第1章与海洋声学有关的海洋特性汇总

水声学原理哈尔滨工程大学水声工程学院2016年2月哈尔滨工程大学硕士学位课程水声学原理2课程简介课程前后衔接本科生课程振动与声基础本科生课程水声学本科生课程计算声学本科生课程数理方程硕士生课程水声学原理本科生课程声纳技术博士生课程水声传播原理本科生课程声学测量本科生课程换能器技术哈尔滨工程大学硕士学位课程水声学原理3课程简介水声学海洋环境的声学特性简正波、射线、虚源声传播规律与水文环境的关系目标的声散射海洋混响强度预报方法水下噪声谱级与噪声级哈尔滨工程大学硕士学位课程水声学原理4课程简介水声传播原理分层介质情况下的声传播深海声道中的声传播非分层介质中的声场声场分布的数值计算（PE）海底声学特性分析哈尔滨工程大学硕士学位课程水声学原理5课程简介课程目的–掌握水下声传播研究中所涉及的声场建模理论、目标声散射建模理论、海洋混响强度和时域波形预报理论、海洋环境噪声场空间特性建模理论等最基础、但却非常重要的水声学基本理论–为三维声场研究、复杂目标的声散射研究、非分层介质中混响研究、复杂海洋环境噪声场空间特性研究提供理论基础，也为水声信号处理算法研究提供一定指导哈尔滨工程大学硕士学位课程水声学原理6课程简介主要内容–与声学相关的海洋特性–海洋声场特性分析与应用–水下目标的回波特性–海面海底的声散射机理与海洋混响–海洋环境噪声场空间相关特性建模理论–声纳系统的设计与声纳性能预报哈尔滨工程大学硕士学位课程水声学原理7课程简介教材–Fundamentalsofoceanacoustics.3rdEd.L.M.Brekhovskikh,Yu.P.Lysanov.Springer,2001.–Fundamentalsofacousticaloceanography.HermannMedwin,CharenceS.Clay.AcademicPress,SanDiego,1998.–海洋声学.布列霍夫斯基赫著,科学出版社,1983年–水声学（第二版）.汪德昭,尚尔昌.科学出版社–实用声纳工程.[英]A.D.Waite著,王德石等译.电子工业出版社,2004年哈尔滨工程大学硕士学位课程水声学原理8课程简介学习方法–课堂听课–查阅文献–数学推导–数值仿真考核形式–闭卷考试？开卷考试？大作业？课程要求第1章与声学相关的海洋特性哈尔滨工程大学硕士学位课程水声学原理10本章主要内容––水体海面/海底声速声速剖面声吸收海洋的可变性(洋流、涡旋、内波、水体垂直微结构、湍流)气泡的声散射深水散射层的散射环境噪声海面的随机起伏海面声散射海底的特性哈尔滨工程大学硕士学位课程水声学原理111.1海水的特性•海水最典型的特性—非均匀性–有规声速剖面—水下声信道–随机不均匀性—散射—声场起伏•海水中的声速–声速经验公式–适用范围温度：℃盐度：‰深度：mzSTTTTc016.0)35)(010.034.1(00029.0055.06.42.144932350T450S10000z哈尔滨工程大学硕士学位课程水声学原理121.1海水的特性•海水中的声速–温度每升高1℃–声速梯度–第一个近似—水平分层介质–内波、大尺度涡漩、洋流和其它因素对海洋分层的影响则需要单独进行讨论。T（℃）51015202530∆c（m/s）4.13.63.12.72.42.11s016.0dzdcg150m102.11.11dzdcca※声速垂直梯度是水平梯度的1000倍；※冷暖流交汇区基本相当。哈尔滨工程大学硕士学位课程水声学原理131.1海水的特性•声速剖面–声速剖面的最大起伏出现在海洋表层—温度、盐度的季节变化和日变化–1000m以下，温度变化甚微，声速随着深度的增大而增大—静压力–日本海—从200-300m深度一直延伸至海底，声速线性增大–黑海—具有相似的声速结构010203005001000150020002500Temperature/CDepth/m1480150015201540156005001000150020002500SoundSpeed/ms-1哈尔滨工程大学硕士学位课程水声学原理141.1海水的特性•声速剖面–深海声信道该信道携带的声线为掠射角的声线：max2/100max]/)(2[cccm※声速差越大，最大声线掠射角就越大，波导就越高效。若大于最大掠射角，声线首先在哪个边界发生反射？哈尔滨工程大学硕士学位课程水声学原理151.1海水的特性•声速剖面–深海声信道•深海声道的声道轴深度一般在1000—1200m•热带—深度延伸至2000m•纬度越高，上部水温受热越小，声道轴逐渐上升甚至升至海面•地中海、黑海与日本海以及温带的太平洋，声道轴位于100-300米•中纬度地区，太平洋声道轴的声速从1450m/s变化到1485m/s；大西洋声道轴的声速则从1450m/s变化到1500m/s。哈尔滨工程大学硕士学位课程水声学原理161.1海水的特性•声速剖面–深海声信道•黑海与波罗的海，有时声道轴之下声速的增加是由于深层暖流所引起。•如果声道轴以下介质的声速只受静压力控制，则该声信道称为hydrostatical声信道。•如果声道轴以下由于高盐度暖水团的出现导致声速升高，则称该声信道为thermal声信道。•典型的thermal水下声信道发生在波罗的海和黑海。哈尔滨工程大学硕士学位课程水声学原理171.1海水的特性•声速剖面–深海声信道※在深海声道中，声传播最大距离只受海水声吸收控制。哈尔滨工程大学硕士学位课程水声学原理181.1海水的特性•声速剖面–深海声信道•HeardIsland：声源频率57Hz、深度157m（声道轴），最远传播距离18000km—远距离声传播印度洋大西洋太平洋哈尔滨工程大学硕士学位课程水声学原理191.1海水的特性•声速剖面–深海声信道•当声源接近水面时，一系列亮区和影区将交替出现•声线经过深水层折射后再次回到浅水区形成了汇聚区—粗实线。汇聚区表现为高声强级。哈尔滨工程大学硕士学位课程水声学原理201.1海水的特性•声速剖面–深海声信道•声场这种独特的带状结构能在很远的距离上观测到•在tropicalAtlantic，人们在400km至2300km的距离上观测到了37个汇聚区（13.89Hz）•由于传播路径上声速剖面的变化，在更远的距离上汇聚区和影区交融在一起哈尔滨工程大学硕士学位课程水声学原理211.1海水的特性•声速剖面–深海声信道•从400km到1000km距离上声场传播损失声源深度21m声波频率111.1Hz汇聚区之间的距离为65km声源深度104m声波频率13.89Hz汇聚区之间的距离为61.7km※不同频率声场汇聚区之间的距离差别是由波导效应引起的。哈尔滨工程大学硕士学位课程水声学原理221.1海水的特性•声速剖面–表面声信道•表面声道可以看作声道轴上移到水面，通常出现在热带和温和区域（tropicalandmoderatezones）。哈尔滨工程大学硕士学位课程水声学原理231.1海水的特性•声速剖面–表面声信道•在南极和北极地区、热带海区的地中海、秋季和冬季的浅海，声速持续增大并非常靠近海底。•北冰洋典型声速剖面如下图所示。表面层较薄、声速最低，声速梯度大，为15m10)54(a哈尔滨工程大学硕士学位课程水声学原理241.1海水的特性•声速剖面–双轴声信道•表面声道和深海声道同时存在时出现这种声道。•声线1保持在表面声道中传播；声线2主要在深海声道中传播；哈尔滨工程大学硕士学位课程水声学原理251.1海水的特性•声速剖面–双轴声信道•双轴声道可在葡萄牙半岛沿岸的北大西洋中观测到。上面的声轴深度在450-500m，底下的声轴深度在2000m。此声速分布的形成是由于地中海高盐暖水团入侵至大西洋1200m深水层的缘故。哈尔滨工程大学硕士学位课程水声学原理261.1海水的特性•声速剖面–反波导声信道•由于太阳的强烈照射使得海面水温高，底下水温低，声速随着深度的增大单调减小。从声源到影区边缘的距离也只有几公里，但影区内声强并不为零，声波的衍射、海水介质不均匀性的散射以及海底反射声对影区声场有贡献。哈尔滨工程大学硕士学位课程水声学原理271.1海水的特性•声速剖面–浅海声信道•浅海和大陆架海域，夏秋季节由于表层海水受到太阳光的很好加热形成了如下图所示的典型声速分布。足够远传播的声波都将受到海底反射的影响，在远距离上导致较大的损失。哈尔滨工程大学硕士学位课程水声学原理281.1海水的特性•声泄漏–水下声道的“非理想性”是指声速沿传播路径的水平变化或声道边界的不平整性。–泄漏是指脉冲信号最初在表面声道（深海声道）中传播，由于声速剖面的水平变化或海面的散射，而后又转到深海声道（表面声道）中去。哈尔滨工程大学硕士学位课程水声学原理291.1海水的特性•声吸收–声吸收=经典声吸收（切变粘滞和热传导）+超吸收（驰豫）–流体的切变粘滞消耗了一部分声能并转化为热能–海水的驰豫过程引起的体积粘滞（volumeviscosity）对频率为100Hz-100kHz声波的吸收是主要因素–另一个引起声强衰减的原因就是介质的散射–散射+吸收=介质声吸收衰减哈尔滨工程大学硕士学位课程水声学原理301.1海水的特性•声吸收–海水衰减系数Marsh和Schulkin经验公式为（3kHz-0.5MHz）：•第一个括号内的第一项代表的驰豫吸收，第二项代表粘滞吸收•第二个括号代表吸收与静水压力的关系。压力的影响很微弱，4km深度上压力引起的衰减系数变化不超过30%。4MgSO哈尔滨工程大学硕士学位课程水声学原理311.1海水的特性•声吸收–更低的频段上（100Hz-3kHz），衰减系数的Thorp公式：•第一项表示硼酸的驰豫吸收，驰豫频率为1kHz；•第二项代表的驰豫吸收，驰豫频率为65kHz；•由于不同海洋pH值不同，硼酸的驰豫吸收有显著的地理位置差别。33BOH4MgSO哈尔滨工程大学硕士学位课程水声学原理321.1海水的特性•声吸收–100Hz时，由于吸收导致声强衰减10倍的距离在8333km，而电磁场和大功率激光的距离都不足1km衰减系数与频率的依赖关系的实验测量结果：包括大西洋、印度洋、太平洋、地中海和红海。经验公式预报中深度取1240m。哈尔滨工程大学硕士学位课程水声学原理331.1海水的特性•声吸收–Kibblewhite和Hampton重新处理了低频声吸收所有相关实验数据，提出了1kHz以下海水声衰减系数–系数考虑了硼酸效应的地域变化，为与频率无关的附加衰减（dB/km）–上式修正的物理机理仍不清楚，与频率无关的大尺度湍流不均匀性的散射可能是其原因之一；在几赫兹时，伴随着声能泄漏的衍射损失也是可观的。随着频率降低，由于衍射造成的衰减将增加。s310)2.42.0(K哈尔滨工程大学硕士学位课程水声学原理341.1海水的特性•声吸收–数学上如何考虑介质的声吸收衰减？设介质的声吸收系数为，声速为。复声速可表示为复波数为：)(cc~ixcc1~k~irikkixcck)1(~~dB/λrikkx/ckr/哈尔滨工程大学硕士学位课程水声学原理351.1海水的特性•声吸收平面波声压可表示为：声强可表示为：声波传播单位波长的衰减为：prkrikrikkirkiirireeep)(~cecpIrki2222IikerIrITLlog20)()(log10)(哈尔滨工程大学硕士学位课程水声学原理361.1海水的特性•声吸收4010ln4010ln4010ln2log20)Hzm()m()λ()λ(cfcekkxriHz:fm/s:cm:•海洋的可变性及对声波的影响–从声学的角度看，海洋是极端变化的：洋流、内波、小尺度湍流扰乱了声速的水平分层，导致了声传播的空间和时间的起伏。–大尺度洋流和锋区（FrontalZone）•大尺度洋流的边界称为锋区—墨西哥