水声学原理4

第三章海洋的声学特性第五讲海洋声学参数及传播损失CollegeofUnderwaterAcousticEngineering2第二章知识要点介质的特性阻抗与声阻抗率平面波球面波柱面波发生全透射的条件、特点发生全反射的条件、特点发生全内反射的条件、特点等间距均匀点源离散直线阵的方向性函数CollegeofUnderwaterAcousticEngineering3主瓣、栅瓣、旁瓣的位置主极大、副极大、次极大、零点的位置方向锐角或波束宽度、-3dB波束宽度波束宽度与基阵孔径、声波频率的关系可逆换能器阵的发射方向性与接收方向性关系CollegeofUnderwaterAcousticEngineering4本讲主要内容声速经验公式（了解）海洋中声速的变化（重点）传播衰减概述（重点）纯水和海水的超吸收（重点）非均匀液体中的声衰减（了解）CollegeofUnderwaterAcousticEngineering51．海水中的声速声速(SoundSpeed)：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流体介质中，声波为弹性纵波，声速为：式中，密度和绝热压缩系数都是温度T、盐度S和静压力P的函数，因此，声速也是Temperature、Salinity、Pressure的函数。sc1sCollegeofUnderwaterAcousticEngineering6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总结得到的。Caution：单位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。CollegeofUnderwaterAcousticEngineering7PSTTc175.03514.1037.021.41450225/10013.11mNatm式中，压力P单位是大气压乌德公式CollegeofUnderwaterAcousticEngineering8声速测量声速剖面仪SVP——SoundVelocityProfile温盐深测量仪CTD—Conductivity,Temperature,Depth抛弃式温度测量仪XBT——eXpendableBathyThermographCollegeofUnderwaterAcousticEngineering92001年中美联合亚洲海水声实验CollegeofUnderwaterAcousticEngineering102002年海上实验CollegeofUnderwaterAcousticEngineering112006年海上实验CollegeofUnderwaterAcousticEngineering12海洋中的声速变化海洋中声速的垂直分层性质声速梯度zczyxc,,PPSSTTcgagagadzdcg1.温度变化1度，声速变化约4m/s2.盐度变化1‰，声速变化约1m/s3.压力变化1个大气压，声速变化约0.2m/sCollegeofUnderwaterAcousticEngineering13典型深海声速剖面Caution：在主跃变层和深海等温层之间，有一声速极小值—声道轴海中声速的基本结构CollegeofUnderwaterAcousticEngineering14温度垂直分布的“三层结构”：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。季节跃变层：在表面层之下，特征是负温度梯度或声速梯度，此梯度随季节而异。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。主跃变层：温度随深度巨变的层，特征是负的温度梯度或声速梯度，季节对它的影响微弱。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。CollegeofUnderwaterAcousticEngineering15温度的季节变化、日变化和纬度变化季节变化近百慕大海区温度随月份的变化情况CollegeofUnderwaterAcousticEngineering16说明：温度的季节变化和日变化主要发生在海洋上层温度日变化和纬度变化CollegeofUnderwaterAcousticEngineering17浅海温度剖面浅海温度剖面分布具有明显的季节特征：•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。CollegeofUnderwaterAcousticEngineering18海水温度的起伏变化温度起伏的原因多种多样：湍流海面波浪涡旋内波等因素——声传播起伏的原因之一CollegeofUnderwaterAcousticEngineering19声速分布分类（分成四类）第一类深海声道声速分布右图为深海声道典型声速分布，特点：•在某一深度处有一声速最小值。•两图不同之处：•图（a）表面声速小于海底声速；•图（b）表面声速大于海底声速。CollegeofUnderwaterAcousticEngineering20声速分布分类第二类表面声道声速分布右图为表面声道声速分布，特点：•在某一深度处有一声速极大值。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，在层内形成正声速梯度分布CollegeofUnderwaterAcousticEngineering21声速分布分类第三类反声道声速分布右图为反声道声速分布，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。CollegeofUnderwaterAcousticEngineering22声速分布分类右图为浅海常见声速分布，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。图（d）与图（e）不同之处：•后者是浅海中的负梯度分布，需计入海底对声传播的影响。第四类浅海常见声速分布CollegeofUnderwaterAcousticEngineering232．海水中的声吸收传播衰减概述声波传播的强度衰减（传播损失）原因：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。吸收损失：均匀介质的粘滞性、热传导性以及其它驰豫过程引起的声强衰减。散射：介质的不均匀性引起的声波散射导致声强衰减不均匀性包括：海洋中泥沙、气泡、浮游生物等悬浮粒子以及介质本身的不均匀性和海水界面对声波的散射。CollegeofUnderwaterAcousticEngineering24扩展损失简谐平面波声压没有扩展损失简谐球面波声压扩展损失kxtippexp0dBxIITL01lg10krtirppexp0dBrrIITLlg201lg10CollegeofUnderwaterAcousticEngineering25扩展损失的一般形式n=0：适用管道中的声传播，平面波传播，TL=0；n=1：适用表面声道和深海声道，柱面波传播，TL=10logr，相当于全反射海底和全反射海面组成的理想波导中的传播条件；n=1.5：适用计及海底声吸收时的浅海声传播，TL=15logr，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；n=2：适用于开阔水域（自由场），球面波传播，TL=20logr；dBrnTLlg10CollegeofUnderwaterAcousticEngineering26吸收系数均匀介质的声吸收介质切变粘滞的声吸收（经典声吸收）介质热传导声吸收（经典声吸收）驰豫吸收（超吸收）dx假设平面波传播距离后，由于声吸收而引起声强降低为，则IdxdI2dIxeIxI20CollegeofUnderwaterAcousticEngineering27xppx0ln1取自然对数得：为声压振幅的自然对数衰减，无量纲，称为：奈贝(Neper)物理意义：单位距离的分贝数，Neper/m通常将声强写成下式：10010xIxI取常用对数得：xppxxIIx00lg20lg10物理意义：单位距离的分贝数，dB/mxpp/ln0CollegeofUnderwaterAcousticEngineering28rrnTLlg10总传播损失（扩展+吸收）等于：68.8lg20lnlg200exppex即：1Neper=8.68dB111lg10xxxxIITL声吸收引起的传播损失：CollegeofUnderwaterAcousticEngineering29纯水声吸收系数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纯水的超吸收CollegeofUnderwaterAcousticEngineering30海水的超吸收Caution：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来计算海水的吸收系数海水和淡水的声吸收系数CollegeofUnderwaterAcousticEngineering31非均匀液体中的声衰减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。常识：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）。CollegeofUnderwaterAcousticEngineering32本讲思考题海水中的声速与哪些因素有关？画出三种常见的海水声速分布。声波在海水中传播时其声强会逐渐减少。（1）说明原因；（2）解释什么叫物理衰减？什么叫几何衰减？（3）写出海洋中声传播损失的常用TL表达式，并指明哪项反映的主要是几何衰减，哪项反映的主要是物理衰减；（4）试给出三种不同海洋环境下的几何衰减的TL表达式。声呐A，B有相等的声源级，但声呐A工作频率fA高于声呐B工作频率fB,问哪台声呐作用距离远，说明原因。