r)
(z
z0
)
方程①：
d 2Zn dz2
(k02
2 n
)Z
n
0
方程②：
d 2Rn dr 2
1 r
dRn dr
n2Rn
2 (r)Zn (z0 )
r
方程①的通解——本征函数 ：
Zn z An sinkzn z Bn coskzn z
z z0
2）不平整硬质海底：z x , y , t
n u
x
ux
y
uy
uz
0
——第二类齐次边界条件
3）界面上有质点振速分布
x
ux
y
u
y
uz
us
——第二类非齐次边界条件
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对应的 kzn ——本征值
College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University
0 z H
14
问题：系数An、Bn、kZN如何确定？
根据边界条件：
自由海面： Zn 0 0
Bn 0
硬质海底：Zn H 0
第3章 海洋中的声传播理论
波动方程和定解条件 波动声学基础
本章主要内容
波动方程和定解条件 波动声学基础 硬底均匀浅海声场 液态海底均匀浅海声场 射线声学的基本方程 射线理论的应用条件
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An 0 X
或 kznH (n 1/ 2) , n 1,2, √
本征值(Eigen Value)
kzn
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9
奇性条件
均匀发散球面波在声源处存在奇异点，不满足波动 方程；
处理方法：引入狄拉克函数。 结论：非齐次波动方程包含奇性定解条件。
8
混合边界条件——压力和振速线性组合 边界上密度或声速的有限间断——压力和法向质
点振速连续
关于连续的解释：
若压力不连续，质量加速度趋于无穷的不合理 现象；
若法向振速不连续，边界上出现介质“真空” 或“聚集”的不合理现象。
注意：上述边界条件只限制波动方程一般解（通解） 在边界上的取值
辐射条件
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6
2、定解条件
边界条件
绝对软边界(声压释放边界)——声压为零
不平整海面： z x , y , t
1）第一类齐次边界条件：
p x , y , , t zx , y , t 0
声速：c0
密度：0
边界
自由海面
硬质平整海底
波导模型
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12
简正波
由于声场的圆柱对称性，水层中声场满足柱坐标系下 的波动方程：
1 r
r
r
p r
2 p z 2
2
本章主要内容
Snell折射定律和声线弯曲 声线轨迹 声线传播时间 线性分层介质中的声线图 聚焦因子 波动理论与射线理论的比较
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3
1、波动方程
研究水下声传播的常用方法 波动理论 研究声信号的振幅和相位在声场中的变化 简正波(NM)模型、绝热简正波(Adiabatic)模型、耦 合简正波(Couple)模型 Kraken、Couple 射线理论 研究声场中声强随射线束的变化 BELLHOP、HARPO&EIGEN、RTPO（自研） PE、FFP、Multipath Extension WKB
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4
1、波动方程
波动方程
由连续性方程、运动方程、状态方程得到波动方程
2 p
1 c2
2 p t 2
1
p
0
密度均匀介质中的Helmholtz方程：
2 p k 2x , y , zp 0
初始条件
当求远离初始时刻的稳态解时，可不考虑初始条件
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第四章 海洋中的声传播理论
波动声学基础
3、, z0 ) 水深：H
2）边界面上有压力分布：
p x , y , , t zx , y , t ps
——第一类非齐次边界条件
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绝对硬边界——法向质点振速为零
1）平整硬质海底： p 0
说明：上述赫姆霍茨方程是变系数的偏微分方程 ——泛定方程
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5
2、定解条件
定解条件 波动方程：给出声波传播所遵循的普遍规律 定解条件：声波传播所满足的具体条件 类型： 边界条件 辐射条件 奇性条件 初始条件
k02
p
4A
r
r0
即：
2 r
p
2
1 r
p r
2 z
p
2
k
2 0
p
2 r
r
z
z0
应用分离变量法，令：
pr , z Rn rZn z
n
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经分离变量得到
n
Z
n
d 2Rn dr 2
1 r
dRn dr
Rn
d 2Zn dz 2
k02 Z n
2 r
(r)
(z
z0
)
方程①：
d 2Zn dz2
(k02
2 n
)Z
n
0
方程②：
d 2Rn dr 2
1 r
dRn dr
n2Rn
2 (r)Zn (z0 )
r
方程①的通解——本征函数 ：
Zn z An sinkzn z Bn coskzn z
z z0
2）不平整硬质海底：z x , y , t
n u
x
ux
y
uy
uz
0
——第二类齐次边界条件
3）界面上有质点振速分布
x
ux
y
u
y
uz
us
——第二类非齐次边界条件
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对应的 kzn ——本征值
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0 z H
14
问题：系数An、Bn、kZN如何确定？
根据边界条件：
自由海面： Zn 0 0
Bn 0
硬质海底：Zn H 0
第3章 海洋中的声传播理论
波动方程和定解条件 波动声学基础
本章主要内容
波动方程和定解条件 波动声学基础 硬底均匀浅海声场 液态海底均匀浅海声场 射线声学的基本方程 射线理论的应用条件
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An 0 X
或 kznH (n 1/ 2) , n 1,2, √
本征值(Eigen Value)
kzn