水声学基础43资料
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。
声学基础知识(整理)(完整资料).doc
【最新整理，下载后即可编辑】噪声产生原因空气动力噪声由气体振动而产生。
气体的压力产生突变，会产生涡流扰动，从而引起噪声。
如空气压缩机、电风扇的噪声。
机械噪声由固体振动产生。
金属板、齿轮、轴承等，在设备运行时受到撞击、摩擦及各种突变机械力的作用，会产生振动，再通过空气传播，形成噪声。
液体流动噪声液体流动过程中，由于液体内部的摩擦、液体与管壁的摩擦、或者流体的冲击，会引起流体和管壁的振动，并引起噪声。
电磁噪声各种电器设备，由于交变电磁力的作用，引起铁芯和绕组线圈的振动，引起的噪声通常叫做交流声。
燃烧噪声燃料燃烧时，向周围的空气介质传递了热量，使它的温度和压力产生变化，形成湍流和振动，产生噪声。
声波和声速声波质点或物体在弹性媒质中振动，产生机械波向四周传播，就形成声波（声波是纵波）。
可听声波的频率为20～20000Hz,高于20KHz 的属超声波，低于20Hz 的属次声波。
点声源附近的声波为球面波，离声源足够远处的声波视为平面波，特殊情况（线声源）可形成柱面波。
声频( f )声速( c )和波长( λ )λ= c / f声速与媒质材料和环境有关：空气中，c =331.6+0.6t 或t c +=27305.20 (m /s)在水中声速约为1500 m /s t —摄氏温度传播方向上单位长度的波长数，等于波长的倒数，即1/λ。
有时也规定2π/λ为波数，用符号K 表示。
质点速度质点因声音通过而引起的相对于整个媒质的振动速度。
声波传播不是把质点传走而是把它的振动能量传走。
声场有声波存在的区域称为声场。
声场大致可以分为自由场、扩散场（混响场）、半扩散场（半自由场）。
自由场在均匀各向同性的媒质中，边界影响可忽略不计的声场称为自由场。
在自由场中任何一点，只有直达声，没有反射声。
消声室是人为的自由场，是由吸声材料和吸声结构做成的密闭空间，静谧无风的高空或旷野可近似为自由场。
扩散场声能量均匀分布，并在各个传播方向作无规则传播的声场，称为扩散场，或混响场。
声学基础知识(整理教案资料
声学基础知识(整理教案资料一、教学内容本节课我们将学习声学基础知识，内容涉及《物理》教材第二章第二节“声音的产生与传播”，详细内容包括声音的基本特性、声音的传播条件、声音的反射与吸收现象。
二、教学目标1. 让学生掌握声音的基本特性，理解声音的产生与传播原理。
2. 培养学生运用声学知识解决实际问题的能力。
3. 激发学生对声学领域的兴趣，提高学生的科学素养。
三、教学难点与重点教学难点：声音的传播条件、声音的反射与吸收现象。
教学重点：声音的基本特性、声音的产生与传播原理。
四、教具与学具准备教具：音响、麦克风、声源（如锣鼓等）、教学PPT。
学具：笔记本、教材、文具。
五、教学过程1. 导入：通过播放一段美妙的音乐，让学生感受声音的魅力，提问：“声音是如何产生的？又是如何传播到我们的耳朵里的呢？”2. 理论讲解：（1）声音的基本特性：音调、响度、音色。
（2）声音的产生：物体振动产生声音。
（3）声音的传播：声音通过介质（如空气、水等）传播。
3. 实践情景引入：现场演示音响、麦克风的使用，让学生观察声音的产生与传播过程。
4. 例题讲解：讲解一道关于声音传播的例题，引导学生运用所学知识解决问题。
5. 随堂练习：让学生完成教材上的练习题，巩固所学知识。
6. 互动环节：邀请学生上台演示声音的反射与吸收现象，如敲击锣鼓，观察声音在教室内的传播情况。
六、板书设计1. 声音的基本特性：音调、响度、音色。
2. 声音的产生：物体振动。
3. 声音的传播：介质传播。
4. 声音的反射与吸收。
七、作业设计1. 作业题目：教材第二章第二节课后习题。
答案：课后习题答案。
2. 拓展作业：让学生收集生活中关于声学应用的实例，如回声定位、超声清洗等。
八、课后反思及拓展延伸本节课通过理论讲解、实践演示、互动环节等方式，帮助学生掌握了声学基础知识。
课后，教师应关注学生对知识的巩固与运用，及时解答学生的疑问。
在拓展延伸方面，可以引导学生关注声学领域的前沿动态，提高学生的科学素养。
水声学声学基础声波的辐射和接收
我们探索了降低声波传播损失的方法，例如采用新型声学材料和优化声 波传播路径，这有助于提高声波探测和通信的距离和可靠性。
未来研究方向与展望
复杂环境下的声波传播特性
未来的研究可以进一步探索声波在复杂环境下的传播特性，例如浑浊水、多径传播和声波 散射等，以提高声波探测和通信的鲁棒性。
声波与物质的相互作用
声衰减
传播路径
声波在传播过程中可能会遇到障碍物、 界面和不同介质，导致反射、折射和 散射等现象。这些因素会影响声波的 传播路径和强度。
声波在传播过程中会逐渐减弱，这是 由于声能转化为热能、散射和吸收等 能量损失。
04
声波的接收
接收器类型与特性
压电式接收器
利用压电材料的压电效应将声波 转换为电信号，具有较高的灵敏
研究成果总结
01
声波辐射和接收机制的深入理解
通过对声波在水中的辐射和接收过程的深入研究，我们获得了对声波传
播机制的更深入理解，这有助于优化声波探测和通信系统。
02 03
声波传播特性的测量和模拟
通过实验和数值模拟，我们测量了声波在不同条件下的传播特性，包括 温度、盐度、压力和流速的影响。这些结果为声波传播模型的改进提供 了重要依据。
深度测量
通过声波传播时间测量水深，为海洋科学研究提 供基础数据。
定位系统
利用声波传播速度和时间差，实现水下定位和导 航。
海洋环境监测
海洋地质勘查
01
通过声波探测海底地形地貌、地质构造等信息。
海洋生态监测
02
利用声学方法监测水下生物活动、分布和数量，评估海洋生态
系统健康状况。
海洋气象监测
03
通过声波传播速度和频率变化，监测海流、温度、盐度等海洋
声学基础知识(整理教案资料
声学基础知识(整理教案资料一、教学内容本节课我们将探讨声学基础知识，内容涉及《物理》教材第四章第一节“声音的产生与传播”。
详细内容包括声音的产生原理、声波传播的条件、声音的三个特性（音调、响度、音色）以及声音的反射、折射和衍射现象。
二、教学目标1. 理解声音的产生和传播原理，掌握声波的基本特性。
2. 学会区分声音的音调、响度和音色，并能运用相关知识解释生活中的声现象。
3. 掌握声音的反射、折射和衍射现象，提高分析问题的能力。
三、教学难点与重点难点：声音的反射、折射和衍射现象的理解和应用。
重点：声音的产生原理、声波传播的条件以及声音的三个特性。
四、教具与学具准备教具：音响、话筒、吉他、橡皮筋、尺子、多媒体设备。
学具：笔记本、铅笔、直尺、三角板。
五、教学过程1. 实践情景引入：播放吉他演奏视频，引导学生思考声音是如何产生的。
2. 知识讲解：（1）声音的产生原理：振动产生声音，如吉他弦振动产生声音。
（2）声波传播的条件：需要介质，如空气、水等。
（3）声音的三个特性：音调（频率高低）、响度（声音大小）、音色（声音品质）。
3. 例题讲解：（1）如何判断声音的音调高低？（2）声音在空气中的传播速度是多少？4. 随堂练习：分析教室内的声音特性，如粉笔写字的声音、风扇转动的声音等。
5. 知识拓展：声音的反射、折射和衍射现象。
六、板书设计1. 声音的产生与传播原理：振动产生声音条件：需要介质2. 声音的三个特性音调响度音色3. 声音的反射、折射和衍射现象七、作业设计1. 作业题目：（1）简述声音的产生原理及声波传播的条件。
（2）生活中有哪些例子可以说明声音的三个特性？（3）分析声音在教室内的传播现象，如回声、声音的衍射等。
2. 答案：（1）声音由振动产生，声波传播需要介质。
（2）如：不同乐器的音色不同；离音源近的声音响度大，离音源远的声音响度小；频率高低决定音调高低。
（3）回声：在教室内的声音遇到墙壁反射回来；声音的衍射：声音遇到障碍物边缘时，发生弯曲现象。
公共基础知识声学基础知识概述
《声学基础知识概述》一、引言声学是一门研究声波的产生、传播、接收和效应的科学。
从我们日常的言语交流到音乐演奏，从医学超声诊断到建筑声学设计，从水下声呐探测到航空航天领域的噪声控制，声学无处不在。
它不仅在科学研究中具有重要地位，也在工程技术、医学、艺术等领域发挥着关键作用。
本文将对声学基础知识进行全面的概述，包括基本概念、核心理论、发展历程、重要实践以及未来趋势。
二、声学的基本概念1. 声波的定义与性质声波是一种机械波，是由物体的振动产生的。
它通过介质（如空气、水、固体等）传播，引起介质分子的振动。
声波具有以下主要性质：（1）频率：指声波每秒振动的次数，单位为赫兹（Hz）。
人耳能够听到的声音频率范围大约在 20Hz 到 20kHz 之间。
（2）波长：指声波在一个周期内传播的距离。
波长与频率和波速之间的关系为：波长=波速/频率。
（3）波速：声波在不同介质中的传播速度不同。
在空气中，声速约为 343 米/秒；在水中，声速约为 1480 米/秒；在固体中，声速则更高。
（4）振幅：表示声波的强度，即介质分子振动的幅度。
振幅越大，声音越响亮。
2. 声音的三要素声音的三要素是音调、响度和音色。
（1）音调：由声音的频率决定，频率越高，音调越高。
例如，女高音的音调比男低音高。
（2）响度：与声音的振幅和距离有关，振幅越大、距离越近，响度越大。
通常用分贝（dB）来表示声音的响度。
（3）音色：也称为音品，是由声音的波形决定的。
不同的发声体发出的声音具有不同的音色，这使得我们能够区分不同的乐器和人的声音。
3. 噪声与乐音噪声是指那些杂乱无章、令人厌烦的声音。
噪声的来源广泛，如交通噪声、工业噪声、建筑施工噪声等。
噪声对人的身心健康会产生不良影响，如引起听力损伤、心理压力等。
乐音则是有规律、悦耳动听的声音，如音乐演奏中的声音。
三、声学的核心理论1. 波动方程波动方程是描述声波传播的基本方程。
对于一维情况，波动方程可以表示为：$\frac{\partial^{2}u}{\partialt^{2}}=c^{2}\frac{\partial^{2}u}{\partial x^{2}}$ 其中，$u$表示介质的位移，$t$表示时间，$x$表示空间坐标，$c$表示波速。
声学基础知识(整理教案资料
声学基础知识(整理教案资料一、教学内容本节课的教学内容来自于人教版初中物理教材第八年级下册第十章“声现象”中的第一节“声音的产生与传播”。
具体内容包括：1. 声音的产生：声音是由物体的振动产生的，一切正在发声的物体都在振动。
2. 声音的传播：声音的传播需要介质，固体、液体、气体都可以传声，真空不能传声。
3. 声音的三个特征：音调、响度、音色。
4. 声音的单位：分贝（dB）。
二、教学目标1. 让学生了解声音的产生和传播条件，知道声音的三个特征及其影响因素。
2. 培养学生运用物理知识解决实际问题的能力。
3. 激发学生对声现象的兴趣，培养学生的观察能力和实验能力。
三、教学难点与重点1. 教学难点：声音的传播条件，声音的三个特征及其影响因素。
2. 教学重点：声音的产生和传播，声音的特征。
四、教具与学具准备1. 教具：电脑、投影仪、音箱、实验器材。
2. 学具：课本、笔记本、笔。
五、教学过程1. 导入：通过播放音乐，让学生感受声音的美妙，引出本节课的主题——声学基础知识。
2. 新课导入：介绍声音的产生和传播条件，讲解声音的三个特征。
3. 实验演示：振动产生声音，声音在空气中的传播，声音在水中的传播。
4. 课堂讲解：详细讲解声音的产生、传播和特征，结合实例进行分析。
5. 随堂练习：让学生回答有关声音的问题，巩固所学知识。
7. 课后作业：布置相关作业，巩固所学知识。
六、板书设计1. 声音的产生与传播声音的产生：振动声音的传播：介质（固体、液体、气体）2. 声音的三个特征音调：频率响度：振幅、距离音色：材料、结构七、作业设计1. 填空题：（1）声音是由________的振动产生的。
（2）声音的传播需要________，真空不能传声。
（3）音调的高低与________有关，响度与________有关。
2. 选择题：（2）把一个正在发声的闹钟放在玻璃瓶中，随着玻璃瓶中水的增多，闹钟的声音会________（A. 变大 B. 变小 C. 先变大后变小 D.先变小后变大）答案：1. （1）物体的振动（2）介质（3）频率、振幅2. （1）C （2）B八、课后反思及拓展延伸本节课通过实验和讲解，让学生了解了声音的产生和传播条件，掌握了声音的三个特征。
水声学-声学基础
， DIT
ID I ND
指向性声源的轴向声强：
ID DIT I ND DIT Pa / 4
声源级：
SL
10 log
Pa
10
log
1
4I 0
DI T
College of Underwater Acoustic Engineering
HEU
9
一、声学基础知识
声波：机械振动状态在介质中传播形成的一种波动形式 分类：
HEU
4
0、第一章思考题
1、取下列声压作为参考级，1微帕声压的大小 为： （10-5达因/厘米2 =1微帕）
取参考声压为1微帕时，其大小为 0dB ；
取参考声压为0.0002达因/厘米2 时，其大小 为 -26dB ；
取参考声压为1达因/厘米2 时，其大小 为 -100dB ；
College of Underwater Acoustic Engineering
在介质2中：
pr
1c1
2c2
o
x
p2 Pt eitk2x
u2
Pt
2c2
e i t k2 x
College of Underwater Acoustic Engineering
HEU
26
六、平面波在界面上的反射和折射
6.1 垂直入射
边界条件
界面上声压连续： p1 x , t x0 p2 x , t x0
HEU
10
一、声学基础知识
声速：振动在介质中传播有时间滞后，即声波在介质中传 播有一定速度，称为声速
声场：声波所及的区域
声压：由于声波扰动引起介质质点压强的变化，这种变化
量称为声压： p P P0
回声测深仪 第一节 水声学基础
温度、含盐量和静压力等因素变化与声速 的关系如下表：
第一节 水声基础知识
二、声波在海水中传播速度
海水的物理状态变化量 声速平均增加量（m/s）
温度增加1℃ 含盐量增加1‰ 静压力增加110-4Pa（水深增加100m）
3.3 1.5 3.3
船用水声仪器通常以1500m/s为标准设计声 速。
第一节 水声基础知识
第一节 水声学基础
振动与波；声波在水中的传播速度。 声波的反射与折射；声波的透射与散射； 声波的传播损耗等。
第一节 水声基础知识
一、声波 1.声源：振动的物体。 2.传播媒介：弹性介质。 3.声波的频率：声源物体振动频率。
第一节 水声基础知识
一、声波
4.声波的分类：
次声波：声源频率低于20Hz； 可闻声波：声源频率介于20Hz20kHz； 超声波：声源频率高于20kHz。
三、水中声的传播
1.传播特性 折射：不同海层物理特性不同引起声线 产生弯曲。 反射：两种物理特性截然不同的表面出 现方向相反的运动。 散射：各种物体的反射总体现象。
第一节 水声基础知识
三、水中声的传播
2.传播损耗 扩散损耗 衰减损耗
第一节 水声基础知识
三、水中声的传播
3.海底底质对反射的影响 岩石，礁板 平底硬沙 石砾，碎石 淤泥
第一节 水声基础知识
二、声波在海水中传播速度 声速只取决于介质的物理常数，而与介 质的振动频率无关。
c E
1 K
式中：E为介质的弹性系数； K介质的压缩系数； 为介质的密度.
第一节 水声基础知识
二、声波在海水中传播速度 实际中，海水中的物理常数并不是常值， 将随温度、含盐量和静压力等节 水声基础知识
海洋技术专业声学基础知识点总结
海洋技术专业声学基础知识点总结示例文章篇一：《海洋技术专业声学基础知识点总结》嘿，大家好呀！今天我想和大家聊聊海洋技术专业里超级有趣的声学基础知识点。
我呀，就像一个在知识海洋里探险的小水手，在这个声学的小岛上发现了好多宝藏呢。
声学在海洋技术里那可是相当重要的。
就好比在一个超级大的黑暗森林里，声学就是我们的眼睛和耳朵。
海洋那么大，又那么深，黑乎乎的海底世界，要是没有声学，我们就像盲人摸象一样，啥都搞不清楚。
咱们先来说说声音在海洋里是怎么传播的吧。
声音在海洋里传播就像小水滴在荷叶上滚动一样，不过要复杂得多。
海水可不是均匀的，它有温度、盐度还有压力的变化。
这些变化就像路上的小石子，会让声音这个小皮球弹来弹去。
比如说，温度高的海水，声音跑起来就像小兔子一样快；温度低的呢，声音就慢悠悠的，像个小蜗牛。
盐度也会影响声音传播的速度，就像不同的赛道对小赛车的速度有影响一样。
压力也来捣乱，越深的地方压力越大，声音传播速度又不一样啦。
在海洋里，还有一种很神奇的现象叫声道轴。
这就像海洋里的一条秘密通道。
在这个声道轴附近，声音可以传播得特别远。
我就想啊，这声道轴是不是海洋给声音开的一条特殊的高速公路呢？在这条高速公路上，声音就可以欢快地奔跑，把信息带到很远很远的地方。
然后咱们再讲讲海洋里的那些声学设备。
有一个很厉害的东西叫水听器。
水听器就像是海洋的小耳朵，它静静地待在海里，专门听那些声音的小秘密。
我想象水听器就像一个超级灵敏的小侦探，任何一点声音都逃不过它的耳朵。
比如说鲸鱼唱歌的声音，海豚互相聊天的声音，还有那些神秘的海底火山爆发的声音，水听器都能把它们捕捉到。
还有声呐呢，声呐可就更酷了。
它就像海洋里的手电筒，不过这个手电筒不是照亮黑暗，而是用声音来探测周围的东西。
声呐发射出声音，然后等着声音碰到东西反射回来。
就像我们在一个黑暗的大房间里，扔出一个小皮球，然后根据小皮球弹回来的方向和时间，就能知道房间里有什么东西啦。
有一次我在书上看到，科学家们用声呐发现了一艘超级古老的沉船，哇，那一刻我觉得声呐就像一个魔法棒，一下子把隐藏在海底的宝藏给找出来了。
水声学基础第一章
14
2.2 水声学基本内涵
水声学是围绕水声技术、水声对抗技术和水声工程 的基本需求来开展科学研究的 – 水声技术
利用声波作为信息载体来实现水下探测、定位、导航 和通信的原理与方法
– 水声对抗技术
在军事上，对抗水下声探测、定位、导航和通信的技 术措施与手段
– 水声工程
水声技术和对抗技术的工程目标实现
i.e.
2017/3/28
c(T, p, S) = fl = 1500 m/s
21
Speed of Sound in Water
Medium Effects: Elasticity and Density
Variable Effects of: Salinity
Salinity
Pressure
– 因此…
SPL = 20 log ( P / 1 mPa )
2017/3/28 8
小测验
两个噪声源的声压级均为 60 dB. 两个噪声源共同辐射噪声的声压级是 多少? 60 + 60 = 120 ……… 对吗 …??
错!
60dB + 60dB = 63dB 具体如下…
2017/3/28 9
Combining Sound Pressure Levels (SPL) 两个相同的噪声源
水声学是本专业主要特色课程之一
教材：
刘伯胜、雷家煜，水声学原理，哈尔滨工程大学出 版社，2009.
主要参考资料：
R. J.尤立克著，洪申译，水声原理，哈尔滨船舶工程学院 出版社，1989. 汪德昭、尚尔昌，水声学（第二版），科学出版社，2013. P.C. Etter, Underwater acoustic modeling and
水声学基础PPT课件
2.2 海水中的声吸收
3、非均匀液体中的声衰 减一般海水含有各种杂质，如气泡、浮游生物、悬浮
粒子以及湍流形成温度不均匀区域等，它将增加海水
的声传播损失。 含有气泡群的海水具有非常高的声吸收：
第22页/共92页
2.1 海水中的声速
声速描述 在水声学中，经常将声速表示成为确定性的声速垂
直分布与随机不均匀声速起伏的线性组合：
c cz c
第23页/共92页
2.1 海水中的声速
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
小值。
c0 c
Zm
Z
Z
第24页/共92页
c0 c
k
实际吸收系数的测量值远大于经典吸收系数理论
值，两者差值称为超吸收。Why?
第37页/共92页
2.2 海水中的声吸收
2、纯水和海水的超吸收
纯水超吸收
1947年，Hall提出 水的结构弛豫理论，成 功解释了水介质的超吸 收原因。 •曲线A—Hall理论计算 •曲线B—经典声吸收
第38页/共92页
在主跃变层（负）和深 海等温层（正）之间， 有一声速极小值。
第15页/共92页
2.1 海水中的声速 请解释一下深海声速梯度分布？
第16页/共92页
2.1 海水中的声速
海洋中声速的基本结构 温度的季节变化、日变化和纬度变化： （1）季节变化：
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。季节变用表面声道和深海声道，柱面波传播 ，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。 TL 10lgr
水声学原理第四章ppt课件
声速分布分类
深海声道典型声速分布 表面声道声速分布 反声道声速分布 常见浅海声速分布
声波传播强度衰减的原因
几何扩展 吸收 散射
College of Underwater Acoustic Engineering
1
扩展损失的一般形式
均匀介质的声吸收类型
切变粘滞吸收 热传导吸收 弛豫吸收
液态海底或同一种介质内部密度或声速发生突变
p p
s0
s0
1
p n
s0
1
p n
s0
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”
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
College of Underwater Acoustic Engineering
2 p k 2x , y , zp 0
介质中有外力 F 作用
1）密度不等于常数 2 K 2x , y , z F /
2）密度等于常数
2 k2x , y , z F /
2 p k 2 x , y , zp F
说明：上述赫姆霍茨方程是变系数的偏微分
方程——泛定方程
College of Underwater Acoustic Engineering
17
根据正交归一化条件 ：
H
0
Zm
z
Zn
z
dz
1
An 2 H
硬底均匀浅海本征函数 ：Zn z
方程②的解：
2 H
sin kznz
Rn
r
jZ
n
水声学
• 陆地上的信息获取：
•光 •声 • 无线电
• 电磁波是最有效的信息载体
• 探测——雷达 • 导航与定位——GPS • 通信——有线、无线、卫星通信
水下的探测、定位与导航、通 信
• 声波是唯一能在海洋中远距离传输信息 的信息载体
• 声波的衰减 1分贝/公里，10kHz 频率， （声波的衰减与频率的平方成正比），利用 海洋中的波导效应，声波可以传播的更远。 • 电磁波的衰减 4500分贝/公里（每米能量 衰减百分之九十），所以海洋中是漆黑的， 即使蓝绿激光，能穿透的距离也只有百米量 级，并且是水质清澈条件下。
（2005年摄）青岛海边
历史故事
• 泰坦尼克号
历史故事
大西洋潜艇战役片断
大西洋潜艇战役片断
大西洋潜艇战役片断
大西洋潜艇战役片断
一、 水声学的基本内涵
• 海洋是人类生命的摇篮
• 生命的源泉，生命的起源，科学探索，深海生命现象
• 海洋是人类赖以生存的宝库
• 海洋资源之多少？几乎人类生存所需要的一切资源，食品、 能源、矿物、金属、石油、天然气….. • 探测？勘探方法？开采？
• 水声学的早期研究可以追溯很遥远，因 为水声学毕竟是声学的一个重要分支
• 水声学的诞生需要许多条件，一是需求， 二是基础。
• 水声学发展史上的著名事件
• 海洋探测和海军的需求是水声学发展的两大 基本推动力
• 1490年，达.芬奇 摘记中提出用长 管听远处航船 • 1827年，瑞士物 理学家 D.Colladon和法 国数学家C.Sturm 合作，在日内瓦 湖测量了水中的 声速。
• 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 被潜艇击沉的潜艇80艘 在第二次世界大战中，德国“U-47”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
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3、均匀浅海声场
平均声强：
I
r
,
z
4 r
cos
D
1 1
Ed sin
1
I r , z 4 e2r r
V1
h
V2
s
2r
D
cos
0d
0
D 0 sin
3、均匀浅海声场
（1）硬底、声速均匀浅海
声速均匀
H
60
kL
（3）远距离r>8R
浅海衰减系数dB/km
TL
10 lg
r
r
T
r H
1 10 lg
H
64.5 kL
3、均匀浅海声场
•浅海声场的虚源表示
射线理论：将海面和海底的反射声线视为由各自的虚 源发出的声线，虚源数目与考虑的声线反射次数有关， 数目趋于无穷，则求得浅海总声场。
（1）硬底均匀浅海 假设浅海声速均匀层深为H，海面为平整自由界面，
2
I r , z
e
2
r
r
3 2
H
3/2次方 规律衰减
3、均匀浅海声场
（3）3/2次方衰减率的适用距离
掠射角 0的最大有效值量级为：
2 n
m
H
r
1
2
m m
传播简正波的总数：
fn
c 2H
n
1 2
n
2H
00
m m 2H 2
00
3、均匀浅海声场
（3）3/2次方衰减率的适用距离
根据计算平均声强的要求： m 1
kH2 4
20
2
32H 3
r lg e
3、均匀浅海声场
•传播损失
海水深度m
混合层厚度m
半经验公式 距离参数km
1
R
1 3
H
L
2
（1）近距离r<R TL 20 lg r r 60 kL 近场异常衰减dB
（2）中等距离R<r<8R
海水吸收系数dB/km
TL
15 lg r
r
T
r H
1 5lg
2、深海负跃层
• 特点
声速显著减小的水层。声线通过负跃层时，声线明 显弯曲，声强减弱，对声纳作用距离影响很大。
•声道模型
负跃层上方介质声速为 c1 ，下方介质声速为 c2 ， 且 c1 c2 ，负跃层较薄。
2、深海负跃层
声线经过负跃层折射后，波阵面展宽，声强减弱。
设声源位于层上方 H1，
c1
r
则可求得传播至层下方 H2 水平距离r：
H1
0
r
r1
r2
H1
tg 0
H2
tg
c2
r1
H2
r
z
r2
r
0
H1
sin2 0
H2c2 sin 0 c1 sin3
2、深海负跃层
设声源单位立体角的辐射功率为W，则射线声学声
强公式为：
I
W cos 2 0
r 2
r1 sin r sin 0
r2 sin 0 r sin
最大距离满足：
rm
16H 3
22
r H 1
H
rm
H
rm
16H 3
22
3、均匀浅海声场
（4）r rm 时声强衰减率规律
此时仅有一阶简正波对声场有贡献，利用声场的 简正波解可导出声强的衰减规律。经数学推导：
I r
,
z
4 kH2r
e 2 r
exp
2
16H
3
r
若考虑海面反射损失，则有：
ln V1
1、深海负梯度
• 几何作用距离
从声源到观察点深度影区边缘的水平距离。
设声速分布的相对声速梯度为a，则几何作用距离：
D r1 r2
1 2 a
1 a
z1
2
1 2 1 z 2 a a
r1
2z1 a
r2
2z a
D 2z1 2z a
通常声影区不存 在通常意义上的 声线，可引入衍 射声线概念。
3、均匀浅海声场
（2）海底有吸收的均匀浅海
考虑海底声吸收，海底声速为复数，则可求得：
2 Re
m
平均声强：
n2 1
可由试验 数据求得
I r , z 2 e2r rH
r0
e Hctg0 d 0
I r , z 2 e2r rH
r
2 0
e H d0
r H 1
ey2 dy
0
海底为平整硬界面。
3、均匀浅海声场
（1）硬底均匀浅海
点源 O01 位于坐标 0 , z0 处， 观察点位于坐标r , z 处，归
一化的直达波声压：
P R011e jkR01
R01 r 2 z z0 2
海底一次反射声线，它由虚源 O02发射声线，与直达声叠加：
0 s h
绝对反射
V1 1 V2 1
声线跨度： D 2Hctgs
平均声强： I r , z e2r
rH
3、均匀浅海声场
（2）海底有吸收的均匀浅海 海底反射系数：
msin n2 cos 2
V1
msin
n2 cos 2
V1 h eh e0
ln
V1
0
海底三参数模型中的Q
若接收点位于负跃层的下方邻近：
r2 0 r r1
I下
W
cos 2 r2
0
sin 0 sin
若接收点位于负跃层的上方邻近，声线未形成折射：
r2 0 r r1 0
I上
W
cos 2 r2
0
2、深海负跃层
经跃变层的传播损失为：
TL 10 lg I上 10 lg sin
I下
sin 0
c1 c2 sin 0 sin
•浅海声场
直达声和海底、海面反射声叠加，比深海声场复 杂。
3、均匀浅海声场
•浅海平均声强
声线经过多次海面、海底反射，考虑海面、海底反
射引入的损失，同时也计入海水介质声吸收，引入衰
减因子：
E V1h V2 s 2N e2r
为海水介质的吸收系数；
N 为声线对海底或海面的反射次数，对于远距离传播，
ln
V2
0
3、均匀浅海声场
•传播损失
声强随距离衰减平均规律
（1）球面扩展 r H
TL 20lg r
（2）3/2次方衰减率＋介质吸收
H
r
16 H 3
22
TL 15lg r 5lg H 20r lg e
（3）柱面扩展＋介质吸收＋界面吸收
r 16 H 3ห้องสมุดไป่ตู้
22
TL
10lg r
10lg
TL 0
声波经过负跃层 引起声能损失
当 c2 c1 0.97（相当水温有10℃以上变化）时， 声源掠射角 0 2 ，则 TL 8.5dB；声源掠射
角 0 30 ，则 TL 0.35dB 。
3、均匀浅海声场
•浅海与深海的划分原则
海底对声传播影响的程度来划分；深海可忽略海 洋界面对声传播的影响；浅海的声传播明显受海面和 海底边界的影响。
深海负梯度、深海负跃层和浅海表面声道
1、深海负梯度
• 特点
从声源出发的声线向海底折射，不再反转回声源所 在的水平面上，与前面介绍的波导传播情况相反，故 称为反波导传播。
•存在一个与海面相
c
r
切的极限声线；
•在极限声线以内为 声亮区；
•在极限声线以外为
z1
r1
r2
z
声影区（直射声线
无法达到）。
z
1、深海负梯度