水声学原理第三章1
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。
水声学复习提要
rR rn
距离r
College of Underwater Acoustic Engineering HEU
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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
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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
(完整版)水声重点(更新版).doc
（以下内容来自老师给的ppt ）第 1 章 -声纳及声纳方程1、声源级SL描述主动声纳所发射声信号的强弱：SL 10lg II 是发射器声轴方向上离声源中心1m 处的声强I0 r 12、发射指向性指数DITDI T I D10 lg IND理解 : I P a 4 W m2r 1SL 10lg P a 170.77 SL 10lg P a 170.77 DI T 3、传播损失 TL 定量描述声波传播一定距离后声强度的衰减变化：TL10 lgII 1 r4、目标强度TS定量描述目标反射本领的大小：TS10 lg IrIi r 15、海洋环境噪声级NL是度量环境噪声强弱的量：注意： I N是测量带宽内或1Hz 频带内的噪声强度。
6、等效平面波混响级RL定量描述混响干扰的强弱。
IRL10 lgI 07、接收指向性指数DI R接收系统抑制背景噪声的能力。
无指向性水听器产生的噪声功率DI R 10 lg 指向性水听器产生的噪声功率8、检测阈DT设备刚好能正常工作所需的处理器输入端的信噪比值(SNR)。
信号功率DT10 lg9、主动声纳方程（噪声背景）：（SL-2TL+TS）-（NL-DI）＝ DT主动声纳方程（混响背景）：（SL-2TL+TS）-RL＝DT被动声纳方程（SL-TL） -（NL-DI）＝ DT10、回声信号级： SL-2TL+TS加到主动声纳接收换能器上的回声信号的声级噪声掩蔽级： NL-DI+DT工作在噪声干扰中的声纳设备正常工作所需的最低信号级混响掩蔽级： RL+DT工作在混响干扰中的声纳设备正常工作所需的最低信号级回声余量： SL-2TL+TS（-NL-DI+DT）主动声纳回声级超过噪声掩蔽级的数量优质因数： SL（-NL-DI+DT）对于被动声纳，该量规定最大允许单程传播损失；对于主动声纳，当 TS=0 时，该量规定了最大允许双程传播损失品质因数：SL-（ NL-DI）声纳接收换能器测得的声源级与噪声级之差思考题：1．什么是声纳？声纳可以完成哪些任务？;答: 利用水下声信息进行探测、识别、定位、导航和通讯的系统按照工作方式分类：主动声纳和被动声纳2．主被、动声纳的信息流程有何不同？3．发射指向性指数物理含义是什么？答:1. 在相同距离上，指向性发射器声轴上声级高出无指向性发射器辐射声场声级的分贝数； 2. DIT 越大，声能在声轴方向集中的程度越高；就有利于增加声纳的作用距离。
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
第3章海洋中的声传播理论详解
方程②：
d 2 Rn 1 dRn 2 (r ) Z n ( z0 ) 2 n Rn 2 dr r dr r
方程①的通解——本征函数 ：
Z n z An sink zn z Bn cosk zn z
对应的 k zn ——本征值
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n
c pn n
群速度：波形包络的传播速度
d cgn d n
说明：浅海水层属于频散介质。
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硬底均匀浅海声场
相速和群速与声波频率的关系
2 2
阶数最大取值:
H 1 N c 2 0
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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本征函数(Eigen Function)
Z n z An sin k zn z , 0 z H
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根据正交归一化条件 ：
H
0
Z m z Z n z dz 1
混合边界条件——压力和振速线性组合 边界上密度或声速的有限间断——压力和法向质 点振速连续 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”的不合理现象。
水声学原理第三章1综述
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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）
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。
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，Tolstor 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
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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
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》
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
6
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》
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
(整理)《水声学》课程配套习题参考答案.
《水声学》部分习题参考答案绪论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 。
第一章 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。
2 略3 略第二章 海洋声学特性1 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。
解：海水中的声速与海水温度、密度和静压力（深度）有关，它们之间的关系难以用解析式表达。
CCC2 略3 略4 略5 略6 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。
西北工业大学水声学原理作业3答案
1、波动方程的建立：小振幅下的运动方程：ðuðt +1ρ∇p=0…………①；小振幅波的连续性方程：ðρðt+ρ∇∙u=0…………②；状态方程：ðpðt =c2ðρðt…………③；当声速c和密度ρ不随时间改变时，将③代入②得1 c2ðρðt+ρ∇∙u=0上式对时间t求偏导并整理得到∇∙u ðt =−1ρc2ð2ρðt2…………④对①式取▽得∇∙u ðt +(−1ρ2∇ρ∙∇p+1ρ∇2p)=0将④式代入上式并整理得∇2p−1c2ð2ρðt2−1ρ∇ρ∙∇p=0则上式即为密度ρ是空间位置函数情况下的波动方程。
为简化上式，引入函数ψ=ρ，则上式变为∇2ψ−1c2ð2ψðt2−[∇2ρ2ρ−3(∇ρ)24ρ2]ψ=0对于简谐波，ð2ðt2⁄=−ω2，则上式可写为∇2ψ−(K2+∇2ρ2ρ−3(∇ρ)24ρ2)ψ=0即∇2ψ−K2(x,y,z)ψ=0式中K2(x,y,z)=k2+∇2ρ2ρ−3(∇ρ)24ρ2。
上式即为不均匀介质中的波动方程。
常用定解条件：1）、边界条件①绝对软边界：也称自由边界，界面上的任何点，不管时间t取何值，声压p总是0，表示为p(x,y,η,t)=0或p(x,y,η,t)=p s，其中边界面方程z=η(x,y,t)。
②绝对硬边界：声波不能进入该介质中，此时边界上介质质点的法向振速应为零。
表示为(n∙u)η=0或(n∙u)η=u s，其中u为质点振速，n为界面的法向单位矢量。
③混合边界：此时已知的是声压和振速在界面上的线性组合，表示为(aðpðn+bp)|s=f(s)，式中系数a和b均为常数，s表示边界。
④边界上发生密度ρ或声速c的有限间断：边界上压力连续和质点法向振速连续，即p z=0−=p z=0+和(1ρðpðn)z=0−=(1ρðpðn)z=0+。
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。
水声学原理第三章1
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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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。
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。
水声学第三章 海洋的声学特性
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• 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。
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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
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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
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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
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。
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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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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2
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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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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。
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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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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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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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
Βιβλιοθήκη 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：
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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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：
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；
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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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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
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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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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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