第2章海洋的声学特性

2.1 海水中的声速
海洋中声速的基本结构 典型深海声速剖面： 温度分布“三层结构”： （1）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。
2.1 海水中的声速
海洋中声速的基本结构 典型深海声速剖面： （2）季节跃变层：
在表面层之下，特征 是负温度梯度或负声速梯 度，此梯度随季节而异。
2.2 海水中的声吸收
2.2 海水中的声吸收
2.3 海底
海底对声传播影响
海底结构、地形和沉积层 声波吸收、散射和反射
水声设备作用距离
2.3 海底
海底对声传播影响
实验研究表明：海底声波反射系数与海底地形有明显 依赖关系。对于高于几千赫频率声波，海底粗糙度是 影响声波反射主要作用。 反向散射强度ms：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。
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。
2.1 海水中的声速
海洋中声速的基本结构 典型深海声速剖面： （3）主跃变层：
温度随深度巨变的层， 特征是负的温度梯度或负 声速梯度，季节对它的影 响微弱。
2.1 海水中的声速
海洋中声速的基本结构 典型深海声速剖面： （4）深海等温层：
的传播条件。 TL 10lg r
（3）n=3/2 适用计及海底声吸收时的浅海声传播 ， 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。
TL 15lg r
2.2 海水中的声吸收
扩展损失
（4）n=2 适用于开阔水域(自由场)，球面波传播。
TL 20lg r
（5）n=3 声波通过浅海声速负跃变层后的声传播。
在深海内部，水温比 较低而且稳定，特征是正 声速梯度。
在主跃变层（负）和深 海等温层（正）之间， 有一声速极小值。
2.1 海水中的声速 请解释一下深海声速梯度分布？
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
2.2 海水中的声吸收
扩展损失
在理想介质中，沿x轴方向传播简谐平面波声压：
p p0 expit kx
I p02
传播损失为：
TL
10
lg
I 1 I x
0
dB
2.2 海水中的声吸收
扩展损失
在理想介质中，沿r方向传播简谐球面波声压：
p p0 expit kx
r 传播损失为：
I p02 r 2
2.1 海水中的声速
海洋中声速的基本结构 浅海声速剖面：
浅海声速剖面分 布具有明显的季节特 征。在冬季，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。
2.1 海水中的声速
海水温度起伏变化
• 描述海洋声速变化粗略近似：将温度和声速看成不 随时间变化，只随深度变化； • 等温层是宏观而言，微观而言温度随时间起伏变化。 • 温度起伏在下午和靠近海面最大。 • 温度起伏原因多种多样：湍流、海面波浪、涡旋和 海中内波等因素。
第2章 海洋的声学特性
本章目的
• 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。
2.1 海水中的声速
1、声速
海洋中的重要声学参数，也是海洋中声传 播的基本物理参数。
海洋中声波为弹性纵波，声速为： c 1
s
s T，S，P cT，S，P
40.7 f 4100
2
f
2
3.06 104
f
2
dB / km
2.2 海水中的声吸收
吸收系数与压力关系
随压力的增加而减小：
0 1 6.67 105 H
深度每增加1km其吸收系数减小6.7%。
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计算海水的吸收 系数。
cx , y , z cz
2.1 海水中的声速
海洋中声速的垂直分层性质和声速梯度
声速梯度：
gc
dc dz
aT gT
aS gS
aP gP
根据乌德公式
aT 4.21 0.074T m s C
aS 1.14
m
s
/
aP 0.175 m s atm
声速梯度 gc 4.21 0.074T gT 1.14gS 0.175gP
TL n 10lg r r
均匀介质的经典声吸收（粘滞性和热传导）： 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?
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 水的结构驰豫理论，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
2.1 海水中的声速
声速经验公式
• 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； • 1℃＝（1oF-32）5/9。
2.1 海水中的声速
精确计算声速有什么意义？
声速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。
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。
反声道声速分布与浅海常见 Z 声速分布有何不同？
2.2 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。
20 x
lg
e
ln
p0
px
20
lg
e
8.68
声强之比的以10为底的对数为贝尔（Bel），贝 尔值的10倍称为分贝（dB）。
2.2 海水中的声吸收
吸收系数
１Neper=8.68dB，声吸收引起的传播损失（吸收 系数乘以传播距离）：
TL=10lg
I 1 Ix
x
1
x
x
1
2.2 海水中的声吸收
总传播损失（扩展＋吸收）
TL
10
lg
I 1 I x
20
lg
r
dB
2.2 海水中的声吸收
扩展损失
一般，可以把扩展损失写成：
TL n 10lg r dB
根据不同的传播条件，n取不同的数值： （1）n=0 适用管道中的声传播，平面波传播
TL 0
2.2 海水中的声吸收
扩展损失
（2）n=1 适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
2.1 海水中的声速
乌德公式
c 1450 4.21T 0.037T 2 1.14S 35 0.175 P
P的单位是大气压。
2.1 海水中的声速
2、声速测量
测量仪器设备：温度深度记录仪和声速仪 。
温度深度记录仪： 通过热敏探头测量 水中温度，同时通 过压力传感器给出 深度信息，可以转 换给出声速。
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
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
c0 c
2.1 海水中的声速
声速垂直分布分类 表面声道声速分布：
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：
温度的季节变化和日变化主要发生在 海洋上层。
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： （３）纬度变化 • 在低纬度海域，主跃变 层的深度较深。 • 在高纬度海域，声速正 梯度一直延伸到接近海洋 表面。
A SfT f 2 B f 2
fT f
fT
6 1520
fT 21.9 10 T 273
dB / km
A 1.89 102 B 2.72 102
驰豫频率随温度升高而增加 。
2.2 海水中的声吸收
• 主要是MgSO4驰豫现象引起的吗？ 实验结果：海水中含有溶解度很大的NaCI，
NaCI的存在使得海水超吸收反而下降。这是由于 NaCI对水分子结构变化产生影响所致。在高频， NaCI浓度越大，吸收越小。 • 在5kHz频率以下低频，声吸收又明显增加，比 S-M公式所给的结果更大，为什么？
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：
•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。
等温层，又有表面负梯度层；冬季有很深的表面混合 层。季节变化对海洋深处的温度影响较小。
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： （2）日变化： •高风速：中午表面温 度受高风速的作用， 出现明显的混合层。 •低风速：表面呈现负 温度梯度，在早晨可 能出现正温度梯度。