水声学原理第三章2

第三章海洋的声学特性第六讲海底海面声学特性和海洋内部不均匀性CollegeofUnderwaterAcousticEngineering2本讲主要内容海底声学特性（了解）海面声学特性（了解）海洋内部的不均匀性（了解）CollegeofUnderwaterAcousticEngineering31、海底声学特性海底结构、地形和沉积层是影响声波传播的重要因素CollegeofUnderwaterAcousticEngineering4海底对声波的吸收、散射和反射等声学特性关系到水声设备作用距离的远近海底声波反射系数与海底地形有明显的依赖关系。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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。CollegeofUnderwaterAcousticEngineering5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近似与成正比大入射角时，散射强度可能与频率的四次方成正比2cosCollegeofUnderwaterAcousticEngineering6非常粗糙海底反向散射强度与入射角的关系反向散射强度几乎与入射角无关反向散射强度几乎与频率无关CollegeofUnderwaterAcousticEngineering7人们关心的海底参数声速（反演）密度（反演）衰减系数（反演）底质（取样）垂直分层结构（取样）2001年中美联合考察2005年黄海实验CollegeofUnderwaterAcousticEngineering8海底特性探测多波束侧扫声纳探测海底地形CollegeofUnderwaterAcousticEngineering9海底沉积层描述：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。声速：沉积层中有压缩波速度（声速）和切变波速度两种。衰减系数（dB/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cscmKfVppBLirlg20lg20CollegeofUnderwaterAcousticEngineering10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CollegeofUnderwaterAcousticEngineering11深海实测的海底反射损失CollegeofUnderwaterAcousticEngineering12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2,ln0,ln200constVQVCollegeofUnderwaterAcousticEngineering13三参数：、、参数计算1）的计算2）V0的计算3）Q的计算Q0lnVnarccos21/ccnnmnmV012m0lnVQ2222sincossincosnimnimViiiiCollegeofUnderwaterAcousticEngineering14注意：实际海底存在吸收，可将海底声速视为复数，此时不会发生全内反射。按照书上的方法计算：又2*2***/Re//21ln21lnVVVVVVVVVVV222222222cossincos/sincoscos2nimnnimVCollegeofUnderwaterAcousticEngineering15令：与书上结果：略有不同！2121iMMn222122MMmMQ注意：三参数模型可用于分析海洋中声场的平均结构221210*2iMMiMMimVV2221202*2/ReMMmMVVVQCollegeofUnderwaterAcousticEngineering162、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；随机起伏性——概率密度分布、方差、谱和相关函数等描述其特征。CollegeofUnderwaterAcousticEngineering17波浪的基本特征重力表面波：以重力作为恢复力的波动表面张力波：以表面张力作为恢复力波浪的形成和等级平均波高有效波高平均1/10最大波高波浪的统计特征波浪的概率密度分布常识：在水声学中经常将波面的概率分布视为高斯分布。充分成长的海浪谱Pierson-Moskowitz谱（P-M谱）CollegeofUnderwaterAcousticEngineering18海面表面层内的气泡层声波的吸收体声波的散射体海面对声传播的影响简介镜反射漫散射：形成散射场。随着海面粗糙度增加，漫散射场占主要分量。反向声散射：形成海面混响海面波动：导致海面散射波产生多普勒频移CollegeofUnderwaterAcousticEngineering193、海洋内部的不均匀性湍流描述：流体流经固体表面或是流体内部出现的一种不规则运动。它是一种随机运动的旋转流。它形成海水中温度和盐度的细微结构变化，引起声速的微结构变化。内波描述：两种不同密度液体在其叠合界面上所产生的波动。波长可达几十公里到几百公里，波高从10米到100米。对低频、远距离的声传播信号有重大影响。CollegeofUnderwaterAcousticEngineering20海流描述：海水从一个地方向另一个地方作连续流动的现象。基本在水平方向上流动，流速较快，呈长带状。其边缘将海洋分成物理性质差异很大的水团的锋区，对声波传播影响较大。深水散射层描述：海洋中某些深度上水平聚居的生物群。随着昼夜上下移动，同时也随纬度和季节变化。由于气囊的共振散射，它会产生很大的混响背景（体积混响的主要来源之一）。