第1章与海洋声学有关的海洋特性汇总教学文案
海洋中的声音生态学
海洋中的声音生态学一、引言在海洋中，声音是一种重要的信息传递媒介。
海洋中存在着各种声音，例如海浪声、海洋生物的声音等。
这些声音不仅仅是美丽的自然景观，更是海洋生态系统的一部分。
本文将对海洋中的声音生态学进行探讨和阐述。
二、海洋中的声音1.海洋中的自然声音海洋中存在着一系列自然声音，如海浪声、潮汐声、海洋风声等。
这些声音源自于海洋的各种物理过程，例如风力作用、海水流动等。
这些自然声音不仅仅是海洋中的一种美丽景观，更承载着海洋生态系统的一系列信息。
2.海洋中的生物声音海洋中生物的声音也是海洋中声音生态学的重要组成部分。
很多海洋生物会通过声音来进行交流、求偶、寻找食物等行为。
例如，鲸鱼的歌声、鱼群的集体鸣叫、虾类的吱吱声等。
这些声音不仅给我们带来了海洋世界的美妙，更为科学家研究海洋生物行为提供了重要数据。
三、海洋中声音的影响1.生态系统影响海洋中声音的存在对于海洋生态系统具有重要影响。
例如，一些海洋生物依赖声音进行定位和导航，破坏声音环境可能会对其生存产生不利影响。
另外，某些鱼类在繁殖季节会发出特定的声音来吸引异性，如果声音被外界干扰，可能会影响繁殖成功率。
2.生物多样性影响声音是海洋中生物多样性的重要组成部分。
许多海洋物种具有独特的声音特征，通过声音可以辨别物种。
而当环境中的声音发生改变时，可能会导致物种的迁徙或消失，从而对生物多样性产生影响。
3.人类活动影响近年来，人类活动的加剧对海洋中声音生态学产生了一定的影响。
例如，船只的噪声、海洋工程的振动等都会对海洋中的声音环境产生破坏。
这可能对海洋生物的生存和繁殖产生负面影响，进一步影响整个海洋生态系统的稳定性。
四、保护海洋声音生态学保护海洋中的声音生态学对于维护海洋生态系统的健康至关重要。
以下是几点建议：1.加强监测研究：加强对海洋中声音环境的监测和研究，了解声音对于海洋生物和生态系统的重要性，推动相关保护措施的制定和执行。
2.限制人类活动：减少船只的噪声、海洋工程的振动等对海洋中声音环境产生干扰的人类活动，降低对海洋生物的影响。
水声学原理：第1章 与声学相关的海洋特性
1.1 声学介质—海洋
• 声速剖面
– 表面声信道 • 表面声道可以看作声道轴上移到水面，通常出现在 热带和温和区域（tropical and moderate zones）。
水声学原理
22
1.1 声学介质—海洋
• 声速剖面
– 表面声信道 • 在南极和北极地区、热带海区的地中海、秋季和冬 季的浅海，声速持续增大并非常靠近海底。 • 北冰洋典型声速剖面如下图所示。表面层较薄、声 速最低，声速梯度大，为
水声学原理
15
1.1 声学介质—海洋
• 声速剖面
– 深海声信道 • 黑海与波罗的海，有时声道轴之下声速的增加是由 于深层暖流所引起的温度随深度的升高。 • 如果声道轴以下介质的声速只受静压力控制，则该 声信道称为hydrostatical。 • 如果声道轴以下由于高盐度暖水团的出现导致声速 升高，则称该声信道为thermal。 • 典型的thermal水下声信道发生在波罗的海和黑海。
水声学原理
a (4 5) 10 5 m1
23
1.1 声学介质—海洋
• 声速剖面
– 双轴声信道 • 表面声道和深海声道同时存在时出现这种声道。 • 声线1保持在表面声道中传播；声线2主要在深海声 道中传播；
水声学原理
24
1.1 声学介质—海洋
• 声速剖面
– 双轴声信道 • 双轴声道可在葡萄牙半岛沿岸的北大西洋中观测到。 上面的声轴深度在450-500m，底下的声轴深度在 2000m。此声速分布的形成是由于地中海高盐暖水 团入侵至大西洋1200m深水层的缘故。
k~
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c
(1 ix)
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水声学原理
x ki / kr
《水声学》部分习题答案
《水声学习题集参考答案》水声工程学院水声学课程组编哈尔滨工程大学目录绪论 (1)第1章声学基础 (2)第2章海洋声学特性 (2)第3章海洋中的声传播理论 (3)第4章典型传播条件下的声场 (6)第5章声波在目标上的反射和散射 (10)第6章海洋中的混响 (14)第7章水下噪声 (17)第8章声传播起伏 (20)第9章声纳方程的应用 (20)绪 论1 略2 略3 略4 略5 环境噪声和海洋混响都是主动声呐的干扰，在实际工作中如何确定哪种干扰是主要的？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的曲线，如下图，然后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，还是噪声为主要干扰，如下图，r R <r n ，所以混响是主要干扰。
声信号级噪声掩蔽级R6 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，若工作频率为1000Hz ，干扰来自：风成噪声、海底混响、螺旋桨引起的自噪声及水动力噪声。
7 已知混响是某主动声呐的主要干扰，现将该声呐的声源级增加10dB ，问声呐作用距离能提高多少？又，在其余条件不变的情况下，将该声呐发射功率增加一倍，问作用距离如何变化。
（海水吸收不计，声呐工作于开阔水域） 解：对于受混响干扰的主动声呐，提高声源级并不能增加作用距离，因为此时信混比并不改变。
在声呐发射声功率增加一倍，其余条件不变的情况下，作用距离变为原距离的42倍，即R R 412 。
第1章声学基础1什么条件下发生海底全反射，此时反射系数有什么特点，说明其物理意义。
解：发生全反射的条件是：掠时角小于等于全反射临界角，界面下方介质的声速大于界面上方介质的声速。
发生全反射时，反射系数是复数，其模等于1，虚部和实部的比值给出相位跳变角的正切，即全反射时，会产生相位跳变。
第一章声在海洋中的应用
– 将多径中的时延（相移）看作随机的（非相 干）
– 使用简单 – 与许多实际测量结果相符 – 直到1975年更受欢迎
• 回归到确定性方法（1975年-今）
– 声呐具备了高分辨能力 – 大型基阵及最佳阵处理方法可控制对海洋的
探测角域 – 大的带宽可对信号进行短时窗相干处理 – 可将海洋的传播路径区分开
声音在水中比它在空 气中的传播速度几乎快 五倍！
• 空气中 – 电磁波： 3108 米/秒
– 声波： 340 米/秒
• 水中
– 声波： 1500 米/秒
• 典型地
– 作用距离： 1m — 20000km
– 工作频段： 1Hz — 1MHz
– 对应波长：1.5km — 1.5mm
海水对声音是“透明”的
– 高频、短程（与海深可比拟或更小） – 三维反平方律传播关系
• 低频声呐
– 适应远距离传播要求 – 三维问题变到二维（海洋边界） – 反平方律关系变为距离反比关系 – 距离无关声场模型广泛使用
分析方法
• 确定性方法
– 在短距离3D传播中相对简单 – 用于长距离2D传播较复杂
• 多径传播 • 时间延迟
• 信号处理设计、实现、显示不同
– 共同之处：
• 基阵构造 • 信号调理
• 海洋结构声学
– 研究内容
• 漂浮或悬浮结构的弹性波，及其与水中声波的相 互作用
– 困难及重要性
• 实际感兴趣的结构通常都相当大，并且几何结构 复杂，所以会含有各种弹性波类型在结构不连续 处相互作用，产生出非常复杂的总的弹性波场
SAX（Sediment Acoustics Experiment）
BOSS（Buried Object Scanning Sonar）
海洋的声学特性
一、海水中的声速
声速垂直分布分类 浅海常见声速分布：
c
特点：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
2020/
二、海水中的声吸收
1、传播损失概述
声波传播的强度衰减（传播损失）原因： （1）扩展损失（几何衰减）：声波波阵面在传播过程 中不断扩展引起的声强衰减。 （2）吸收损失：均匀介质的粘滞性、热传导性以及驰 豫过程引起的声强衰减。 （3）散射：介质的不均匀性引起声波散射和声强衰减。 包括：海洋中泥沙、气泡、浮游生物等悬浮粒子以及 介质本身不均匀性和海水界面对声波散射。
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 1.4 2 4 2 c T 9 c S c P c STP
上式适用范围：-3℃<T<30℃、33‰<S<37‰
1 .0 1 5 N 0 3 /m 2 1 个大 P 9 气 1 8 5 N 0 /m 2 压
2020/
二、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：
•热传导效应：气泡压缩、膨胀，内部温度升高，发生 热交换，声能转化为热能而消耗掉。 •粘滞性：海水对气泡压缩、膨胀的粘滞作用，也消耗 部分声能。 •声散射：气泡压缩、膨胀形成二次声辐射，对入射声 产生散射，使声能明显减小。
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。
水声学原理(第一章)
13
声学中不仅声学量用分贝表示，它们的误差范围也用误差表示， 声学中不仅声学量用分贝表示，它们的误差范围也用误差表示， 例如 ±2dB, ±3dB。
用分贝表示的误差与百分比误差的换算关系：设声压是 p ±∆p 用分贝表示的误差与百分比误差的换算关系： 则有，图给出其关系曲线： 分贝表示是 L ±∆L ，则有，图给出其关系曲线：
2
不能在水中远距离传播 能远距离传播
1.2、声呐与雷达的异同 1.2、
声呐与雷达的工作原理相似。但由于信息载体－ 声呐与雷达的工作原理相似。但由于信息载体－声波与电磁波的差异决定了 声呐和雷达有重要差别。 声呐和雷达有重要差别。
a.电磁波速度30万公里/ a.电磁波速度30万公里/秒,声波在水中1.5公里/秒。决定： 电磁波速度30万公里 声波在水中1.5公里/ 1.5公里 决定： •工作频率差别大。雷达频率约GHz（ 109 Hz） 工作频率差别大。雷达频率约GHz（ Hz） 工作频率差别大 GHz •工作速率差别大。雷达搜速快，声呐搜索慢 工作速率差别大。雷达搜速快， 工作速率差别大 •分辨率差。声图象模糊。 分辨率差。声图象模糊。 分辨率差 声呐频率约kHz（ Hz） 声呐频率约kHz（ 103 Hz） kHz
5
1.5 声呐简介 声呐（声纳） 声呐（声纳）-SONAR(Sound Navigation and Ranging)
凡是利用水下声信息进行探测、识别、定位、导航和通讯的系统， 凡是利用水下声信息进行探测、识别、定位、导航和通讯的系统，都通称为声呐系 统。声呐的主要应用是军用声呐。按工作方式可以分为：主动声呐和被动声呐。 声呐的主要应用是军用声呐。按工作方式可以分为：主动声呐和被动声呐。 按安装平台分可以分为： 按安装平台分可以分为： 潜艇声呐：潜艇上的电子设备是声呐。一般核潜艇装有 ～ 部声呐 主要有： 部声呐。 潜艇声呐：潜艇上的电子设备是声呐。一般核潜艇装有10～15部声呐。主要有： 艏部主、被动综合声呐；被动测距声呐；舷侧阵声呐；拖曳线列阵声呐。 艏部主、被动综合声呐；被动测距声呐；舷侧阵声呐；拖曳线列阵声呐。 水面舰声呐：舰艏声呐；变深拖曳声呐；拖曳线列阵声呐。 水面舰声呐：舰艏声呐；变深拖曳声呐；拖曳线列阵声呐。 机载声呐和浮标：吊放声呐；声呐浮标。 机载声呐和浮标：吊放声呐；声呐浮标。 海洋水声监视系统：岸站（岸边海底固定式声呐）；预警系统 海洋水声监视系统：岸站（岸边海底固定式声呐）；预警系统 ）； 水声对抗器材：鱼雷报警声呐；声诱饵；干扰器； 水声对抗器材：鱼雷报警声呐；声诱饵；干扰器；气幕弹 水中兵器自导：鱼雷声自导；水雷声引信； 水中兵器自导：鱼雷声自导；水雷声引信； 其它：通讯仪、鱼探仪、多普勒测速仪、浅地层剖面仪等。 其它：通讯仪、鱼探仪、多普勒测速仪、浅地层剖面仪等。
2.1.3海洋的声学特性 - 海洋的声学特性
第2章 海洋的声学特性第二讲 海底和海面的声学特性2.3 海底海底结构、地形和沉积层是影响声波传播的重要因素，它对声波的吸收、散射和反射等声学特性，关系到水声设备作用距离底远近。
实验研究表明，海底声波反射系数与海底地形有明显的依赖关系。
对于高于几千赫频率的声波，海底粗糙度是影响声波反射的主要作用。
右图给出不同频率，深海平原的反向散射强度与入射角的关系。
反向散射强度s m ：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。
注意：朝声源方向上的声散射。
规律：✧在小入射角θ时，散射强度随θ的减小而增加。
✧在入射角 5>θ时，散射强度s m lg 10近似与θ2cos 成正比。
✧在小入射角时，散射强度一般与频率无关；✧在大入射角时，散射强度可能与频率的四次方乘正比。
右图为非常粗糙海底上的反向散射强度与入射角的关系：✧反向散射强度基本上与入射角和频率无关。
1、海底沉积层海底沉积层：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。
下面介绍海底沉积层的物理性质：沉积物密度（质饱和容积密度）等于：()sw n n ρρρ-+=1式中，孔隙度n 是指沉积物体积中含有水分体积的百分数；w ρ为孔隙水密度，也可认为与海底的海水密度相等，取3/024.1cm g w =ρ；s ρ为无机物固体密度。
孔隙度n 大小有许多因素决定，如无机物的大小、形状和分布，矿物成分，沉积物构造和固体颗粒的紧密程度等。
常识：深海平原和丘陵，粉砂粘土是主要沉积物类型，深海平原3/333.1cm g ≈ρ，深海丘陵3/344.1cm g ≈ρ。
沉积层中有压缩波速度（声速）c 和切变波速度s c 两种：ρG E c 34+= ρG c s =式中，E 和G 为沉积层的弹性模量和刚性（切变）模量。
孔隙度是可以测量和计算的量，因此可以预报声速值。
ρ与n 呈线性关系，因此声速和ρ之间关系与声速和n 之间关系相同。
Hamilton 给出三种不同类型沉积物的声速、密度和孔隙度的实验值。
海洋的声学特性
——声传播起伏的原因之一
16
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。
Zm
•两图不同之处：
•左图表面声速小于海底声
速；
•右图表面声速大于海底声
速。
Z
c0 c
Zm
c0 c
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；
第四类
浅海常见声速分布
20
2．海水中的声吸收
传播衰减概述
声波传播的强度衰减（传播损失）原因：
扩展损失（几何衰减）：声波波阵面在传播过程中 不断扩展引起的声强衰减。
吸收损失：均匀介质的粘滞性、热传导性以及其它 驰豫过程引起的声强衰减。
散射：介质的不均匀性引起的声波散射导致声强衰 减 不均匀性包括：海洋中泥沙、气泡、浮游生物等 悬浮粒子以及介质本身的不均匀性和海水界面对 声波的散射。
•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
声速分布分类
右图为浅海常见声速分布，特点：
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
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
2.1.8海洋的声学特性 - 海水的声速(1)
海水中的声速海水中的声速是海洋环境重要的声学参数之一，也是水声物理实验研究中必须测量的环境参数。
它随时间和空间而变化，对声波的传播有重要影响。
该案例给出了水声物理实验研究中海水中声速获取的常用设备及测量结果，用实验数据证明了声速分布的不同结构及时变空变特性。
目前常用的测量设备有CTD（电导率-温度-深度仪）、SVP（声速剖面仪）、XBT（消耗式温深传感器）、温度链（温度传感器阵）四类。
其中CTD和SVP需要人工改变设备的深度以测量不同深度的声速，所以测量速度缓慢，不能同时刻长时间进行海水中声速剖面的观测；XBT可以测量获得海水温度剖面，但获得的温度也不是同时刻海水的温度，且该传感器是一次性的；为了同时刻长时间对海水介质的声速剖面进行测量，为海洋内波的研究提供环境参数，实验中将采用高精度温度传感器组成的垂直阵进行测量。
图1给出了几种仪器设备的实物图。
图1 左：CTD 中：SVP 右：XBT图2给出了CTD实验吊放方法及海上实验中声速剖面的测量结果。
不同地理位置的声速不一致性表明了声速的空间变化特性。
图3给出了同一地理位置海水温度剖面随时间的变化。
根据温度剖面数据和乌德公式计算得到声速剖面。
计算过程中盐度选取35‰。
跃变层附近声速的随机起伏特性表明了声速的时间变化特性。
图中声速剖面曲线与温度剖面曲线结构的相似性表明了海水介质的声速主要由温度控制。
图2 左： 201验海域，声速0.0175s 乌德公式如下式所示：CTD 吊放方法右：不同地理位置的声速剖面图3 海上实验温度链测量数据1年，海上实验测量的声速剖面如图4所示。
实验之前台风刚刚经过实海水受到风浪的充分搅拌，形成了等温层，因此在压力的作用下，随着深度线性缓慢增大。
对实验测量的声速数据进行拟合，得到声速梯度为-1，该梯度与乌德公式中声速随着压力的变化梯度完全吻合。
()P S T T c 175.03514.1037.021.414502+−+−+=图4 浅海混合层声道声速分布。
第一章声在海洋中的应用
利用声音来给海洋测体温
夏威夷 太平洋
声学监测网点
全球海面温度分布图
人们探测海洋的“耳朵”—声纳
➢ SONAR — SOund Navigation and Ranging 声音导航测距 ➢ 鲸鱼、海豚等海洋生物都是用声来探测和通信，它们具有天生的
“声纳系统”。 ➢ 很久以前，渔夫和海员就已经利用声音在水中的传播方式并使用
• 声是研究海洋细节过程，探测、跟踪海 洋中目标的一种有效工具
• 声呐高分辨能力及应用远没有达到极限 • 仍有许多重要研究课题（挑战、应用）
水声学的子领域
• 海洋声测量学（声海洋学）
– 海洋中声的早期应用之一：测深（1925年至今） – 测量更多的特性：深度、浪高、水温、流等 – 特点（有别于其它类型传感器测量）：
* 回声定位仪也 称作声呐特别 是主动声呐）
* 回声定位仪广 泛地应用于军 事、商用中
应用举例（5）— Side Scan Sonar 侧(旁)扫声呐
• 当具有足够高的分辨率时，回声定位仪可 以用于成像。
• 目前由最好的系统（如侧扫声呐）提供的 图像都是相当粗糙的。
• 很多时候仍靠潜水员或载人潜器来直接识 别物体，或用光学探针以提供视觉线索。
• 结构/水密度和声速差异不大，该复杂的结构波 与水中声场强耦合。如：舰船壳体散射的声与入 射信号在幅度，而且在时域特性上都不同。
相关学科：结构力学、声学
• 水动力声学（Hydroacoustics）
水动力噪声（Hydrodynamic Noise）
– 由任何不稳定流场产生
• 船只的螺旋桨 • 运动物体的湍流边界层 • 腔体上流产生的涡旋
• 信号处理设计、实现、显示不同
– 共同之处：
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课程简介
水声学
海洋环境的声学特性 简正波、射线、虚源 声传播规律与水文环境的关系 目标的声散射 海洋混响强度预报方法 水下噪声谱级与噪声级
哈尔滨工程大学
水声学原理
2
硕士学位课程
课程简介
水声传播原理
分层介质情况下的声传播 深海声道中的声传播 非分层介质中的声场 声场分布的数值计算（PE） 海底声学特性分析
哈尔滨工程大学
水声学原理
10
硕士学位课程
1.1 海水的特性
• 海水中的声速
– 温度每升高1℃
T（℃） 5
10
15
20
25
30
∆c（m/s） 4.1 3.6 3.1 2.7
2.4
2.1
– 声速梯度 ※声速垂直梯度是水平梯度的1000倍；
※冷暖流交汇区基本相当。
gdc0.016s1 dz
a1dc1.11.21 0 5 m 1
业出版社, 2004年
哈尔滨工程大学
水声学原理
6
硕士学位课程
课程简介
学习方法
– 课堂听课 – 查阅文献 – 数学推导 – 数值仿真
考核形式
– 闭卷考试？开卷考试？大作业？
课程要求
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第1章 与声学相关的海洋特性
本章主要内容
– 水体
– 海面/海底
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课程目的
– 掌握水下声传播研究中所涉及的声场建模理论、 目标声散射建模理论、海洋混响强度和时域波 形预报理论、海洋环境噪声场空间特性建模理 论等最基础、但却非常重要的水声学基本理论
– 为三维声场研究、复杂目标的声散射研究、非 分层介质中混响研究、复杂海洋环境噪声场空 间特性研究提供理论基础，也为水声信号处理 算法研究提供一定指导
➢ 声速 ➢ 声速剖面 ➢ 声吸收
➢ 海洋的可变性(洋流、涡旋、内波、水体
垂直微结构、湍流)
➢ 气泡的声散射 ➢ 深水散射层的散射 ➢ 环境噪声
➢ 海面的随机起伏 ➢ 海面声散射 ➢ 海底的特性
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1.1 海水的特性
• 海水最典型的特性—非均匀性 – 有规声速剖面—水下声信道 – 随机不均匀性—散射—声场起伏
• 海水中的声速 – 声速经验公式
c 1 . 2 4 4 . 6 T 4 0 . 0 T 2 9 5 0 . 0 5 T 3 0 ( 1 . 3 0 0 . 0 4 T 2 ) S 1 ( 3 9 ) 0 0 . 0 5 z1
– 适用范围
温度：0T35℃ 盐度：0S45‰ 深度：0z100m0
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1.1 海水的特性
若大于最大掠射角，声线首先在哪个边界发生反射？
• 声速剖面
– 深海声信道
该信道携带的声线为掠射角 max 的声线：
ma x [2 (c0cm )/c0]1/2
哈硕尔士※滨学声位工课程速程大学差越大，最大声线掠水声射学原角理就越大，波导就越高效。 13
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1.1 海水的特性
• 声速剖面
– 深海声信道
※在深海声道中，声传播最大距离只受海水声吸收控制。
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1.1 海水的特性
• 声速剖面
– 深海声信道
• Heard Island：声源频率57Hz、深度157m（声道 轴），最远传播距离18000km—远距离声传播
大西洋
太平洋
印度洋
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0
500
Depth/m
• 声速剖面
1000
1000
– 声速剖面的最大起伏出现150在0 海洋表层—温150度0 、盐度的
季节变化和日变化
2000
2000
– 1000m以下，温度变化甚微，声速随着深度的增大而
增大—静压力
2500
2500
– 日本海—从200-300m深度一直延伸至海底，声速线性 增大
– 黑海—具有相似的声速结构
c0dz
– 第一个近似—水平分层介质
– 内波、大尺度涡漩、洋流和其它因素对海洋分层的影响 则需要单独进行讨论 。
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1 海水的特性 500
Temperature/C
10
20
Sound Speed/ms-1
30
1480 1500 1520 1540 1560
1.1 海水的特性
• 声速剖面
– 深海声信道
• 深海声道的声道轴深度一般在1000—1200m
• 热带—深度延伸至2000m
• 纬度越高，上部水温受热越小，声道轴逐渐上升甚 至升至海面
• 地中海、黑海与日本海以及温带的太平洋，声道轴 位于100-300米
• 中纬度地区，太平洋声道轴的声速从1450m/s变化 到1485m/s；大西洋声道轴的声速则从1450m/s变 化到1500m/s。
– Fundamentals of acoustical oceanography. Hermann Medwin, Charence S. Clay. Academic Press, San Diego,1998.
– 海洋声学. 布列霍夫斯基赫著, 科学出版社, 1983年 – 水声学（第二版）. 汪德昭, 尚尔昌. 科学出版社 – 实用声纳工程. [英]A. D. Waite著, 王德石等译. 电子工
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课程简介
主要内容
– 与声学相关的海洋特性 – 海洋声场特性分析与应用 – 水下目标的回波特性 – 海面海底的声散射机理与海洋混响 – 海洋环境噪声场空间相关特性建模理论 – 声纳系统的设计与声纳性能预报
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教材
– Fundamentals of ocean acoustics. 3rd Ed. L.M. Brekhovskikh, Yu.P. Lysanov. Springer, 2001.
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1.1 海水的特性
• 声速剖面
– 深海声信道 • 黑海与波罗的海，有时声道轴之下声速的增加是由 于深层暖流所引起。 • 如果声道轴以下介质的声速只受静压力控制，则该 声信道称为hydrostatical声信道。 • 如果声道轴以下由于高盐度暖水团的出现导致声速 升高，则称该声信道为thermal声信道。 • 典型的thermal水下声信道发生在波罗的海和黑海。