水声学原理第三章1综述
水声学原理
水声学原理
水声学原理是一种重要的研究领域，它是研究声波在水中的传播和衰减的一种科学方法。
水声学原理被广泛应用于海洋学、测深、海洋科学仪器仪表的设计、潜水器的设计、海洋探测和海洋环境研究等。
水声学原理研究需要考虑的因素有水体属性（温度、盐度、频率、测深范围）、水中声波的传播特性和衰减、海洋环境因素（温度、盐度、流量、深度等）以及潜水器的设计、性能和安全性等。
水中的声波的传播速度和衰减系数取决于水体的属性，比如温度、盐度、频率、测深范围等。
这些因素都会影响水声学的研究。
此外，温度、盐度的变化也会影响水声学的研究，因为它们会影响水中声波的传播特性和衰减。
潜水器的设计也是水声学研究的重要内容。
潜水器的设计需要考虑到水声学原理，比如声音探头的设计和安装，声音传播和衰减的研究，以及潜水器的性能和安全等。
水声学原理的研究对海洋科学仪器仪表的设计和海洋探测也有重要意义。
水声学原理可以帮助研究人员更深入地研究海洋环境，从而更好地了解海洋探测和海洋环境研究所需的信息。
总之，水声学原理是一个广泛的研究领域，它可以为海洋学、测深、
海洋科学仪器仪表的设计、潜水器的设计、海洋探测和海洋环境研究提供重要的理论依据。
水声学原理知识点总结
水声学原理知识点总结【1】水声学原理的基本概念1.1. 声波的产生与传播声波是一种机械波，是在介质中震动传递的波动。
声波通常是由物体振动引起的，当物体振动时，周围的空气分子或水分子也随之振动，形成声波。
在水中，声波的传播速度一般比在空气中要快。
1.2. 水声频率与声波速度水声波的频率通常在20 Hz-200 kHz之间，与空气中的声波频率范围相似。
不同频率的声波在水中的传播速度也有所不同，通常音速约为1500 m/s。
1.3. 水声学的应用领域水声学在海洋工程、海洋资源开发、水下通信、声纳探测、水下定位等领域有广泛的应用，其中声纳技术是水声学应用的重要方面。
【2】声波在水中的传播2.1. 声波的传播方式声波在水中的传播方式与在空气中的传播方式类似，可以分为纵波和横波。
其中纵波是介质中质点沿波的传播方向振动的波动，而横波则是介质中质点振动方向与波的传播方向垂直的波动。
2.2. 水声波的衰减水中声波在传播过程中会受到水的吸收和散射等因素的影响，导致声波的衰减。
较高频率的声波在水中的衰减更为显著，这也是水声通信和声纳探测中需要考虑的重要因素。
2.3. 水声波的折射和反射声波在水中传播时，会发生折射和反射现象。
当声波通过不同密度的介质界面时，会因为介质密度的不同而发生折射现象；在与固体或液体的界面发生交界时，声波会发生反射。
【3】水声信号的特点3.1. 水声信号的特点水声信号与空中声信号相比有一些特殊的特点，如传播距离远、传播速度快、传播路径复杂、受环境干扰大等。
3.2. 水声通信的特点水声通信由于其传播路径的复杂性和环境干扰的影响，通常需要考虑信号传播延迟、传播路径损耗、噪声干扰等问题。
3.3. 声纳探测的特点声纳探测是利用声波在水中传播的特性来进行目标探测和定位，需考虑水中声波传播的复杂性、目标散射特性等因素。
【4】水声传感器技术4.1. 水声传感器的种类水声传感器包括水中听音器、水中发射器、水下通信装置等。
水声学原理
水声学原理
水声学是研究水中声波传播和水中声学现象的学科，它涉及到声波在水中的传播特性、声波的产生和接收、水中声场的特征等内容。
水声学原理是水声学研究的基础，对于理解水声学的相关知识具有重要意义。
首先，我们来看一下水声学原理中的声波传播特性。
声波是一种机械波，它是由介质的微小振动引起的，能够传播能量和信息。
在水中，声波的传播速度约为1500米/秒，远远快于空气中的声波传播速度。
这是因为水的密度比空气大，声波在水中传播时受到的阻力较小，传播速度较快。
此外，水中的声波传播距离也比空气中的远，这是由于水的吸收和散射特性导致的。
其次，声波的产生和接收也是水声学原理中的重要内容。
声波的产生可以通过声源来实现，比如声纳、声呐等设备可以产生声波并将其传播到水中。
而声波的接收则需要利用水下声学传感器来实现，这些传感器可以将声波转化为电信号，并进行相应的处理和分析。
通过声波的产生和接收，我们可以获取水下的信息，比如水下地形、水下目标等。
最后，水中声场的特征也是水声学原理中的重要内容。
水中声场是指水中的声波分布情况，它受到水下地形、水下目标等因素的影响。
水中声场的特征可以通过声纳、声呐等设备进行测量和分析，从而获取水下环境的信息。
水中声场的特征对于水下通信、水下导航等应用具有重要意义。
总结一下，水声学原理涉及到声波传播特性、声波的产生和接收、水中声场的特征等内容。
通过对水声学原理的研究，我们可以更好地理解水下环境，并应用于水下通信、水下探测等领域。
希望本文能够对水声学原理有所了解，并对相关领域的研究和应用有所帮助。
水声学原理
7
德国ATLAS公司研制的ASA92 －25主动拖曳线声呐
美国DTI公司研制的合 成孔径声呐
英国、法国联合研制的 舷侧阵声呐TSM2253
美国Lockheed Martin 公司研制的被动测距声 呐PUFFS
英国、法国联合研制的 投吊声呐
德国ATLAS公司研制的 拖曳线列阵8
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
9
声压、声强和声功率用级和分贝（dB）来量度。他们是：
声压级： 声强级： 声功率级：
L p 20 log( p p0 ) dB LI 10 log(I I0 ) dB LW 10 log(W W0 ) dB
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。
•工作速率差别大。雷达搜速快，声呐搜索慢 •分辨率差。声图象模糊。
b.声呐受海洋信道影响大。声呐环境比雷达环境复杂得多。
c.声呐的作用距离近。
3
水声技术呐是研究声波在水中的发射、传输、接收、处理的专门技术。包括： a.水声换能器和基阵－水声传感器系统； b.水声物理－海洋信道的传播、混响、散射、噪声特性和各种水声目标特性； c.水声设备－水声信号处理、水声电子技术。
水声学复习提要
rR rn
距离r
College of Underwater Acoustic Engineering HEU
17
作业点评
第一章
给定水下声压 p 为100Pa，那么声强 I 是多大， 与参考声强 I r 比较，以分贝表示的声强级是多少？ （取声速C=1500m/s，密度为1000kg/m3）
解：声强：
被动声纳方程
SL - TL -（NL - DI）=DT
SL—噪声源 无TS 背景干扰为环境噪声和舰船自噪声
声纳方程的应用
基本应用
声纳设备性能预报 声纳设备设计
College of Underwater Acoustic Engineering HEU 5
第二章 海洋的声学特性
可以解得声场的解析解； 不易处理复杂边界条件； 易于加入源函数； 计算复杂；
射线理论
只能解得声场的近似解； 易于处理复杂边界条件； 物理意义简单直观； 不能处理影区、焦散区；
适用于低频远距离浅海。
适用于高频近距离深海。
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作业点评
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 曲线，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 rR rn 要干扰。如下图， 所以混响是主要干扰。
声信号级 回声信号级 混响掩蔽级 噪声掩蔽级
作业点评
第一章
什么是声纳？声纳可以完成哪些任务？ 请写出主动声纳方程和被动声纳方程？在声纳方程 中各项参数的物理意义是什么？ 声纳方程的两个基本用途是什么？ 环境噪声和海洋混响都是主动声纳的干扰，在实际 工作中如何确定哪种干扰是主要的？
水声学
鱼雷和水雷
• 是目前水下作战的主要兵器
• 鱼雷多种多样
• • • • 制导方式 投放方式 爆炸方式 超高速
• 水雷多种多样
• • • • 引爆引信 布放方式 主动攻击水雷 水鱼雷
• 水下作战的主要手段
• 潜艇、鱼雷、水雷、蛙人等
• 水下战的主要内容
• 潜艇战与反潜战 • 鱼雷攻击与防护 • 水雷战与反水雷
?拥有常规潜艇数量最多的国家在我们亚洲朝鲜拥有60艘?二战期间潜艇共击沉作战舰艇381艘其中战列舰3艘航空母舰17艘巡洋舰32艘驱逐舰122艘还有其它作战舰艇207艘击沉各种运输船5000余艘?二战中各种舰艇共击沉航空母舰38艘仅潜艇就击沉17艘就击沉艘?被潜艇击沉的潜艇80艘?在第二次世界大战中德国u47号潜艇于1939年10月潜入英国位于苏格兰北部的海军基地在港内击沉了英国的排水量达33000多吨的大型战列舰皇家橡树号创造了军事史上的奇迹?美国是世界上潜艇技术领先数量最多的国家共拥有潜艇70余艘全部为核部为核动力潜艇其中战略导弹核潜艇近20艘攻击型核潜艇50余艘美国美国最新核动力攻击潜艇海狼号俄罗斯?俄罗斯的弹道导弹核潜艇共发展了四代分别为台风级didiidiv级目前在役的有17艘台风级弹道导弹核潜艇是世界上排水量最大的核潜艇其水下排水量26500吨航水下航速26节可携带1620枚ssn23或ssn20型弹道核导弹每枚可携载10个分弹头射程可达900010000公里俄罗斯d级弹道导弹核潜艇英国个拥有核武器的国家英国的核力量全部为海基目前拥有战略导弹核潜导弹核潜艇4艘每艘可携带16枚三叉戟弹道核导弹每枚可携载14枚分弹头射程达12000公里?英国是世界上第三英国最新战略核潜艇警戒号法国?法国海军的战略导弹核潜艇有三代第一代无畏级第二代不屈级第三代胜利级
第3章 海洋中的声传播理论
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
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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
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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
水声学原理
e
jk
r r
dS
2
r r
S
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轴线上声压变化
注意：轴线声压随距离起伏变化，呈现很强的相干效应。
远场声压
pr
,
, t
j
k0cu a a 2
2r
2
J1 ka sin
kasin
e
j
t
kr
注意：活塞远场声压与球面 波一样与距离成反比，声场 具有方向性。
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方向性因子和方向性指数
R
k
2a2
1
2 J1 2k
2k a
a
1
DI T
20 lgka
20
lg
2a
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4、声波的接收方向特性
接收方向性函数
定义：设离接收系统参考中心的远场处球面上有一点源， 接收系统的输出电压V与接收中心的方位有关，则接收 系统方向性函数为：
L
3dB
2 arcsin 0.42
L
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注意：连续直线阵永远不会出现栅瓣。
方向性因子：
R
2
D 2 cosd
2
kL 2sin kL 4 cos kL
0
kL kL
kL3
R 2L
和方向性函数： DI T
10 lg 2L
-3dB束宽：由主极大的幅值下降0.707倍处两边的夹角 或半功率辐射点之间的夹角。
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
水声学原理
水声学原理是研究声波在水中传播和声学现象的学科。
在水中，声波的传播速度较大气中要快约1500米/秒。
这是因为水的密
度和弹性模量高于空气，因此声波在水中的传播速度更快。
另外，水声学研究还探究音频信号在水中反射、折射、散射和吸收等现象。
声波在水中的传播遵循一些基本的原理。
当声源产生声波时，波源会向外释放能量，并使水质点发生膨胀和压缩，形成一个声压波。
这个声压波以固定的速度传播，并遵循波动方程。
根据波长和频率的关系，可以得出声波在水中的传播速度。
声波在水中传播时，会遇到不同的介质界面，如水面、海底和不同密度的水层。
当声波遇到界面时，会发生反射、折射和散射等现象。
反射是指波向原来的方向反弹回去，折射是指波在入射介质和出射介质之间发生偏折，散射是指波在遇到界面或障碍物时发生的辐射改变方向的现象。
这些现象对声波的传播方向和强度会产生影响。
在水声学中，还研究声波在水中的吸收现象。
水分子对声波会吸收部分能量，并将其转化为热能。
声波的频率越高，吸收现象越明显。
这种吸收现象是水中声能衰减的主要原因之一。
水声学原理的研究对于海洋声学、声纳技术、水下通信等领域都具有重要的应用价值。
通过深入理解和探索水声学原理，可以改进和优化水下声波传播系统，提高其性能和效率。
水声学原理
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在讨论分贝运算法则前先要搞清楚声场的叠加原则。因为声压场是标量 场，具有可加性。但是，它又是一个波动场，既有振幅又有相位。
相干叠加：当两个以上的有规声波叠加时要同时计及振幅和相位，若是同 频率的声波叠加会发生干涉现象。若是频率相差不多的两个声波叠加会发 生“拍”。这些情况称为相干p p0
10 log f 1Hz
参考值应该理解为：1 Pa/ 1Hz
在声学测量中用到两种滤波器： 恒定带宽滤波器：低频时分析太粗，高频分析太细，无法兼顾。
恒定百分比或Q滤波器：用的多，人耳听觉模型是其的组合。声学中的恒定 百分比滤波器称为倍频程滤波器。
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
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 第一次世界大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。
9
声压、声强和声功率用级和分贝（dB）来量度。他们是：
声压级： 声强级： 声功率级：
L p 20 log( p p0 ) dB LI 10 log(I I0 ) dB LW 10 log(W W0 ) dB
《水声学》部分习题答案
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，
rR<rn，所以混响是主要干扰。
声信号级
回声信号级
混响掩蔽级
噪声掩蔽级
rR rn
距离r
6 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
水声工程学院
8
水声学课程组
哈尔滨工程大学国家级精品课程——《水声学习题集参考答案》
解：早晨时声呐作用距离远，因为此时可能存在表面声道，而下午一般不会形成 表面声道。即使不出现表面声道时，早晨的负梯度也小于下午的负梯度，所以早 晨的作用距离远于下午，这就是下午效应。 9 画出深海声道声速分布，应用射线理论说明声波在深海声道中远距离传播的
7
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第 4 章 典型传播条件下的声场
1 邻近海面的水下点源声场中的声压振幅随距离变化具有哪些规律？ 2 表面声道的混合层中的声线传播具有那些特点？ 3 什么是反转深度？什么是临界声线和跨度？ 4 什么是会聚区和声影区？二者之间声强大小如何？会聚增益是如何定义的？
声线曲率半径 R = c0 ，所以水平传播距离 g
x = R 2 − (R − d )2 = 2Rd − d 2
水声工程学院
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一般情况下，声速垂直梯度 g 为远小于 1 的量 所以曲率半径较水深大得多 x ≈ 2Rd = (2c0d / g)1/ 2
解：1）声速绝对梯度 g = dc = 1500 −1450 = −0.5s −1
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。
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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水声学原理：第3章 水下目标的回波特性
cosn , rdS,
n 1, 2, ,3, N
当目标比波长大很多时，相邻两波带的 cosn , r r 变化不大， 面积相差也不大。第 个波n 带产生的散射波的绝对值等于 相邻两个波带散射声压绝对值的平均：
哈尔滨工程大学 硕士学位课程
n 12水声学n原1 理 n1
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3.2 目标反射问题
3.2 目标反射问题
• 弹性体散射的一般情况
– 蠕波 • 当源信号是很窄的脉冲、正入射到柱形或球形目标 上时，可以收到很多个振幅递减的周期结构的回波， 这种现象是由蠕波引起。 • 这类表面波被激励后，能部分地或整圈整圈地绕散 射体转，传播时又以一临界角不断向周围介质辐射 能量而指数衰减。 • 回波周期间隔正好等于蠕波绕柱或球一周所需时间。
• 惠更斯积分与菲涅尔带方法
散射场：
散
1
1 2
1
3 3
1 2
3
5
1 2
1
1N1N
结论：总的散射声场等于第一个和最后一个菲涅尔带所产
生的散射场之和的一半。
当目标尺寸很大时，最后一个菲涅尔带的 cosn , r 0，第一
个菲涅尔带的 cosn , r 1 ，总散射场的积分化为：
散
iA
2
S1
– 一般金属的声阻抗与水的声阻抗相差并不悬殊，不能 像在空气中那样看成刚性体
– 对于刚性体，当物体的尺寸远大于水中声波的波长时， 散射强度在远场几乎不随频率变化
– 对于水中的金属反射体，长脉冲的波形畸变很大，散
射强度随频率急剧变化，达到30dB；短脉冲由一系列
分开的脉冲所组成，波形畸变不大，随频率变化也不
哈尔滨工程大学
水声学原理
12
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
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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
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• 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
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• 人们关心的海底参数
– 声速（反演）
• Pierson-Moskowitz谱（P-M谱）
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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
第3章海洋中的声传播理论ppt课件
N
H c0
1 2
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
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硬底均匀浅海声场
截止频率
解释：
pn
r
,
z
j
2 H
2
声能量：声线束所携带的能量为波传播的声能量。
射线声学不代表波动方程的精确解，它是代表在一 定条件限制下波动方程的近似解。
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射线声学的基本方程
沿任意方向传播的平面波
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硬底均匀浅海声场
临界频率：最高阶非衰减简正波的传播频率
N
N
1 c0
2 H
fN
N
1 c0 2 2H
注意：当声源激发频率 N 时，波导中不存
在第N阶及以上各阶简正波的传播
截止频率：简正波在波导中无衰减传播的最低临界
频率
1
c0
2H
f1
c0 4H
注意：当声源频率 1 时，所有各阶简正波均
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液态海底均匀浅海声场（不作要求）
传播损失
TL 10lg r 10lg
H
2 1 c1 c2 2
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第3章 海洋中的声传播理论
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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 BathyThermograph
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声速分布分类
右图为表面声道声速分布， 特点： •在某一深度处有一声 速极大值。 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， 第二类 在层内形成正声速梯度 表面声道声速分布 分布
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海中声速的基本结构
Caution： 在主跃变层 和深海等温 层之间，有 一声速极小 值—声道轴
典型深海声速剖面
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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。
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）
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1．海水中的声速
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：Βιβλιοθήκη 2006年海上实验11
海洋中的声速变化
海洋中声速的垂直分层性质
c x , y , z c z
声速梯度
dc gc aT gT aS g S aP g P dz
1. 温度变化1度，声速变化约4m/s
2. 盐度变化1‰ ，声速变化约1m/s
3. 压力变化1个大气压，声速变化约0.2m/s
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浅海温度剖面
浅海温度剖面分布具有明显的季节特征：
•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。
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海水温度的起伏变化
c
1
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 Temperature、Salinity、Pressure的函数。
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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总结得到的。 Caution： 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。
温度起伏的原因多种多样： 湍流 海面波浪 涡旋 内波等因素 ——声传播起伏的原因之一
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声速分布分类（分成四类 ）
右图为深海声道典型声 速分布，特点： •在某一深度处有一 声速最小值。 •两图不同之处： •图（a）表面声速小 第一类 深海声道声速分布 于海底声速； •图（b）表面声速大 于海底声速。
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温度的季节变化、日变化和纬度变化
季节变化 近百慕大海区温度随月份的变化情况
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温度日变化和纬度变化
说明：温度的季节变化和日变化主要发生在海洋上层
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乌德公式
c 1450 4.21T 0.037T 2 1.14S 35 0.175P
式中，压力P单位是大气压
1atm 1.013 10 N / m
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College of Underwater Acoustic Engineering 2001年中美联合亚洲海水声实验
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2002年海上实验
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第三章 海洋的声学特性
第五讲 海洋声学参数及传播损失
第二章知识要点
介质的特性阻抗与声阻抗率
平面波 球面波 柱面波
发生全透射的条件、特点 发生全反射的条件、特点 发生全内反射的条件、特点 等间距均匀点源离散直线阵的方向性函数
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主瓣、栅瓣、旁瓣的位置 主极大、副极大、次极大、零点的位置 方向锐角或波束宽度、-3dB波束宽度 波束宽度与基阵孔径、声波频率的关系
可逆换能器阵的发射方向性与接收方向性关系
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本讲主要内容