第十章 海洋中的声、光传播及其应用
声波在海洋的传输原理
声波在海洋的传输原理
声波在海洋中的传输原理是海洋声学研究的重要内容之一。
海洋中的声波传播与陆地上的声波传播存在很大的不同，海洋环境的复杂性使得声波在海洋中的传输过程更加复杂和多变。
声波在海洋中的传输受到水的物理特性的影响。
海水是一种复杂的介质，它具有密度、速度、温度、盐度等参数的空间和时间变化。
这些参数的变化会影响声波在海水中的传播速度和路径，从而影响声波的传输。
海洋中存在各种声源，包括动物的声音、水下爆炸声、海浪声等。
这些声源在海洋中产生的声波会通过水传播到远处。
海洋中的声波传播距离较远，可以达到几百甚至上千公里。
这种远距离传播的主要原因是海水的传播损失较小，声波的能量损失较小。
海洋中的声波传输还受到海底地形的影响。
海底地形的起伏、沉积物的分布等会对声波的传播路径产生影响。
海底地形的复杂性使得声波在海洋中传播时会发生折射、散射、反射等现象，从而改变声波的传播方向和强度。
海洋中的声波传输还受到海洋中的生物因素的影响。
海洋中存在大量的海洋生物，它们会产生各种声音，包括鱼类的鳍声、鲸鱼的歌声等。
这些声音会干扰声波的传输，从而影响声波的传播距离和清晰度。
声波在海洋中的传输原理是一个复杂而多变的过程。
海洋环境的特殊性使得声波的传输受到水的物理特性、海洋中的声源、海底地形以及海洋中的生物因素的影响。
深入研究声波在海洋中的传输原理，对于理解海洋环境、海洋生物以及海洋资源的利用具有重要意义。
海洋中的声光现象
1914朗之万、康斯坦丁制成了静电式发射器和碳粒微音接收器，1918年采用这 一装置测到海底和200m深甲板上的回波。同时又用石英晶体做成压电式发射器 和接收器并采用真空管放大器，制成第一台回声定位仪，以后简称:声纳 （sonar: sound navigation and ranging)声导航和回声定位的英文缩写。
1.4、声波在海洋中的传播(Transmission of sound in sea)
典型水位条件下的声传播 波导型： 波导型： (dc/dz)>0，即声速随深度增加 ， 而增大，声线向上弯曲， 而增大，声线向上弯曲，在海面 或某层反射向前传播， 或某层反射向前传播，不存在海 底的吸收和散射， 底的吸收和散射，声能传播距离 远。多见于冬季浅海和深海 2000m以下。 在浅海亦称表面声 以下。 以下 道。声呐在浅海冬季比夏季传播 远。 反波导型： 反波导型： (dc/dz)<0，声线弯向海底，由 ，声线弯向海底， 于海底对声波的吸收和散射， 于海底对声波的吸收和散射，经 海底反射回来的声能减弱， 海底反射回来的声能减弱，且存 在声阴影区。 在声阴影区。声传播距离受到限 夏季浅海的“午后效应” 制。夏季浅海的“午后效应”。
二、声速c与海水中温、盐和压的关系 温
• 在海洋中，由公式(10－9)所给出的 ，ρ，βt等物理量与海水的温度、 在海洋中，由公式 － 所给出的 所给出的γ， ， 等物理量与海水的温度 等物理量与海水的温度、 盐度和压力有关。所以， 盐度和压力有关。所以，c=c(s,t,p), ρ=ρ(s,t,p), • 在海洋中，平均而言： 在海洋中，平均而言：
1.3 海洋声学特性(Acoustic character of ocean)
1、海水的声吸收(acoustic absorption)： 、海水的声吸收 ： 将声能变为不可逆的海水分子内能流体介质存 在粘滞性与导热性， 在粘滞性与导热性，介质因压缩变形而引起声能 耗散为机械能耗散。动态压缩时， 耗散为机械能耗散。动态压缩时，分子间的非弹 性碰撞使部分声能转变为热能， 性碰撞使部分声能转变为热能，通常称这部分声 吸收为由分子过程引起的声吸收。 吸收为由分子过程引起的声吸收 2、海面波浪的声散射(acoustic scatter)： 、海面波浪的声散射 ： 因不平整性、气泡和浮游生物的散射， 因不平整性、气泡和浮游生物的散射，声能弥 散到其他方向而损失。 散到其他方向而损失。
海洋生物的声音交流揭秘它们的声音信号与意义
海洋生物的声音交流揭秘它们的声音信号与意义海洋生物的声音交流揭秘：它们的声音信号与意义声音在海洋中是一种重要的交流方式，许多海洋生物通过声音来传递信息和交互。
这些声音信号在水中能够传播得更远，同时也具有高度的特异性。
本文将探索海洋生物的声音交流，揭秘它们的声音信号与意义。
一、声音信号的来源海洋生物的声音信号来自于它们身体的不同部位，包括呼吸器官、鳍、鳞片等。
这些声音信号可以分为两种主要类型：生理声和行为声。
1. 生理声生理声是由海洋生物的生理活动产生的声音信号，主要来自于它们的呼吸、饮食和运动等过程。
例如，鲸鱼的喷气声是它们呼吸时排出的气体产生的，而海豚的鸣叫声则是它们用来呼唤和定位的。
2. 行为声行为声是海洋生物为了交流和各种行为目的而发出的声音信号。
这些行为包括求偶、警戒、猎食、领地争夺等。
例如，海豚之间的哨声是它们组织群体行动和保持联系的方式，而海狮的咆哮声则是它们用来宣示领地和警示敌人的。
二、声音信号的意义海洋生物的声音信号具有多种意义，它们通过声音交流传递重要的信息和行为意图。
以下是其中几个常见的意义：1. 社交交流许多海洋生物通过声音信号进行社交交流，以维持群体的联系和协作。
例如，鲸鱼的歌声被认为是求偶和社交交流的一种方式，它们通过歌声来吸引异性和显示自己的健康状态。
2. 领地宣示一些海洋生物通过声音信号来宣示自己的领地，并警告其他个体不要侵犯。
例如，鲨鱼通过低沉的咆哮声来宣示自己的领地，并警示其他鲨鱼离开。
3. 求偶行为声音信号在海洋生物的求偶过程中起到重要的作用。
例如，海豚通过吱吱声来吸引异性，并展示自己的健康和能力。
这些声音信号可以帮助它们找到合适的伴侣并进行繁殖。
4. 猎食行为海洋生物的声音信号也可以用于猎食。
例如，抹香鲸通过敲击头部产生的声音来定位猎物，帮助它们追踪并捕捉到海洋中的猎物。
5. 警戒与防御海洋生物的声音信号可以用于警戒和防御。
例如，海豹的咆哮声可以用来警告其他动物不要靠近，而章鱼通过喷射水柱产生声音来吓退潜在的掠食者。
海洋中的声传播理论详解课件
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声波在海洋中的散射和吸收导致信号强度衰减，使得远程通信和探测的可靠性降低 。
高分辨率声传播模型的发展
针对声传播的复杂性和不确定 性，发展高分辨率声传播模型 是重要的研究方向。
高分辨率模型能够更准确地模 拟声波在海洋中的传播路径和 能量衰减，提高预测精度。
通过引入更多的环境参数和改 进模型算法，可以更好地模拟 声传播过程，为实际应用提供 更可靠的依据。
当声波从一种介质传播到另一种介质时，由于介质密度的变化，声波的传播方 向会发生改变。在海洋中，声波从海水传播到空气时会产生折射现象。
声波反射
当声波遇到不同介质的界面时，部分或全部声波能量会返回原介质。在海洋中 ，声波遇到海底或海面时会产生反射现象。
声波的散射与吸收
声波散射
在海洋中，由于海水的密度、温度和盐度等分布不均匀，声波在传播过程中会发 生散射现象，导致声能分散。
02
海洋声学基础
海洋的物理特性
温度
海水温度随深度增加而 降低，影响声波传播速
度和衰减。
盐度
海水中盐分浓度影响声 波传播速度和衰减。
压力
深海压力大，影响声波 传播速度和衰减。
混浊度
海水中悬浮颗粒物和浮 游生物影响声波传播。
声波在海水中的传播速度
低频声波传播速度高 于高频声波。
深海声道现象：在一 定深度以下，声波传 播速度随深度增加而 增加。
海洋中的声传播理论详解课件
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目录
• 声波的基本理论 • 海洋声学基础 • 海洋中的声传播现象 • 海洋声传播的应用 • 海洋声传播的挑战与展望
01
声波的基本理论
声波的产生与传播
声波的产生
海洋科学导论第9、10章 生物 声光(文档不可编辑)
10.1 海洋声学概说
迄今为止，人们所熟知的水中的各种能量辐射形式中，以声波的传播 性能为最好。
声呐sonar——声导航和回声定位“sound navigation and ranging”
“声呐”还是“声纳”
1把Acoustic susceptacne译名为“声纳”，这个“声 纳”是表示声波在传播中导声能力量度的声导纳的 一个分量，正像“电纳”是表示电流在电路中传输 时的导电能力量度的一个分量一样。
海水中声波的传播速度 在（0-17）℃范围内每升高1℃其相应的声速度增加4.21m/s； 盐度每增加1，声速值增加1.14m/s； 当深度变化100m时，声速约增加1.75m/s。
10.3 海洋的声学特性
声速的水平梯度一般较铅直梯度为小，但在那些较复杂的海区（冷暖 水团相交混的海域）则必须考虑声速的水平梯度。
声吸收是将声能变为不可逆的海水分子内能。
波动的海面有大量的气泡和浮游生物，因不平整性、气泡和浮游生物 的散射，一部分声能弥散到其他方向而损失，所损失的声能与海况和 浮游生物有关。
10.4 浅海中声传播理论和声场特征
反射、折射定律：声线总是向声速小的 方向弯曲。
水下声道：声速剖面于水下出现一极小 值，极小值所在的平面称声道轴，声波 在其间可传播很远距离，此即为水下声 道现象。
2“纳”有接受的意思，可以表达声波 通过和接受电流通过的意思；“呐”有 呐喊和大声喊叫的意思，可以用来表达 声学现象。
10.2 声速度 330m/s要大四倍。
声源每秒振动的次数称频率，单位是赫兹（Hz）。人耳可听 到的最高频率约为20×103Hz，因此在20×103Hz以上的声波 称为超声波。
海洋声学技术在生态研究中的应用
海洋声学技术在生态研究中的应用在广袤无垠的海洋世界中，生态系统复杂而神秘。
为了更好地了解海洋生态，科学家们不断探索和创新研究方法，其中海洋声学技术正发挥着日益重要的作用。
海洋声学技术，简单来说，就是利用声音在海洋中的传播特性来获取信息的一系列技术手段。
声音在海洋中的传播速度比在空气中快得多，而且能够传播很远的距离。
这一特性使得声音成为了研究海洋生态的有效工具。
首先，海洋声学技术在海洋生物监测方面表现出色。
通过声学监测设备，我们可以探测到海洋生物发出的各种声音。
比如，鲸鱼会发出独特的低频叫声，海豚则有着高频的“哨声”和“滴答声”。
这些声音不仅能够帮助我们确定它们的位置，还能反映它们的行为和状态。
例如，当鲸鱼的叫声频率或模式发生变化时，可能意味着它们的生存环境或健康状况出现了问题。
此外，声学技术还能用于鱼类的监测。
不同种类的鱼在游动和觅食时会产生不同的声音。
通过对这些声音的分析，我们可以了解鱼类的种类、数量、分布以及它们的活动规律。
这对于渔业资源的评估和管理具有重要意义。
比如，如果监测到某个海域中某种经济鱼类的数量减少，相关部门就可以及时采取措施，限制捕捞，以保护该物种的生存和繁衍。
海洋声学技术在海洋生态系统的结构和功能研究中也发挥着关键作用。
海洋中的物理环境，如海底地形、水流等，会对声音的传播产生影响。
通过研究声音在海洋中的传播特征，我们可以反推出海洋的物理结构。
例如，声波在遇到海底山脉、海沟等地形时会发生反射和折射，通过分析这些反射和折射的声波，我们可以绘制出海底的地形地貌图。
同时，声音在海洋生态系统的能量传递和物质循环中也扮演着重要角色。
浮游生物在摄食和运动时会产生微小的声音，这些声音可以反映浮游生物的密度和分布。
而浮游生物是海洋食物链的基础，它们的数量和分布变化会影响整个海洋生态系统的平衡。
因此，通过声学监测浮游生物，我们可以更好地理解海洋生态系统的能量流动和物质循环过程。
在海洋生态保护方面，海洋声学技术同样具有巨大的潜力。
”波”如何在海洋中传播声音？
”波”如何在海洋中传播声音？一、声音传播的基本原理声音是一种机械波，由物体振动产生，通过介质的传播而被人们听到。
在海洋中，声音的传播也遵循波的传播原理。
声波在海水中传播时，会受到海水的特性和海底地形的影响。
1. 声波在海水中的传播速度比在空气中要快得多。
这是因为海水具有较高的密度和弹性，能够更有效地传递振动。
2. 声波在海水中以球面波的形式传播，类似于石头投入水中产生的涟漪。
声波会从声源处向四面八方传播。
3. 声波在海洋中的传播距离受到水温、盐度和水压等因素的影响。
一般情况下，水温越高、盐度越高、水压越大，声波的传播距离就越远。
二、声音在海洋中的应用与意义海洋中的声音传播具有广泛的应用价值，对于海洋研究和资源开发有着重要意义。
1. 海洋生物研究海洋中的生物，如鲸鱼、海豚等，利用声音进行交流、导航和捕食。
借助声纳技术，科学家们可以研究这些海洋生物的行为习性、种群分布等重要信息。
2. 海洋地震监测声音在海洋中传播的速度远远快于地震波的传播速度，因此可以利用水下声学阵列对海洋地震活动进行实时监测和预警。
这对于海洋地质灾害的研究和防灾工作具有重要意义。
3. 海洋资源开发声学勘探技术可以帮助发现海洋中的矿产资源，如油气田、热水矿床等。
声波的反射和折射规律可以提供有关地下结构的信息，为资源勘探和开发提供可靠的依据。
三、海洋声学技术的发展和挑战随着科技的进步和对海洋资源的不断开发利用，海洋声学技术得到了快速发展。
然而，海洋环境的复杂性和人类活动的干扰仍然是海洋声学研究面临的挑战。
1. 海洋环境的复杂性海洋具有相对稳定的噪声背景，如风浪、潮汐、海流等，这些噪声会对声音的传播和接收造成干扰。
科学家们需要研究并开发有效的信号处理方法，以提高信噪比和增强目标信号的获取。
2. 人类活动的干扰海洋中人类活动的增加，如船只、声呐、爆破等，会对海洋生物和声信号产生干扰。
为了保护海洋生态系统和声学研究的可持续发展，需要加强对海洋声学干扰的监测和管理。
海洋声光电波导效应及应用
海洋声光电波导效应及应用
随着科学技术的发展，人类对海洋的了解越来越深入。
其中，海洋声光电波导效应与应用也逐渐成为研究的热点话题。
下面就让我们一步步了解这个话题。
第一步，什么是海洋声光电波导？
海洋声光电波导是指海洋中的声波、光线和电磁波通过水的折射和反射形成的导波道。
在海洋中传播的波的性质与空气中传播的波具有很大不同，我们称之为海水介质的特性。
第二步，海洋声光电波导的物理原理是什么？
以上文提到的特性作为基础，海洋环境中的介质可以被划分为不同的层：深海层、中层、表皮层等。
这些层次的存在使得海洋介质的折射率也会发生变化，这种变化导致了海洋中各种波的传播速度和路程被影响，从而影响导波效应。
第三步，海洋声光电波导有哪些应用？
海洋声光电波导效应可以广泛地应用于各个领域。
举例而言，海洋声波导可以用于水下通讯和声纳探测等；海洋光波导可以应用于海底地形图像探测；海洋电波导可以用于海洋电磁波探测和导航等等。
这些应用领域对于海洋资源的开发以及对于环境监测等方面具有重要的作用。
第四步，未来的研究方向是什么？
尽管海洋声光电波导已经被广泛地应用于实际环境中，但仍有许多未知的领域在等待着人们去研究。
海水介质在水下传播过程中的动态变化是一个重要的问题。
未来的研究方向将着重于研究海水介质性质的变化以及这种变化对于导波效应的影响。
综上所述，海洋声光电波导效应与应用正在成为一个重要的研究领域，它是开发海洋资源、实现水下探测和导航等方面的重要手段。
随着时代的发展，未来的相关研究将进一步深入探讨，并取得更为显著的成果。
海洋学导论
图4-5表明了海上溢油的分解过程。其中较轻的组分挥发了；水溶性组分 溶于海水；最重要部分——不溶性残渣乳化为小球，最终沉入海底或冲到海岸， 被缓慢分解或者掩埋掉。溢油的危害取决于生物的种类和溢油的地区。
图4-5 海上溢油的分解过程（Spears，1974）
海水中的溶解有机物十分复杂，主要是它与金属能形成稳定络合物。
图4－1 海水的化学组成 （Thurman，1997）
海水的成分分类（P110） ①主要成分 海水中浓度>1mg/kg的成分 （提示：教材中1×10-6 mg/kg有误） Na+ K+ Ca2+ Mg2+ Sr2+ Cl- SO4- Br- HCO3-(CO32-) F- H3BO3占盐份总量的99.9%
天然放射系--4n+2系
天然放射系--4n+3系
天然放射系----(4n)系
人工放射系-- 4n+1系
4.1.4 海洋化学污染物 (P120)
联合国专家组（1982）把海洋污染定义为:直接或间接由人类向大洋和河口 排放的各种废物或废热，引起对人类生存环境和健康的危害，或者危及海洋生命 （如鱼类）的现象。
Stumm（1975）把海水中的微量金属元素按照粒子大小分为七种形式见图4-3。
二、海水的氧化还原电位
海水的氧化还原电位,是控制金属污染物溶存形式的主要因素之一。用于定
量分析重金属在海水中氧化还原转化。
当海水是一个氧化还原的平衡体系，相对电对氧化－还原平衡的半电池反
应为： 电极电位可以表示为
aox+ne—→ared
上述这些成分在海水中的含量较大，各成分的浓度比例近似恒定，生物活动 和总盐度的变化对其影响都不大，所包含的13种元素称为保守元素。
海洋物理学中的声学测量技术与应用
海洋物理学中的声学测量技术与应用在海洋物理学领域，声学测量技术被广泛应用于深海探测、海洋生态研究、海底地质勘探等领域。
声学测量技术利用声波在海水中传播的特性，通过测量声波的传播时间、强度和频谱等参数，可以获取丰富的海洋环境信息。
一、声学信号的传播原理声波是一种机械波，传播的介质是海水。
在海洋中，声波的传播受到海水的吸收、散射和传播路径的影响。
海水的吸收会导致声波的能量逐渐减弱，而散射会导致声波的传播方向发生改变。
传播路径的复杂性（包括水平传播路径和垂直传播路径）也会对声波的传播产生影响。
二、声学测量技术的分类根据测量目的和应用领域的不同，声学测量技术可以分为不同的类别。
以下是几种常见的声学测量技术：1. 声速剖面测量技术声速剖面测量是一种用于测量海水中声速随深度变化的技术。
通过测量声波传播的时间和距离，可以计算出不同深度的声速值。
声速剖面可以提供海洋水团的垂直分布和变化信息，对海洋环流和海水运动的研究具有重要意义。
2. 地震学测量技术地震学测量技术在海洋物理学研究中被广泛应用。
通过发送地震波并测量反射或折射波，可以获取海底地质结构、构造特征以及地壳运动等信息。
地震学测量技术是深海勘探中最常用的技术之一，对于油气资源勘探和海底地质灾害预警有着重要的应用价值。
3. 声呐测量技术声呐是一种利用声波回波来获取目标位置和性质的测量技术。
在海洋物理学中，声呐广泛应用于水下目标探测、海底地形测量和海洋生态研究等领域。
通过测量声波的反射时间和强度，可以获取水下物体的位置、形态以及周围环境的信息。
三、声学测量技术的应用案例声学测量技术在海洋物理学中有着广泛的应用。
以下是几个典型的应用案例：1. 海洋生态研究声学测量技术可以用于海洋生态系统的研究。
通过测量声波的反射回波，可以获取海洋生物的分布、数量和行为特征等信息。
同时，声学测量技术还可以用于测量海洋中的颗粒物浓度和颗粒物的粒径分布，为海洋生态环境的评估和保护提供数据支撑。
大气和海洋中的声光电现象课件
加强大气科学、海洋科学、物理学、化学等跨学科的合作，共同推动 大气和海洋中声光电现象的研究。
拓展应用领域
将大气和海洋中的声光电现象的研究成果应用于环境保护、气候变化 、资源开发等领域，为人类社会的可持续发展做出贡献。
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声光电现象的原理和应用
通过深入了解这些现象的原理，我们可以更好地理解自然界 中的各种现象，并探索其在各个领域中的应用，如气象学、 海洋学、物理学等。
课程目标
01
掌握声光电现象的基本原理
通过本课程的学习，学生应能够掌握声光电现象的基本原理，包括声音
的传播、光的折射、反射和散射，以及电流和电磁波的产生和传播等。
介绍了大气和海洋中声光电现象的观测技 术和方法，包括声波探测、光学观测、电 场观测等。
未来大气和海洋中声光电现象的研究方向
深入研究大气和海洋中的声光电现象
进一步深入探讨大气和海洋中的声光电现象的产生机制、传播规律及 其应用前景。
发展新型观测技术
研发新型的大气和海洋中声光电现象的观测技术和方法，提高观测精 度和效率。大气中的光吸取与散射系数 Nhomakorabea光吸取系数
大气中的某些物质（如水、二氧 化碳等）会对光线进行吸取，减 少其能量。光吸取系数描述了光 线在大气中被吸取的比例。
光散射系数
大气中的微粒会对光线进行散射 ，使其传播方向产生变化。光散 射系数描述了光线在大气中被散 射的比例。
大气中的光污染与影响
光污染
随着城市化和工业化的快速发展，大气中的光污染日益严重。过度的光照不仅影 响人们的视觉健康，还会对生态环境产生负面影响。
大气中的电流与闪电现象
电流
第十章 海洋中的声、光传播及其应用
第十章海洋中的声、光传播及其应用§10.1海洋声学概说10.1.1水声学与海洋声学的发展迄今为止，人们所熟知的水中的各种能量辐射形式中，以声波的传播性能为最好。
在含有盐、气泡和浮游生物的海水中，光波和电磁波的衰减都非常大。
它们的传播距离较短，远不能满足人类在海洋活动中的需要。
因此，到目前为止，在水下目标探测、通讯、导航等方面均以声波做为水下唯一有效的辐射能。
声呐是应海战需要而发展起来的水下目标探测设备。
它的普遍使用开始于第二次世界大战期间。
据可查的文献记录，早在1490年，达·芬奇写过：“如果使船停航，将长管的一端插入水中，将管的开口放在耳旁，则可听到远处的航船。
”这种声呐的雏形不能确定目标的方位。
在一次大战期间，于船的另一侧加了一根管，采用双耳测听，初步解决了测向问题。
第一次大战期间，由于德国的潜艇活动，约4000多艘同盟国舰船被击沉，这个数目相当于同盟国拥有舰船的三分之一，从而迫使同盟国集中很大力量去研究同潜艇做斗争的手段。
恰好1914年郎之万、康斯坦丁首先做成了电容(静电式)发射器和碳粒微音接收器。
1918年利用这样的发射和接收器，接收到来自海底的回波和于200m深处一块甲板的回波。
同时，郎之万等人用石英晶体做成压电式发射器和接收器，并采用了刚研制成的真空管放大器，制成第一台回声定位仪，以后简称声呐(sonar)。
“声呐”名称的由来，是仿照雷达一词对“声导航和回声定位”的英文“soundnavigationandranging”的缩写。
在第一次和第二次大战期间，交战国双方热衷于水下定位设备的研究。
在20～30年代，由于对声在海中的传播规律了解很少，曾认为声呐性能有一种神秘的不可靠性。
即声呐的性能有时早晨较好，到下午性能变得很坏，尤其在夏季的午后最差。
当时称这种现象为“午后效应”。
后来测量海水各层温度发现，由于太阳的照射，海表层温度升高，构成较小的温度梯度，形成了声的折射，使声波部分能量弯曲入射到海底。
声音在海洋传播及应用
声音在海洋传播及应用声音在海洋中传播是一种非常特殊的现象，由于海洋的特殊性质，声音在海洋中传播的速度、方向和范围都有很大的差别。
声音在海洋中的传播不仅对于生物学、地质学等科学研究具有重要意义，还具有许多实际应用。
声音在海洋中的传播速度比在空气中更快。
海水有较高的密度和弹性，这使得声音在海水中传播的速度大约是在空气中的4.3倍左右，约为1500米/秒。
而且，海洋中的声波传播损耗相对较小，在透明海洋中的传播距离可能达到数百公里。
声音在海洋中的传播受到很多因素的影响，包括水温、水盐度、水压、地形等。
水温和盐度的变化会导致声速的变化，而不同水层的压力差异也会影响声音的传播。
此外，海底地形的差异也会导致声波的散射和反射，形成复杂的声音路径。
声音在海洋中的传播方向也有很大的差异。
例如，在水平海底上，声音会以球面波的形式向四周传播；而在斜坡的海底上，声音则会更加聚焦，传播距离也更远。
此外，海洋中的悬浮颗粒和气泡等杂质也会散射声波，影响声音的传播方向和强度。
声音在海洋中的传播对于生物学研究具有重要意义。
许多海洋动物通过声音进行交流，例如鲸鱼会发出各种频率和音调的声音进行沟通。
通过对海洋动物的声音进行监测和分析，可以了解它们的行为习性、迁徙模式等。
此外，声音也可以帮助研究海底生物群落的分布和数量。
声音在海洋中的传播还被广泛应用于海洋勘探和海洋工程。
声波回声测深是一种常用的海洋测量方法，通过发射声波并测量其回程时间，可以测量水深和海底地形。
声纳技术也被用于潜艇和声呐等设备的导航和定位。
此外，声纳也可以用于海洋地质勘探，帮助探测地下沉积物和地震活动。
可以看出，声音在海洋中的传播对于海洋科学和实际应用具有重要意义。
通过研究和利用声音的传播特性，可以更好地了解海洋环境、生物以及进行海洋勘探和工程。
随着科技的发展，我们相信声音在海洋中的应用将会更加广泛和深入。
大气和海洋中的声光电现象
仰 角 为 e 0 的 声 线 进 入 大 气 中 发 生 的 折 射
根据声波的折射定律有：
1． 声 速 在 大 气 中 的 垂 直 分 布 在对流层： 温度向上递减，声速向上减小 如 Г = 6℃ /km 时 , 向 上 每 升 高 1 公 里 声 速 减 小 约 3.5 m/s. 在 平 流 层 （ 逆 温 层 ）： 温度向上增加，声速向上增大。
2 ． 声 速 在 海 洋 中 的 垂 直 分 布
在有风的情况下，会引起声 速的改变，所以如果风速或风向 在垂直方向上变化，就会改变声 线的轨迹。
温 度 不 随 高 度 变 化 时 风 对 声 线 的 影 响 。
设OA为 没 有 风 时 从O点 发 出 的 一 条 声 线 ， 当 上 下 有 均 匀 的 风 时 声 线 将 变 为OB， 若 风 速 随 高 度 变 大 ， 则 声 线 变 为 OB1（ 向 下 弯 ） ， 若 风 速 随 高 度 变 小 ， 则 声 线 变 为OB2（ 向 上 弯 ） 。
盐度增大时有两个作用： (一 ） 使 ρ 变 大 ， C 变 小 . (二 ） 使 β T 变 小 ， C 增 大 。
总的效果是盐度增加使 C 增大。 盐 度 每 增 加 1‰ ， C 增 大 1.14 m /s 。
（ 3） 海 水 中 的 声 速 与 海 洋 深 度 的关系：
深度的增加（即压强的增加）也有 两个作用： (一 )使 ρ 变 大 ， C 变 小 。 (二 ) 使 β T 变 小 ， C 增 大 。
8海洋中的声光传播及其应用
• 光波照射到介质中的粒子时，由于双方具 有很强的相互斥力，导致光线偏离入射方 向而向四面八方散开的现象
1. 海洋中的光学 • 瑞利（分子）散射 • 粒子半径远小于光的波长时（水分子）对自 然光的散射
• 米氏（粒子）散射
• 粒子半径较大时（如海水中的悬浮粒子）对 自然光的散射 为什么天空是蓝色的？
海洋中的声、光传播及其应用 1. 海洋中的光学 2. 海洋中的声学 3. 海洋声学应用
1. 海洋中的光学 • 光的波长
• 光进入海水中，由于海水的吸收和散射作 用，光强度呈指数衰减
1. 海洋中的光学
• 光的折射
• 由于在不同介质中光的传播速度不同，导 致光线弯曲的现象。
1. 海洋中的光学 • 散射
I 0 a S I1 2 e S
• 其中，I0为声源处发出的声强，a为衰减系 数
2. 海洋中的声学 • 声速 • 声速与介质的特性有关，海洋是非均匀介 质，声波在其间传播，各处的声速也不相 同
v 1
S
S
1 P S
• 其中等盐压缩系数
v v(t , S , p)
3. 海洋声学应用 • 声纳（Sonar） • 声纳是一种利用声波在水下的传播特性， 通过电声转换和信息处理，完成水下探测 和通讯任务的电子设备。
3. 海洋声学应用
探鱼仪
侧扫声纳
本章小结 • 海洋中的光学
瑞利散射、米氏散射、海色
• 海洋中的声学
声波衰减、声速、声道轴
• 海洋声学应用
水下目标定位、声学多普勒流速剖面仪、 声纳
2. 海洋中的声学 • 在水中电磁波衰减很快，仅仅穿透数米就 会丢失所有能量，而声波能传播几百公里 而没有明显的吸收损失 • 因此通常采用声波进行水下定位、导航、 目标探测、水声通讯
海洋生物的声音与沟通方式
海洋生物的声音与沟通方式海洋世界是一个充满了神秘和奇妙的地方，而其中最引人注目的莫过于海洋生物的声音与沟通方式。
从大海中传出的各种声音，不仅代表了生物之间的交流，也揭示了海洋生态系统的复杂性和多样性。
本文将重点探讨海洋生物的声音以及它们的沟通方式。
一、声音产生的原因海洋生物之所以能够发出声音，主要是因为它们具备了相应的声音器官。
像鲸鱼、海豚等哺乳动物通过喉头和气囊来产生声音，而鱼类则是通过肌肉震动产生声波。
此外，其他一些生物如甲壳类动物和软体动物则是通过摩擦、鸣叫或振动身体来发出声音。
声音在海洋中传播的速度要远远快于在空气中传播的速度，这是因为海水比空气更加密集。
同时，海水中的声音能够传播更远的距离，这使得海洋生物能够在广阔的海洋中进行远距离的沟通。
二、声音的用途海洋生物发出的声音有多种用途，其中包括但不限于以下几种。
1. 求偶和配对：许多海洋生物利用声音来吸引异性或者确认伴侣的身份。
例如，雄性鲸鱼通过歌唱来吸引雌性，展示自己的健康状态和繁殖能力。
另外，一些鱼类也会通过声音来吸引异性，在繁殖季节里形成特定的交配舞蹈。
2. 领地宣示：一些海洋生物通过声音来宣示自己的领地或者发出威胁信号。
例如，海豹通过嚎叫来宣示自己的领地边界，而某些鱼类则会发出低频声音以警告入侵者。
3. 食物搜寻：声音对于捕食者在海洋中寻找食物极为重要。
一些鲸鱼、海豚和鱼类会发出尖叫声、嘟哝声或敲击声来吸引猎物或者在暗处追踪猎物。
4. 社交互动：许多海洋生物使用声音来进行社交互动，表达喜怒哀乐，或者在同伴之间传递信息。
例如，海豚通过吱吱声与同伴进行交流，同时鲸鱼通过点击声来共享位置信息。
三、沟通方式的多样性海洋生物的沟通方式多种多样，既有单一的声音，也有复杂的音乐、歌唱和震颤等。
1. 单一声音：许多海洋生物发出单一的声音，这些声音往往代表了特定的意义。
例如，鲸鱼的歌声由一连串的音符组成，每一段音符都传递着特定的信息，可能是求偶、警告或社交需求。
海洋生物的声音与通讯
海洋生物的声音与通讯海洋是一个广阔而神秘的世界，数量众多的生物在其中生活。
尽管我们不能直接看到它们，但是海洋生物之间的交流却从未停止。
在这个维度中，声音是它们最主要的通讯工具之一。
本文将探讨海洋生物的声音发出方式、用途以及对环境的影响。
一、声音的发出方式海洋生物可以通过不同的方式发出声音，例如鲸鱼利用声带来制造声波。
当鲸鱼把空气从肺部推出时，空气经过声带产生声音，然后通过鼻孔喷出。
此外，鱼类通过振动肌肉产生的声音以及甲壳类动物发出的黏稠声音也是海洋生物的声音发出方式。
二、声音的用途海洋生物发出声音的目的有多种多样。
首先，它们可以用声音来传达信息，例如表示领地或警告潜在的敌人。
鲸鱼的歌唱就是一个典型的例子，它们通过长时间、高频率的歌声吸引配偶和保持群体的联系。
此外，海豚也以一种特殊的方式发出声音，用以识别同伴和追踪猎物。
除了传达信息外，声音还可以对于海洋生物的导航和捕食起到重要的作用。
一些鱼类会发出特殊的声音，来引诱猎物靠近，然后快速捕食。
此外，声音还可以帮助生物在海洋中迅速定位自身位置，避免碰撞和迷失。
三、声音对于环境的影响然而，海洋生物的声音不仅对它们自身的生存有影响，也对整个海洋生态系统产生重要的影响。
过度的声音污染会干扰海洋生物的正常行为和通讯。
例如，大量船只的引擎声和炸弹声都会产生巨大的噪音，使鲸鱼、海豚等动物的正常通讯受到干扰，甚至导致迷失方向。
此外，声音也会对鱼类的生长和繁殖产生影响，进而影响整个海洋生态系统的平衡。
为了保护海洋生物和维护海洋生态平衡，我们需要采取一系列措施来减少声音污染。
首先，对船只和海洋工程项目进行严格的管理和监测，合理规划航线，减少噪音排放。
其次，加强对声音污染对海洋生物的影响的研究，制定相应的政策和法规。
此外，大众应该加强环境保护意识，减少对海洋生态环境的破坏。
总结起来，海洋生物的声音是它们生存和交流的重要手段。
海洋环境中的声音不仅能传递信息，还对导航和捕食起到重要的作用。
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10.2声波的基本理论
• • 10.2.1声波 我们生活在波的世界里，看到的是光波，听到的是声波，收音 机和电视机接收到的是电磁波，它们是不同性质的波。其中声波是弹 性波，是在弹性介质中传播的波。空气、水和固体都是弹性介质，它 们对声波而言，都可看作可压缩的弹性介质。以水为例，若其中有一 个球体突然膨胀，推动周围的水介质向外运动，但水介质因惯性不可 能立即向外运动，因此靠近球体的一层水介质被压缩成为密层，这层 水因具有弹性又会膨胀，又使相邻的外层水压缩，于是弹性波就这样 一密一疏地传播出去。声波在水中的传播速度约为1500m/s，比在空 气中的传播速度330m/s大四倍。声源每秒振动的次数称频率，单位是 赫兹(Hz)。人耳可听到的最高频率约为20×103Hz，因此在 20×103Hz以上的声波称为超声波。人耳可听到的最低频率约为 20Hz，低于20Hz以下的声波称为次声波。两个相邻密层(或疏层)之 间距离就是波长，频率与波长成反比。
第十章 海洋中的声、光传播及 其应用
本章3学时 重点内容： 难点内容：
§10.1海洋声学概说
• • 10.1.1水声学与海洋声学的发展 迄今为止，人们所熟知的水中的各种能量辐射形式中，以声波的传播性能为最好。在含有盐、气 泡和浮游生物的海水中，光波和电磁波的衰减都非常大。它们的传播距离较短，远不能满足人类在 海洋活动中的需要。因此，到目前为止，在水下目标探测、通讯、导航等方面均以声波做为水下唯 一有效的辐射能。 声呐是应海战需要而发展起来的水下目标探测设备。它的普遍使用开始于第二次世界大战期间。 据可查的文献记录，早在1490年，达· 芬奇写过：“如果使船停航，将长管的一端插入水中，将管 的开口放在耳旁，则可听到远处的航船。”这种声呐的雏形不能确定目标的方位。在一次大战期间， 于船的另一侧加了一根管，采用双耳测听，初步解决了测向问题。 第一次大战期间，由于德国的潜艇活动，约4000多艘同盟国舰船被击沉，这个数目相当于同盟国 拥有舰船的三分之一，从而迫使同盟国集中很大力量去研究同潜艇做斗争的手段。恰好1914年郎之 万、康斯坦丁首先做成了电容(静电式)发射器和碳粒微音接收器。1918年利用这样的发射和接收器， 接收到来自海底的回波和于200m深处一块甲板的回波。同时，郎之万等人用石英晶体做成压电式 发射器和接收器，并采用了刚研制成的真空管放大器，制成第一台回声定位仪，以后简称声呐 (sonar)。“声呐”名称的由来，是仿照雷达一词对“声导航和回声定位”的英文 “soundnavigationandranging”的缩写。 在第一次和第二次大战期间，交战国双方热衷于水下定位设备的研究。在20～30年代，由于对声 在海中的传播规律了解很少，曾认为声呐性能有一种神秘的不可靠性。即声呐的性能有时早晨较好， 到下午性能变得很坏，尤其在夏季的午后最差。当时称这种现象为“午后效应”。后来测量海水各 层温度发现，由于太阳的照射，海表层温度升高，构成较小的温度梯度，形成了声的折射，使声波 部分能量弯曲入射到海底。从此便开始了声波在海洋介质中传播特性的研究，此内容称为水声学。 目前水声技术已是开发海洋和研究海洋广泛采用和行之有效的手段，如水下通讯、声遥测遥控、 数据图像传输，以及用声波遥测海洋涡旋的运动和变化与全球海洋温度的监测等方面。
• •
10.1.3海洋声学遥感的应用前景 卫星遥感使气象数据收集分析既快捷又准确。声学遥 感在海洋中的应用，使原来用绳子和重锤测海深的方法由 回声测深仪在几秒钟内即可自动记录完成。以往用几年和 数十艘调查船承担的海图测深，已可在数月内用单船作业 完成测绘。其它如海底地层石油和矿藏勘探、探鱼和海洋 生物遥测、冰山水下部分、海上石油井口定位和声释放器、 远距离声发定位援救大洋中遇难船只和确定火山爆发位置， 水下通讯用的水声电话，水下电视信号传递，波浪和海平 面测量，预告台风和海啸，用声浮标监测海流和中尺度涡， 观测内波的位置、变化和海岸泥沙的搬运，以及最近成立 的全球大洋声学监测网(ATOC)等等，这些都证明声学遥 感对开发和研究海洋有广泛的应用前景
• 10.3.3 海面波浪的声散射 • 如果海面平静如镜，可以看作理想的声反射面。 声波在其上反射后，只有相位变化没有能量损失。 波动的海面有大量的气泡和浮游生物，既是声的 反射界面又是声的散射体。海面波浪可看作两部 分叠加，即周期波(或准周期波)和随机波的叠加。 通常用周期、波长和波高等量描述波浪的特性， 同时也用随机过程的能量谱的概率密度分布、方 差、相关函数等描述波浪特征。声波入射到具有 波浪的海面即相当于入射到周期变化的不平整表 面，因不平整性、气泡和浮游生物的散射，一部 分声能弥散到其它方向而损失，只有那些遵从折 射定律的声波到达接收点。所损失的声能与海况 和浮游生物有关。
10.3 海洋的声学特性
• 海水、海面和海底构成一个复杂的声传播空间， 声波通过这个空间时，声信号将减弱、延迟和失 真，并损失部分声能。引起声能损失的原因有： 声能在空间扩展；海水介质的吸收；海中气泡、 浮游生物和海水团块的散射；波动海面的反射与 散射；以及海底沉积层的反射和吸收等。即使在 理想介质中的点声源，也因波阵面扩展，而致声 强随距离的反平方率衰减。若以分贝(dB)表示球 面扩展损失，则距离声源r处的球面扩展损失TL定 义为 • 式中I0是距声源1m处的声强，I是距离声源r处 的声强。
• 10.2.2理想流体中的小振幅声波 • 为简明起见，我们只研究平面波，我们选最简单的单
色简谐波并导出一维简谐平面波的波动方程。
如图10—1所示，在水介质中截取一块截面积为1，长度为δx的管状介 质，我们认为水介质为连续介质。声波在此管状介质中传播，于t时刻，
• •
10.2.3海水中声波的传播速度 波动方程式(10-6)是单色简谐波的小振幅平面声波方程。 实际上的声波不可能是单色波，而是一些具有一定频率宽 度的波的叠加，这样的波称为波群。波群有群速度，单一 频率波的速度称为相速度，群速度和相速度在原则上是不 相同的。我们所应用的水声频段，海水可认为是非频散介 质，因此通常所说的声速度既是群速度，也是相速度。 • 声传播速度是一个重要的物理量，它与介质的特性有关。 实际海洋是非均匀介质，声波在其间传播，各处的声速度 也不相同。如果在一个波长范围内，海水不均匀性的变化 可以忽略，我们就可以用射线声学描写声波的传播规律。 为此需要了解声波在海水中的传播速度与哪些因素有关， 它们在海洋中不同深度的变化与哪些海洋参数有关。在海 洋中，由公式(10－9)所给出的γ，ρ，βt等物理量与海水的 温度、盐度和压力有关。
• 10.3.1 海水中的声速和声速铅直剖面
表10－1海水中各种盐类对压缩系数和声速的影响
表10－2声波在不同温度、盐度海水中的传播速度
• • •
10.3.2 海水的声吸收
海水本身的声吸收与声能在空间扩展导致的声能衰减有 本质的区别，海水声吸收是将声能变为不可逆的海水分子 内能。实际上，声在流体介质中的传播过程是介于绝热与 等温过程之间，由于声波的频率较高，近似地认为是绝热 过程。在简谐声波的传播过程中，流体的每一处都交替地 发生稠密和稀疏。根据弹性理论，纵向应力由切变和压缩 应力组成，声波对介质状态的扰动直接由压力变化引起； 或者是由于体积变化时相伴生的温度升、降所致。实际上 两种效应都可能，且引起的损失效果相同。流体介质存在 粘滞性与导热性，介质因压缩变形而引起声能耗散称为机 械能耗散。动态压缩时，分子间的非弹性碰撞使部分声能 转变为热能，通常称这部分声吸收为由分子过程引起的声 吸收。
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二、盐度的影响 由克鲁逊公式 ρ=ρ0(1＋0.0008S) (10－13) 所决定，式中S是盐度。该公式还可以写为 ρ=ρ0(1＋VSPS) (10－14) 式中VSP=0.0008，也就是说当盐度增加1时密度增加0.08％。 盐度对压缩系数的影响由克雷米尔公式得出： βs＝βs0(1-0.0024s)＝βS0(1-VSkS) (10-15) 式中βS0是盐度为零的压缩系数，其中VSk＝0.00245。可见当盐度增加1时，压缩 系数要减少0.00245，使水中的声速值增加。当然盐度增加时，水的密度也增加，会使 声速减少。综合效应是，由于盐度增加，而使海水中的声速增大。 将式(10-14)与式(10-15)代入式(10-5)，并令S＝1可得 将Vsk＝0.00245和Vsp=0.0008代入，得 当盐度升高1时，声速近似地增加0.00083。若C0=1450m/s，声速的增加为 △cs＝1450×0.00083=1.2m/s 在海水中测量结果表明，盐度每增加1，声速值增加1.14m/s，小于因温度变化所引 起的声速度变化。若海水含有空气泡，其密度和盐度都降低，因而声速将减小，且声 能量在传播过程中有损耗。据实验，由于水中含有气泡而引起的声速度的变化是很小 的，它与测量误差同量级，可以忽略。
• 三、压力变化的影响 • 静压力变化时引起水的密度变化是很小的，声速度变化主要取决于 压缩系数βs的变化。对水而言，压力愈大，愈不易压缩。因此，压缩 系数βs反而因压力的加大而减小了。即压力愈大处，声速值也大。由 经验公式得知，在海水静压力为(0～1000)×101325Pa范围内变化时， 压缩系数βs的变化可以由下式表示： • βs＝βs0(1－0.00044ρ)=βs0(1－Vpkp) (10－18) • 式中Vpkp＝0.00044，p以标准压力(101325Pa)为单位。引起的声 速度变化近似为 • 由上式可知，当水的静压力增加时，声速值也增加。若 C0=1450m/s，静压力变化为10×101325Pa，即相应于海水深度变 化100m，则声速度的增量为 • △cp＝1450×0.00022×10＝3.19m/s (10－20) • 海水中实测当深度变化100m时，声速约增加1.75m/s，比经验公式 所得为小。综合上述各经验公式可得，当海水深度变化245m时，其 声速变化值相当于温度变化1℃或盐度变化4。显然在影响声速的诸因 素中，温度的变化起着相当重要的作用，其次是压力的影响，通常多 将盐度的变化忽略，除非在极特殊的海区