水声学原理第五章1

第五章典型传播条件下的声场第十一讲邻近海面的水下点源声场及表面声道CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU2本讲主要内容第四章小结邻近海面的水下点源声场表面声道声线参数CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU30、第四章小结定解条件第一类齐次边界条件（绝对软）第二类齐次边界条件（绝对硬）边界上密度或声速的有限间断（压力和法向振速连续）波动声学简正波临界频率波导截止频率简正波的特征简正波相速度简正波群速度CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU40、第四章小结射线声学基本物理量的描述射线声学声线、声线的传播时间、传播距离、声能量平面波、球面波的声线图程函方程声线声学的应用条件Snell折射定律恒定声速梯度下声线轨迹方程求解一般采用曲率半径，结合平面几何的方法CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU50、第四章小结射线声学恒定声速梯度下声线水平传播距离求解曲率半径和平面几何法已知掠射角时的传播距离公式已知深度时的传播距离公式声线图绘制聚焦因子物理意义CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU6一、邻近海面的水下点源声场解的表示靠近海面有一点源在S点，接收点在P点，求接收点P处的声压。将海面视为绝对软的平面，根据镜反射原理引入一个虚源S1CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU7解的表示：这里利用平面声波的反射系数代替球面波的反射系数，对于平整海面来说是正确的。声压振幅随距离的变化212111jkRjkReReRp21221212121RzzRzRzzRR21221212221RzzRzRzzRRnznnzz!)1()1(1)1(一、邻近海面的水下点源声场CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU8解的表示声压振幅随距离的变化则：声压振幅近似为：RzjjkRRjkzzRjkzzeeeRzzRzeRzzRzRp22122121221211121211jkReRzzkjRzzkRzzRp1121sincos2RzzkRp1sin2一、邻近海面的水下点源声场CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU9解的表示声压振幅随距离的变化当，时，声压取极大值，且幅度为单个点源的两倍。：直达声与海面反射声同相叠加。211NkzzRN,2,1,0NNRp/2max一、邻近海面的水下点源声场RzzkRp1sin2CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU10解的表示声压振幅随距离的变化当，时，声压取极小值：直达声与海面反射声反相叠加。MkzzRM1,2,1M31min/2MRzzp一、邻近海面的水下点源声场jkReRzzkjRzzkRzzRp1121sincos2RzzkRp1sin2CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU11解的表示声压振幅随距离的变化近场菲涅耳（Fresnel）干涉区向远场夫朗和费（Fraunhofer）区过渡点，即：当时，声压振幅为102kzzR12kzzR212Rkzzp),max(MNRR一、邻近海面的水下点源声场jkReRzzkjRzzkRzzRp1121sincos2RzzkRp1sin2CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU12一、邻近海面的水下点源声场解的表示声压振幅随距离的变化：菲涅耳区夫朗和费区近场菲涅耳区声压振幅起伏变化，远场夫朗和费区声压振幅单调变化；对于非均匀声速分布，上述干涉现象仍然存在。102kzzRCollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU13传播损失定义：近场当时：当时：远场RkzzRTL1sinlg20lg20RTLlg60RTLlg4012kzzR一、邻近海面的水下点源声场)/(1MkzzR)21(/1NkzzRRTLlg20CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU14非绝对反射海面下的声场解的表示声压振幅：传播损失：RzzRjkRzzRjkeReRp11121122cos211RkzzRpRkzzRTL122cos21lg10lg20此处不是1而是一、邻近海面的水下点源声场CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU15二、表面声道表面声道声线参数：表面声道如何形成？有何特征？CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU160,0,1aHzazczcsHHsscccccoscoscoscos00001azccsaHccsH1二、表面声道声道的“线性”模型和声传播声速模型由Snell定律知：mz000zDsc0cHccz0zCollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU17二、表面声道反转深度概念：在表面声道中传播的声线发生反转的深度反转深度处声线的特点：声线的掠射角为零mz000zDsc0cHccz0zCollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU18反转深度同理：声线掠射角是小量，反转深度可近似为：002000cos2sin2111cosaazzazazmmssmazcos2sin22azzm2200azsm22二、表面声道CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU19二、表面声道临界角概念：在表面声道下边界发生反转的声线，其声源处和海面处的掠射角都达到极大值，该角称为临界角；该声线称为临界声线cz0z00m0sm0minsHrCollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU20临界角声源处的临界角：海面处的临界角：：1)声源处掠射角或海面处掠射角的声线被束缚在声道内传播，称为“声道声线”；2)未被束缚的声线越出表面声道，进入深度的水域中，在传播时经历海底反射，有较强的衰减，在较远距离上可被忽略。002zHamaHsm2m0smHz二、表面声道CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU21二、表面声道跨度概念：声线在海面相邻两次反射点之间的水平距离cz0z00m0sm0minsmaxDminDHmzDrCollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU22跨度已知海面掠射角时：已知反转深度时：：海面处掠射角越大，跨度也越大aaDsss/tan2cossinsin2)(s)(mz22smctgzD二、表面声道CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU23海面处最大掠射角：跨度最大跨度：最小跨度：举例：由乌德公式可求，，当混合层深度时，临界声线海面掠射角和最大跨度分别为：海面处最小掠射角：aHD/8max0min2azsazD/80minsmcs145015102.1mamH500度弧度3.611.0maxskmD3.18max二、表面声道aaDsss/tan2cossinsin2aHsm2CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU24循环数N概念：在声源与接收点之间所容纳的不同掠射角声线跨度的数目，称为循环数。假设声源和接收器位于海面附近，相距为r，有许多不同循环次数的声线（信道的多途）可以到达接收点（特征声线），它们在海面处的掠射角满足方程：特征声线对应的掠射角为：aNNDrsNsNtan2,2,1,NNarsN2arctan二、表面声道CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU25循环数N循环数N越大，声线越接近海面，相应于沿海面传播的声线。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。声源辐射到层厚内的声能量W与掠射角有如下关系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”。NmzsmzW1~二、表面声道azsm22sW~CollegeofUnderwaterAcousticEngineeringHEU26THEEND