海洋的声学特性
水声学第三章 海洋的声学特性
c 声速：沉积层中有压缩波速度（声速） 和切变波
速度 c s 两种。
衰减系数（dB/m）
Kf m
K为常数；f为频率，单位kHz；m为指数，通常取1
海底声反射损失
定义：反射声振幅相对入射声振幅减小的分贝数
BL20lgpr 20lgV pi
反向散射强度(朝声源方 向的声散射。) ：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。
深海平原海底反向散射强度与入射角的关系
在小入射角时，散射 强度随入射角增大而减小， 与频率一般无关
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
海底反射系数模和反射损失BL值随掠射角的变化
高声速海底
低声速海底
深海实测的海底反射损失
海底反射损失的三个特征
存在一个“分界掠射角” ，是海底反射损失
的一个特征参数
当 时，反射损失值较小,随 增大而增加 当 时，反射损失较大,与 无明显依赖关系 海底反射损失简化模型-三参数模型
V 2 im co m c s s2 2 io n in s 2 c s 2 o 2 i n s / n 22 c2 o n s 2
又
1n2 M1iM2
令：
V V*02iM m 1M 1iM i2M 22
QReV V/2V* 0M 212m M M 222 Q 2 m 2M M 1 2 M 2 2
注意与书：上三结参果数：模型可用于分析海洋中声场的略有平不均同结！构
2、海面声学特性
海面波浪
周期性——周期、波长、波 速和波高等量描述其特征；
水声学复习提要
rR rn
距离r
College of Underwater Acoustic Engineering HEU
17
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
College of Underwater Acoustic Engineering HEU 5
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。
15
College of Underwater Acoustic Engineering HEU
16
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？
海洋中的声学传播特性研究进展
海洋中的声学传播特性研究进展声学传播特性是指声波在特定介质中传播的特点和规律。
海洋中的声学传播特性研究对于理解海洋环境、探测海洋资源、进行海洋观测和保护海洋生态环境等方面都具有重要意义。
本文将从声波传播机理、声学传感技术以及海洋声学研究中的应用等方面，对海洋中的声学传播特性研究进展进行概述。
一、声波传播机理声波在海洋中传播的机理主要包括直达传播、散射传播和衍射传播等。
直达传播是指声波直接从声源传播到接收器，散射传播是指声波在遇到不均匀介质时被反射或折射导致的传播，而衍射传播则是指声波在遇到障碍物时绕过障碍物进行传播。
海洋中的声波传播受到海水声速、温度、盐度、声衰减等因素的影响。
海水中的声速和密度随深度变化，形成了声速剖面。
此外，海水中的溶解氧浓度和微生物浓度也会影响声波传播。
二、声学传感技术声学传感技术是一种利用声波传播特性进行信息传输、探测和测量的技术。
在海洋环境中，声学传感技术被广泛应用于海洋观测、洋底地震监测、水声通信等领域。
海洋观测方面，声学传感器可以用于测量海洋中的水温、盐度、压力、流速等参数，对海洋环境进行实时监测和预警。
洋底地震监测中，声学传感器可以记录地震产生的声波信号，帮助科学家研究地震的发生和演化过程。
水声通信则利用声波传播的特性进行远距离通信，用于海底油气田监测、海上救援等领域。
三、海洋声学研究中的应用海洋声学研究在海洋科学研究、资源勘探和环境保护等方面有着广泛应用。
在海洋科学研究中，通过对海洋中声波传播特性的研究，可以获取海底地质、海洋生态系统和海洋动力学等方面的信息。
同时，声学观测还可用于研究鱼类迁徙、海洋哺乳动物行为等生物学现象。
在海洋资源勘探方面，声学方法已成为一种重要的探测手段。
通过声波在海洋中的传播特性，可以实现海洋石油、天然气等资源的探测与勘探。
此外，声学方法还可以应用于海洋矿产资源的勘探和开发。
在海洋环境保护方面，声学技术可以用于监测和评估海洋环境的变化和污染状况。
海洋声学特征
07:06
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。
07:06
3.1 海水中的声速
1、声速（ Sound Speed ） 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。
07:06
3.1 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。
07:06
3.1 海水中的声速
2、声速测量
声速仪是声学装置： •声循环原理工作：
前一个脉冲到达接收 器，触发后一个脉冲从发 射器发出，记录每秒钟脉 冲的发射次数f，发射器 和接收器的距离L已知。 •声速：c=fL。
c 1449.22 cT cS cP cSTP
上式适用范围：-3℃<T<30℃、33‰<S<37‰
1.013 105 N / m2 1个大气压 P 980 105 N / m2
07:06
3.1 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。
07:06
3.1 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。
07:06
3.1 海水中的声速
海洋中声速的基本结构
海洋装备声学特性检测与分析方法
海洋装备声学特性检测与分析方法声学技术在海洋装备领域中起着关键作用。
海洋环境中声波的传播特性和相互作用对于海洋探测、通信以及声纳系统的设计和性能优化至关重要。
因此，海洋装备声学特性的检测与分析方法变得尤为重要。
本文将介绍海洋装备声学特性的检测与分析方法，并讨论其在海洋领域的应用。
海洋装备声学特性检测主要包括声源特性、声波传播特性、声场特性以及噪声特性等。
声源特性的检测通常包括声源频率响应、幅度响应、相位响应以及频率稳定性等指标的测试。
这些特性对于声纳系统的性能评估和设计优化至关重要。
声波传播特性检测主要关注声波在海洋环境中的衰减、散射、反射等现象。
通过测量声波的传播损失、传播模型以及影响因素，可以更好地理解声波在海洋中的传输规律。
声场特性检测主要研究声场的空间分布、声压级、声束形状等参数。
这些参数对于声纳系统的性能评估、声源定位以及目标检测等任务具有重要意义。
噪声特性检测主要研究海洋环境中的杂音和干扰信号。
通过分析噪声的能量分布、频谱特性以及时域特性等，可以评估海洋环境对声纳系统性能的影响。
针对海洋装备声学特性检测，常用的方法包括实测法、数值模拟法以及实测与数值模拟相结合的方法。
实测法通过在实际海洋环境中设置声源和接收器进行野外实验，获取真实的声学信号数据。
这种方法的优点在于直接观测到海洋环境中的声学特性，能够提供准确的数据支持。
然而，实测法存在着成本高、实验周期长、受海洋环境因素影响较大等限制。
为了克服这些限制，数值模拟法成为一种重要的补充手段。
数值模拟法利用数学模型和计算机仿真技术，对海洋环境中的声学波动进行模拟计算，从而获取声学信号的特性。
数值模拟法的优势在于灵活性高、可控性强，能够在不同条件下进行参数调节和比较分析。
通过实测与数值模拟相结合的方法，可以充分利用两者的优点，提高海洋装备声学特性检测的准确性和可靠性。
在海洋领域中，声学装备的声学特性检测与分析在多个应用场景中发挥着重要作用。
首先，声学特性检测与分析方法对于海底地形勘测和海洋资源勘探具有重要意义。
(完整版)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：1 c ----------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 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 (C)、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：c ST p S 35 1.197 10 3T 2.61 10 4P 1.96 10 1P 2 2.09 10 6 PT P 2.796 10 4T 1.3302 10 5T 2 6.644 10 8T 3 P 22.391 10 1T 9.286 10 10T 21.745 10 10 P 3T上式适用范围：-3C <T<30 C 、33%<S<37%。
、1.013 105N /m 2 1 个大气压 注意I ：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。
但上式计算比较繁琐，在精度要求不太高时，可使用比较简单 的经验公式。
许多文献资料，都给出较为简单的声速经验公式，这里介绍|乌德公式|:式中，压力P 单位是大气压，1atm 1.013 105N/m 2 。
c 1449.22c TC sCPc STPc T4.6233T5.4585 10 2T 2 2.822 10 4T 3 5.07 10仃4C s 1.391 S 35 7.8 10 2 S 35 2c P1.60518 10 1P 1.0279 10 5P 2 3.451 10 9 P 3 3.503 10 12 P 4式中,52P 980 105N/m 2。
声波在海洋中的传播特性与海洋声学研究
声波在海洋中的传播特性与海洋声学研究声波是一种在介质中传播的机械波，它在海洋中的传播特性备受研究者关注。
海洋声学研究着重探讨声波在海洋中的传播方式、传播速度以及与海洋环境之间的相互作用。
对于这些研究的深入，不仅能够为海洋科学提供重要的参考，也对于海洋资源开发、海洋生态保护等方面具有重要意义。
首先，声波在海洋中的传播特性受到海洋的物理属性的影响。
海水的声速比空气中的声速要大约四倍，这是由于海水的密度和弹性模量都远远大于空气。
此外，温盐差异也会对声速产生影响，因为温度和盐度的变化会改变海水的密度和弹性模量。
在浅海区域，海底的地形也会对声波的传播产生影响，浅海水深的地方存在倍折反射和潜水反射现象，导致声波传播路径的复杂性。
其次，海洋中的生物和地球物理现象对声波的传播同样起着重要作用。
例如，许多鲸类和海豚会发出特定频率的鸣叫声进行通信，这些声波能够在海洋中传播数千公里。
而且，海洋中的浮游生物和底栖生物也会散射和吸收声波，这对于声纳系统的工作和声波传播路径的分析都具有一定的挑战。
此外，海底地震活动也会产生声波，这一现象为海底地质的研究提供了重要依据。
海洋声学研究为多个领域提供了实际应用。
首先，它对航海安全起着至关重要的作用。
声纳系统能够用于探测水下障碍物和测量海底深度，这对于船只导航和海洋工程的安全性非常重要。
其次，海洋声学研究可以为海洋生态保护提供支持。
声波对海洋生物具有一定影响，如声波的强度和频率会对海洋生物的行为和栖息地选择产生影响。
因此，了解声波在海洋中的传播特性对保护海洋生态系统至关重要。
最后，海洋声学研究还对海洋资源的开发具有积极意义。
声波传播的特性不但能够帮助寻找油气田和矿床，还能用于海底通信和卫星导航。
例如，在海洋石油勘探中，声纳系统通过测量声波在不同介质中的传播速度来确定油气藏的位置和盖层结构，可以为勘探工作提供准确的指导。
总之，声波在海洋中的传播特性及其在海洋环境中的相互作用是海洋声学研究的重要内容。
海底声学特性
海底声学特性海底对从海水入射的声波的反射和散射海底声学特性，海底对从海水入射的声波的反射和散射，以及声波在海底沉积物中的传播速度和衰减等特性。
中文名：海底声学特性本质：声音在传播介质中的不同相关概念：声波传播速度和衰减分类：低声速海底，高声速海底介绍海底对声波在海中的传播，特别是对声波在浅海中的传播影响很大。
声波在海底沉积物中的传播速度，通常与频率没有明显的关系。
在平均粒径极小而孔隙率很大的稀薄沉积物中的声速，接近或低于海水中的声速。
在较密实的沉积物中的声速，随粒径的增加和孔隙率的减小而单调增加，且大于海水中的声速。
在固化程度较高的沉积层中，声波除纵波外，还有横波传播。
海底沉积物中的声衰减,主要由沉积物的粘滞性和摩擦产生,与沉积物的粒径和孔隙率也有关系。
在海底沉积物中，细砂、砂质粉砂和粉砂质砂的声衰减最大。
在同一沉积物中，声衰减随声波频率的增加而增加，在某个频率范围内，这种增加近似于线性关系。
海底的声反射和散射，主要和沉积物的分层结构有关，也与海底表面的粗糙程度有关。
若海底表层中的声速底于其上海水中的声速,这种海底称为低声速海底;反之，则称为高声速海底。
一般说来，前者的反射本领低于后者。
海底的声反射损失，一般随声波频率的增加而增加，它和声波入射角的关系与海底类型有关，对于低声速海底，有一个全透射角，声波在此角度下入射，多数声能透射入海底；若为高声速海底，则存在一个全反射角。
根据海底的声学特性，可以对海底沉积物进行声遥测分类。
例如，浅地层剖面仪就是利用沉积物各层的声学特性不同而引起的声波反射各异的特点，来测定海底地层的分层结构。
声遥测方法在近代海洋工程如海港和海上钻井采油等工程的地质勘探中，有很重要的作用。
海洋的声学特性
2.1 海水中的声速
声速垂直分布分类 表面声道声速分布：
特点：在某一深度处有一声速极
大值。
Zm
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，在层内形成正
Z
声速梯度分布。
第23页/共90页
ch c
2.1 海水中的声速
声速垂直分布分类 反声道声速分布：
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。
海水超吸收
海水超吸收原因： 海水中含有溶解度较小的
MgSO4，它的化学反应的驰豫 过程引起超吸收。
在声波作用下，MgSO4化学 反应的平衡被破坏，达到新 的动态平衡，这种化学的驰 豫过程，导致声波的吸收。
第37页/共90页
2.2 海水中的声吸收
海水超吸收
Schulkin和Marsh根据2~25kHz频率范围内所作的大 量测量结果，归纳的半经验公式：
第4页/共90页
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。
第5页/共90页
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。
扩展损失
（4）n=2 适用于开阔水域(自由场)，球面波传播。
（5）n=3
TL 20lg r
声波通过浅海声速负跃变层后的声传播。
TL 30lg r
（6）n=4 适用偶极子声源或计及平整海面虚源干涉 的远场声传播，相当于计入声波干涉后，对球面波传
水声传播中的声场特性与影响因素研究
水声传播中的声场特性与影响因素研究在我们生活的地球上，水覆盖了大部分的表面。
而在水下世界，声音的传播有着独特的特性和规律。
水声传播中的声场特性及其影响因素的研究对于海洋科学、声学工程、军事应用等众多领域都具有极其重要的意义。
首先，我们来了解一下水声传播中的声场特性。
声场，简单来说，就是声音在水中传播所形成的区域。
在这个区域中，声音的强度、频率、相位等特性都会发生变化。
声音在水中传播时，其强度会随着距离的增加而逐渐减弱。
这是因为水对声音具有吸收作用，就像海绵吸水一样，声音的能量会被逐渐消耗。
而且，这种吸收作用与声音的频率有关，通常高频声音更容易被吸收，这就导致了在远距离传播时，低频声音相对更容易被检测到。
另一个重要的声场特性是声音的传播速度。
与在空气中不同，声音在水中的传播速度要快得多，大约是 1500 米每秒。
但这个速度并不是恒定不变的，它会受到水温、水压和盐度等因素的影响。
例如，水温升高时，声音传播速度会增加；水压增大时，传播速度也会有所提高；而盐度的变化同样会对传播速度产生一定的影响。
除了强度和传播速度，声音在水下传播时还会发生折射和反射现象。
这就好比光线在不同介质中传播时会改变方向一样。
当声音从一种水层传播到另一种具有不同物理特性的水层时，就会发生折射。
而当声音遇到障碍物，如海底、海面或大型物体时，会发生反射，一部分声音能量会被反射回去。
接下来，我们探讨一下影响水声传播的因素。
水温是一个关键因素。
不同的水温会导致水的密度和压缩性发生变化，从而影响声音的传播速度和吸收特性。
在海洋中，水温通常会随着深度和地理位置的变化而变化，形成复杂的温度分层结构，这会对水声传播产生显著的影响。
水压也是不可忽视的因素。
随着水深的增加，水压会不断增大，这会使得水的密度增加，从而改变声音的传播特性。
盐度同样对水声传播有着重要影响。
海水中的盐度分布不均匀，高盐度的海水和低盐度的海水在声学特性上存在差异，这会导致声音在传播过程中发生折射和反射。
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。
2.1.13海洋的声学特性 - 声速剖面插值仿真程序说明文档
声速剖面插值简介本算例是对水声学原理第二章关于水下声速问题的部分内容进行仿真，利用MATLAB对声速进行插值。
1.1 基本原理声速是影响声波在水中传播的最基本物理量。
海水中声速的变化会导致声传播规律的改变，因此，精确的声速数据在理论研究和工程应用中都具有十分重要的意义。
本算例提供两种方法进行声速插值计算。
第一种方法利用快速傅里叶插值的方法。
利用FFT算法把测得的实验数据转换到变换域中，再通过补零的方法，然后用更多点的傅里叶逆变换变换回来得到更多的数据，其结果相当于是对数据进行升采样。
第二种方法利用分段线性插值的方法。
分段线性插值具有计算简单、稳定性好、收敛性好、各小段曲线在连接点上连续、且容易实现等多种优点。
具体原理可以参阅各类数值计算的参考书籍，在此不作展开。
1.2 数值仿真仿真参数：声速极小值1500m/s；声道轴深度1000m；同时可以调整傅里叶插值的点数，本例程中设置点数为原始数据长度的50倍。
仿真结果：本例程使用Munk声速分布作为测量得到的数据。
声速/(m/s)深度/m图1 利用快速傅里叶插值的方法得到的插值结果声速/(m/s)深度/m图2 利用分段线性插值的方法得到的插值结果1.3 结论(1)从仿真结果中可以看出利用分段线性插值得到的数据较好，由于FFT 运算的特点，插值中会引入截断效应和混叠，导致插值结果的起伏，但有时傅里叶变换插值也不失为一种方法。
(2)实验测量的声速仅是在某些深度上，而理论和工程研究中需要用到任意深度的声速数据，此时便可通过函数插值来获得该深度的数据。
参考文献[1] 刘伯胜,雷家煜.水声学原理(第二版)[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2010:[2] 易大义,沈云宝,李有法.计算方法[M].杭州:浙江大学出版社,2010:。
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。
第7章 水声学
(2)混响背影掩蔽时
SL 2 TL TS RL DT
被动式声呐的声呐方程
SL TL NL DI DT
SL TL NL DI DT
SL 2TL TS NL DI DT
表7.2 声纳参数的定义及参考位置
基本声纳方程的用途
一是对已有的声纳设备，根据其已经确定的
因而致使声波在边界面上产生反射，使声能在 某种边界面上“漏泄”掉，称为边界损耗 造成海水中声波传播损失的原因主要有三个方 面： 1 扩展损耗——波阵面的扩展 2 吸收损耗——不可逆的声能转换成其他能量 3 边界损耗——边界上能量的“漏泄”
二、海水中声速的基本公式
海水中的声速是研究声波在海水中传播的最
§7.3 声呐方程
声呐系统有两种工作方式： 1) 主动式声呐 2）被动式声呐
图7.3 声呐系统的工作原理
主动式声呐
由发射机发射出一个特定波形的声波信号，在传播 过程中当照射到一个目标时，将产生目标反射信号 或者叫回波信号，由接收机接收这个回波信号以及 叠加的背景干扰，对它进行信号处理，从而提取有 关信息。 在主动式声呐工作时，有两种可能的背景，一种是 与发射信号本身有关的，由信道中的非均匀体或起 伏表面产生的杂乱散射波的叠加，称为混响。另一 种是与发射信号本身无关的环境背景噪声。
一、海洋中声波传播损失的概念
任何形式的能量(如声波、电磁波、光波等等)在其 辐射和传播过程中，在能量上总会有损耗 即随着传播距离的增加信号能量按照一定的规律逐 渐减弱。 对水声设备来说，这种传播损耗是决定设备作用距 离的主要因素之一。因此，在水声传播问题中，传 播损失是一个主要的物理量。 在水声工程中将传播问题归结为信号在介质中的能 量衰减问题，并且常用传播损失TL来定量描述。
海洋中声波的特性
一：声波情况声波类型：弹性波，在弹性介质中传播，属纵波。
水中声速为1500m/s，空气中为330m/s。
声场：声波作用的空间范围。
声波频率：声源每秒振动次数，单位赫兹(Hz)。
人耳可听到的最高频率为20KHz，因此该频率以上的声波称为超声波(ultrasonic)；可听到的最低频率为20Hz，低于此的称为次声波(infrasound)。
折射(refraction)、反射(reflection)定律：声线总是向声速小的方向弯曲。
声波在海洋中的传播分为波导型，反波导型，分裂型二：海洋声学特性海水的声吸收：将声能变为不可逆的海水分子内能海面波浪的声散射：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海底声学特性：声波经过海底不仅有纵波也产生横波。
反射和吸收是海底声学的重要物理量。
与海底的密度和其中的声速度有关。
海底岩石组成、表面粗糙度、密度及孔隙率有关海洋内部不均匀性对声波影响：气泡、冷暖水体、湍流、内波和深水声散射层等，都可引起声场起伏三：应用水下声道和Sofar系统水下声道(sofar channel)：声波在海水中反射或者折射时，从声源发出的声线束将向声速极小值所在的水层弯曲，此时声能大部分限制在此水层间，没经过海面和海底的反射、散射和吸收，声能损失很少。
物理噪声：来自海洋介质本身运动，波浪、海流、湍流及冰层破裂等产生的噪声。
生物噪声：动物噪声，鲸、海豚、虾群碰撞等引起的噪声。
海洋噪声源在空间的分布是无规则的、运动随时间无规则变化。
海洋噪声可应用到声纳探鱼。
声纳技术对目前军事，渔业等各领域有着重要的应用价值。
【精品】海洋声学基础讲义吴立新
【关键字】精品海洋声学基础——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。
（外装甲板，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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。
2020/
二、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 .6 1 7 5 H 0
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。
2020/
一、海水中的声速
2、声速测量
声速仪是声学装置： •声循环原理工作：
前一个脉冲到达接收 器，触发后一个脉冲从发 射器发出，记录每秒钟脉 冲的发射次数f，发射器 和接收器的距离L已知。 •声速：c=fL。
2020/
一、海水中的声速
2、声速测量
– 声速剖面仪SVP—— Sound Velocity Profile
2020/ຫໍສະໝຸດ 二、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 p 0ex itp kx I p02
传播损失为：
TL 1l0gII1 x0 dB
2020/
二、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：
pp0expitkx
r 传播损失为：
I p02 r2
TL30lgr
（6）n=4 适用偶极子声源或计及平整海面虚源干涉 的远场声传播，相当于计入声波干涉后，对球面波传
播损失的修正。 TL40lgr
2020/
二、海水中的声吸收
吸收系数
在介质中，声吸收和声散射引起的声传播损失经
常同时存在，很难区分开来。
假设平面波传播距离dx后，由于声吸收而引起声
强降低dI，则
TL 1l0gII1 x2l0gr dB
2020/
二、海水中的声吸收
扩展损失
一般，可以把扩展损失写成：
T L n1l0 g 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
TL0
2020/
二、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
指向声源方向的声散射
2020/
三、海底
海底对声传播影响
深海平原反向散射强度与入射角关系:
①在小入射角时，散射强度随入
射角减小而增加。
②在入射角大于15o时，10lgms与 cos2θ成正比—兰伯特散射定律。
③在小入射角时，散射强度一般
与频率无关；
④在大入射角时，散射强度可能
与频率的四次方乘正比。
2020/
2020/
一、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。
2020/
一、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。
特点：在某一深度处有一声速极
大值。
Zm
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，在层内形成正
Z
声速梯度分布。
ch c
2020/
一、海水中的声速
声速垂直分布分类 反声道声速分布：
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/
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。
2020/
一、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：
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—声道轴。
2020/
一、海水中的声速
2020/
二、海水中的声吸收
2020/
三、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
2020/
三、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。
三、海底
海底对声传播影响
粗糙海底反向散射强度与入射角关系: 反向散射强度基本上与入射角和频率无关。
海底声反射和散射 特性由多种因素决 定，是一个复杂过 程。
2020/
三、海底
• 人们关心的海底参数
– 温盐深测量仪CTD— Conductivity, Temperature, Depth
– 抛弃式温度测量仪 XBT ——eXpendable BathyThermograph
2020/
一、海水中的声速
2001年中美联合亚洲海水声实验
2020/
一、海水中的声速
2002年海上实验
2020/
一、海水中的声速
dI2Idx
IxI0e2x
1 2x
ln
I0
Ix
1 x
ln
p0
px
2020/
二、海水中的声吸收
吸收系数
声强可以写成：
IxI01 0x10
1x0lgII0 x2x0lgpp0 x
吸收系数：单位距离的分贝数，dB/m
2 xl0g eln pp 0 x 20lg e8.68 １Neper=8.68dB
2020/
一、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：
cczc
2020/
一、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
2020/
一、海水中的声速
声速垂直分布分类 表面声道声速分布：
2006年海上实验
2020/
一、海水中的声速
3、海洋中声速变化
海洋中声速的垂直分层性质 实测海洋等温线和等盐度线几乎是水平平行的，
也就是说，声速近似为水平分层变化。
cx,y,zcz
2020/
一、海水中的声速
声速梯度 声速梯度： gcd d c zaTgTaSgSaPgP
根据乌德公式
a T 4 .2 0 1 .0T 7 m 4 s C a S 1 .14 m s / a P 0 .17m 5 satm
2020/
二、海水中的声吸收
3、非均匀液体中的声衰减
•海洋内部气泡密度很小，可以忽略它对声吸收影响。 •在有风浪的海面附近，由于风浪搅拌作用，会产生许 多气泡，影响声传播。 •舰船航行形成尾流含有大量气泡，严重影响声传播。
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）
海洋测绘研究生课程——第二讲
海洋的声学特性
阳凡林
山东科技大学测绘学院 海岛（礁）测绘技术国家测绘局重点实验室
二○ 一一年三月二十八日
主要内容
本篇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。
➢海水中的声速 ➢海水中的声吸收 ➢海底声传播
2020/
一、海水中的声速
乌德公式
c 1 4 . 2 T 5 0 . 1 0 T 0 2 3 1 . 1 S 7 3 4 0 . 1 5 P 7
P的单位是大气压。
2020/
一、海水中的声速