水声学原理第三章1

常识：一艘驱逐舰以15节航速航行将产生500m长
的尾流，8kHz衰减系数为0.8dB/m，40kHz衰减 系数为1.8dB/m。1节＝1海里/小时＝0.515米/秒 （1海里＝1852米）。
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本讲思考题



海水中的声速与哪些因素有关？画出三种常见的 海水声速分布。 声波在海水中传播时其声强会逐渐减少。（1）说 明原因；（2）解释什么叫物理衰减？什么叫几何 衰减？（3）写出海洋中声传播损失的常用TL表 达式，并指明哪项反映的主要是几何衰减，哪项 反映的主要是物理衰减；（4）试给出三种不同海 洋环境下的几何衰减的TL表达式。 声呐A，B有相等的声源级，但声呐A工作频率fA 高于声呐B工作频率fB,问哪台声呐作用距离远， 说明原因。
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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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海水的声吸收系数 与声波频率、温度、 压力、盐度等因素 有关，但盐度的影 响较小； 对于不同声波频率， 应选择不同的经验 公式来计算海水的 吸收系数 海水和淡水的声吸收系数
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非均匀液体中的声衰减

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。
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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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I x I 0 e
2 x
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取自然对数得： 1 ln p0 px x
无量纲，称为：奈贝(Neper) 物理意义：单位距离的分贝数，Neper/m 通常将声强写成下式：
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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
扩展损失
I 1 TL 10 lg 20 lg r I r
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dB
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扩展损失的一般形式
TL n 10 lg r

dB



n=0：适用管道中的声传播，平面波传播， TL=0； n=1：适用表面声道和深海声道，柱面波传播， TL=10logr，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； n=1.5：适用计及海底声吸收时的浅海声传播 ， TL=15logr，相当于计入界面声吸收所引起的对 柱面波的传播损失的修正； n=2：适用于开阔水域（自由场），球面波传 播，TL=20logr；
p0 20 lg e ln 20 lg e 8.68 x px
即：1Neper=8.68dB
声吸收引起的传播损失：
I 1 TL 10lg x 1 x I x
总传播损失（扩展+吸收）等于：
x 1
TL n 10 lg r r
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声速分布分类
右图为浅海常见声速分布，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。 图（ d ）与图（ e ）不同之处： •后者是浅海中的负梯度分布， 需计入海底对声传播的影响。
第四类 浅海常见声速分布
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2006年海上实验
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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
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。
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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。

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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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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。



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



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声速分布分类
右图为反声道声速分布，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。
第三类
反声道声速分布
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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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Baidu Nhomakorabea吸收系数

均匀介质的声吸收 介质切变粘滞的声吸收（经典声吸收） 介质热传导声吸收（经典声吸收） 驰豫吸收（超吸收）
假设平面波传播距离 dx 后，由于声吸收而引 起声强降低为 dI ，则
dI 2Idx
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扩展损失 p p0 expit kx 简谐平面波声压

没有扩展损失
I 1 TL 10 lg 0 I x

dB
简谐球面波声压

p0 p exp it kr r
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纯水的超吸收
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
纯水声吸收系数
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海水的超吸收

Caution：
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：
ln p0 / px 为声压振幅的自然对数衰减，
I x I 010
x 10
取常用对数得： 10 I 0 20 p0 lg x lg px x I x
物理意义：单位距离的分贝数，dB/m
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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。
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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