水声学基础4_1

cz cs 1 az 0 z H
海表面声 速值
a0
海表面混合 层的厚度
4.1 表面声道（混合层声道）
（1）声线和参数
c0 cs 1 az0
c cs 1 az
cH cs 1 aH
cos 0 cos s cos cos H c0 cs c cH
（1）声线和参数
跨度D：声线在海面相邻两次反射点之间的水平距离。
4.1 表面声道（混合层声道）
（1）声线和参数
声线传播水平距离公式:
r
sin s sin a cos s
海面掠射角 s 声线的跨度D：
D 2tg s a
跨度D与反转深度 z m 的关系
s D 2 z m ctg 2
表面声道的截止频率：
f0 9c s 8 H 8aH
max
8 H 8aH 9
4.1 表面声道（混合层声道）
３、传播损失
近距离：TL 20 lg r L r 103 远距离：TL 10 lg r 5 lg H 20.9 L r 103 混合声道声强级沿深度的变化： •混合层内声强值大于球面扩展 的声强值，传播损失小于球面波 的传播损失； •在混合层以下声强小于球面扩 展声强，传播损失显著增加； •声波频率越高，离表面声道截 止频率越远，声道现象越明显。
r a2r 2 t N 1 2 cs 24 N
4.1 表面声道（混合层声道）
（2）传播时间
大西洋实验记录：爆炸声源位于700米深，接收点位于1200 米深，两者相距1880千米。 确定信号的整个持续时间，只 考虑声道声线，有：
a2r 3 2 2 T N min N max 24cS a 2 r 3 2 aHr T Nmin T 24cS 3cS
r0＝ 325 H
12
THE END
作业
1．表面声道的混合层中的声线传播具有那些特 点？ 2．什么是反转深度？什么是临界声线和跨度？
3．画出表面声道声速分布，应用射线理论解释 声波在表面波道中远距离传播的原因？ 4．分别说明或画图表示表面波道中声强沿深度 和水平方向的分布规律。
4.1 表面声道（混合层声道）
（1）声线和参数 反转深度：在表面声道中传播的声线发生反转的深度 反转深度特点：声线的掠射角 0 根据折射定律，可得反转深度
cos 0 1 zm 1 az0 1 azm
az0 2 sin
2
0
2
a cos 0
2 sin
2
s
2
zm
4.1 表面声道（混合层声道）
•声道特点： 在混合层中，声线几乎被完全限制在表面层中传播， 声线不断受海面反射，小掠射角声线在混合层底部不 断发生反转，因而，声信号在表面声道中可远距离传 播。
4.1 表面声道（混合层声道）
1、表面声道“线性”模型和声传播 根据表面声道传播的主要特征，把声速简化为线性 正梯度分布：
表面声道及其声传播
本章主要目的
•运用射线声学方法讨论常见海洋波导的声传播规律。 •了解声波在何种海洋波导的可以实现远距离传播以及 对水声设备的影响。
c0
Zm
c
Zm
ch c
c
c
Z
Z
Z
Z
4.1 表面声道（混合层声道）
•声道形成原因： 由于海洋中湍流和风浪对表面海水的搅拌作用，在 海表面下形成一定厚度的温度均匀的混合层（等温 层）。在层内温度均匀，压力随深度增加，声速呈正 梯度分布。
4.1 表面声道（混合层声道）
（1）声线和参数
由跨度的表达式可知：海面掠射角越大，跨度也越大。
最大跨度：
Dmax
8H a
最小跨度：
Dmin
8z0 a
4.1 表面声道（混合层声道）
（1）声线和参数
循环数N：在声源与接收点之间所容纳不同掠射角声线跨度数目。 讨论： 循环数N越大，声线越接近海面， N 沿海面传播的声线。 循环数N越大，相邻声线的掠射角越接近，声线越密集，声能 越集中。 声源辐射到层厚 z m 内的声能量W与掠射角有如下关系为：
声波的反转引入的相位损下行 波之和；在反转点 以下声场为沿深度 方向指数衰减的非 均匀波。
4.1 表面声道（混合层声道）
２、表面声道截止频率
根据不均匀反射系数满足自由海面边界条件，表面声道的 各阶简正波的临界频率：
3 3cs f n 2n H 2 2 8 2a 3
sm 2aH
4.1 表面声道（混合层声道）
当声源处掠射角 0m 或海面掠射角 sm 的 声线被束缚在声道内传播，称为“声道声线”； 反之，未被束缚的声线越出表面声道，进入 z H 深水域中，在传播时经历海底反射，有较强的衰 减，因而在较远距离上可被忽略。
4.1 表面声道（混合层声道）
信号持续时间与距离成正比。
4.1 表面声道（混合层声道）
２、表面声道截止频率
在表面声道中，入射平面波 为从海表面向下传播的声波，反 射平面波为经过反转点后由深度 H向上传播的波。 反射波与入射波之间的相移： 深度方向上，传播路径引起的相移
2 kz dz 2 k sin dz
0 0
H
H
a cos s
4.1 表面声道（混合层声道）
（1）声线和参数 一般来说在表面声道传播的声线掠射角都是小量， 近似可得：
z m z0
2 0
2a
zm
s2
2a
临界角：在表面声道层深处发生反转的声线，其声源处和海
面处的掠射角最大，称为临界角；该声线为临界声线。
0m 2aH z0
W 1 zm s
（声源均匀辐射）
声源辐射声能主要集中在海表面层附近，类似于“北 京天坛的回音壁”、“夜半钟声到客船”。
4.1 表面声道（混合层声道）
（2）传播时间
假设声源与接收器靠近海面，则有源到接收器N次循环的 声线的总传播时间近似为：
讨论： 最接近海底传播的声线（N最小），传播时间最短，最先到 达接收点；最靠近海面传播的声线（N最大），传播时间最长， 最后到达接收点。换句话说，声线在海面反射的次数越多，其 传播时间越长。 单位时间内到达接收点的声线数目随N增加而增大。