(完整版)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：

1 c ----------

s

式中，密度 和绝热压缩系数 s 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 (C)、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：

c ST p S 35 1.197 10 3T 2.61 10 4P 1.96 10 1P 2 2.09 10 6 PT P 2.796 10 4T 1.3302 10 5T 2 6.644 10 8T 3 P 2

2.391 10 1T 9.286 10 10T 2

1.745 10 10 P 3T

上式适用范围：-3C

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。但上式计算比较繁琐，在精度要求不太高时，可使用比较简单 的经验公式。许多文献资料，都给出较为简单的声速经验公式，这里介绍

|乌德公式|:

式中，压力P 单位是大气压，

1atm 1.013 105N/m 2 。

c 1449.22

c T

C s

C

P

c STP

c T

4.6233T

5.4585 10 2T 2 2.822 10 4T 3 5.07 10仃4

C s 1.391 S 35 7.8 10 2 S 35 2

c P

1.60518 10 1P 1.0279 10 5P 2 3.451 10 9 P 3 3.503 10 12 P 4

式中,

5

2

P 980 105

N/m 2

。

10m 水深近似增加

2、声速测量

常用的测量仪器设备为：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，这样就可以转换给出声速。

声速仪是声学装置，它是通过测量发射高频短脉冲次数。它用“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，则声速为：c=fL。

3、海洋中的声速变化

（一）海洋中声速的垂直分层性质和声速梯度

实测海洋的等温线和等盐度线几乎是水平平行的，也就是说，声速近似为水平分层变化。因

此，在海洋中声速cx,y,z c z ，z为垂直坐标，x、y为水平坐标。声速梯度：

dc

g c a T g T a s g s a p g P

dz

式中，g T、g s、g p分别为温度梯度、盐度梯度和压力梯度；a T、a s、a p分别为声速对温度、

盐度和压力的变化率（偏微分）；

根据乌德公式，则得：

4.21 0.0074T (m/s) /C

a T

1.14 (m/s) /%o

a s

0.175 (m/s) /atm

a P

声速梯度：g c 4.12 0.0074T g T 1.14g S 0.175g

（二）海中声速得基本结构

（1）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。

季节跃变层：在表面层之下，特征是负的温度梯度或声速

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。

主跃变层：温度随深度巨变的层，特征是负的温度梯度或

声速梯度，季节对它的影响微弱。

深海等温层：在深海内部，水温比较低而且稳定，特征是

正声速梯度。

注意：在主跃变层（负）和深海等温层（正）之间，有一声速极

小值。解释一下深海的温度分布。

(2) 温度的季节变化、日变化和纬度变化

温度的季节变化和日变化主要发生在海洋上层。

图为近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。

日变化：高风速一一中午表面温度，受高风速的作用，出现明显的混合层；低风速一一表面 呈现负温度梯度，在早晨，可能出现正温度梯度。

在低纬度海域，主跃变层的深度较深；在高纬度海域，声速正梯度一直延伸到接近海洋表面。

(3) 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。

前面，我们将温度和声速看成不遂时间变化，只随

深度变化，这是海洋描述声速变化的粗略近似，等温层

是宏观而言，微观而言温度随时间起伏变化的。一般，温度起伏在下午和靠近海面到达最大。

温度起伏的原因多种多样：湍流、海面波浪、涡旋和海中内波等因素。在水声学中，经常将 声速表示称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：

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(三)海水温度的起伏变化

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