海洋声学技术和仪器

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
声速垂直分布分类 深海声道声速分布： 特点：在某一深 度处有一声速最
Zm
c0
c
c0
Zm
c
小值。
Z
Z
声音在海洋中是怎样衰减的？

生活中我们都有这种体会，要是两个人相距不远，就可以 小声交谈；距离一远，就要大声叫喊了；超过一定的距离 后，即使再大声吆喝，也是听不见的。和在空气中的情况 一样，海洋里的声音也会随着传播距离的增加而变得越来 越小，并且最终消失得无影无踪。这种现象通常被称为声 音的衰减。那么，声音为什么会衰减呢？科学家们发现导 致声音衰减的原因有两个，一个是扩散，一个是吸收。所 谓扩散是指随着距离的增加，声音覆盖的范围越来越大， 由于能量越来越分散，所以强度越来越小，就像离开电灯 泡越远的地方越不亮一样。事实上，声音无论是在气体、 固体，还是在液体中传播时总有一部分能量转化为热能， 因此，随着传播距离的增加声能也不断减小，这就是通常 所说的吸收了。
上式适用范围：-3℃<T<30℃、33‰<S<37‰
1.013105 N / m2 1个大气压 P 980 105 N / m2
海水中的声速
精确计算声速有什么意义？
声速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。
海水中的声速
根据乌德公式
aT 4.21 0.074T
m s
/

C
a S 1.14
a P 0.175
m s

m s atm
声速梯度
gc 4.21 0.074T gT 1.14 g S 0.175g P
声速梯度
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。
声速梯度
海洋中声速的基本结构
典型深海声速剖面：
（2）季节跃变层：
在表面层之下，特征 是负温度梯度或负声速梯 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。
乌德公式
c 1450 4.21 T 0.037 T 1.14S 35 0.175P
2
P的单位是大气压。
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。
海水中的声速
抛弃式温度测量仪
XBT ——eXpendable BathyThermograph
声速梯度
3、海洋中声速变化
海洋中声速的垂直分层性质 实测海洋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。
c x , y , z c z
声速梯度
dc 声速梯度： g c aT gT aS g S aP g P dz
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。
声速梯度
海洋中声速的基本结构
典型深海声速剖面：
（3）主跃变层：
温度随深度巨变的层， 特征是负的温度梯度或负 声速梯度，季节对它的影 响微弱。
声速梯度
海洋中声速的基本结构
典型深海声速剖面：
（4）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。
在主跃变层（负）和深海 等温层（正）之间，有一 声速极小值—ຫໍສະໝຸດ Baidu道轴。
第十四章
什么是海洋声学？



海洋声学是研究声波在海洋中的传播特点和规律，并利用 声波探测海洋的学科。它是海洋学和声学的边缘学科。海 洋声学的基本内容包括三方面： （1）声在海洋中的传播规律和海洋条件对声传播的影响。 主要包括不同水文条件和底质条件下的声波传播规律，海 底对声波传播的影响，海水对声的吸收，声波的起伏、散 射和海洋噪声等问题； （2）利用声波探测海洋。利用声波不仅能测出大海的深 度，甚至还能发现在海底蕴藏的石油； （3）海洋声学技术和仪器。各种不同类型的声纳设备正 是海洋学技术中的佼佼者。海洋声学的研究不仅解开了许 多海洋之谜，也为人类开发海洋、利用海洋提供了许多有 效的途径。
• 温度起伏在下午和靠近海面最大。
• 温度起伏原因多种多样：湍流、海面波浪、涡旋和
海中内波等因素。
海洋声道
到过北京天坛公园的人都会注意到回音壁的奇异现象。回
音壁是圆周形的墙壁，在墙壁边上小声说话。对面距离很
远的地方，只要靠近墙壁，就能清晰地听到说话的声音。 这种声音沿墙壁传输，声能集中在距墙壁不远的同心圆环
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，
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。
海水中的声速
2、声速测量
声速剖面仪SVP——
Sound Velocity Profile 温盐深测量仪CTD— Conductivity, Temperature, Depth
观测要素
海水声速 声速梯度 声速跃层 水下声道

海水中的声速
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/cm2）的增大而增大。 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：
c 1449 .22 cT cS cP cSTP