第4章典型传播条件下声传播

第4章典型传播条件下声传播2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。ZmZc0cchZmZcZcZc第4章典型传播条件下声传播水声学1、波动表示方法xoSS1zP(x,y,z)(0,z1)(0,-z1)R1R2R设点源S靠近海面，视海面为绝对软平面，根据镜反射原理引入虚源S1。P点接收声压：212111jkRjkReReRp4.1邻近海面的水下点源声场3第4章典型传播条件下声传播水声学从射线声学的角度来讲，接收点是由直达声线和海面反射系数为-1的反射声线叠加。对于平整海面，为什么可利用平面声波的反射系数代替球面波的反射系数？4.1邻近海面的水下点源声场1、波动表示方法4第4章典型传播条件下声传播水声学2、声压振幅随距离的变化假设、，则可得1zRzR21221212121RzzRzRzzrR21221212221RzzRzRzzrR22yxr4.1邻近海面的水下点源声场5第4章典型传播条件下声传播水声学1221Rz121Rzz接收点P声压：2111-1-12221111222211-1+22jzRjkzzRjkzzRjkRzzzzzzpeeeeRRRRR11122cossinjkRzzzzzzpkjkeRRRRRzzkRp1sin24.1邻近海面的水下点源声场6第4章典型传播条件下声传播水声学2、声压振幅随距离的变化（1）211NkzzRN,2,1,0N声压取极大值，且是单个点源的两倍。直达声与海面反射声同相叠加。NRp24.1邻近海面的水下点源声场7第4章典型传播条件下声传播水声学2、声压振幅随距离的变化（2）声压取极小值。直达声与海面反射声反相叠加。合成声压不等于零，是由于两者到接收点距离不等。MkzzRM1,2,1M312MRzzp4.1邻近海面的水下点源声场8第4章典型传播条件下声传播水声学2、声压振幅随距离的变化（3）近场菲涅耳（Fresnel）干涉区向远场夫朗和费（Fraunhofer）区过渡点：0210NkzzR12kzzR212122rkzzRkzzp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，该干涉现象仍存在。4.1邻近海面的水下点源声场9第4章典型传播条件下声传播水声学3、传播损失120lg20lgsinkzzTLRRRTLlg60MkzzR1,2,1MRTLlg40)(21区FraunhoferkzzR4.1邻近海面的水下点源声场10第4章典型传播条件下声传播水声学4、非绝对反射海面下的传播损失海面散射镜向反射弥漫散射相干波非相干波4.1邻近海面的水下点源声场11第4章典型传播条件下声传播水声学反射系数由平均反射系数给出：V反映海面散射场中相干散射成分的大小，与波浪的垂直位移、声波频率和掠射角有关。104.1邻近海面的水下点源声场12第4章典型传播条件下声传播水声学4、非绝对反射海面下的传播损失直达声与海面反射声的合成声场：RzzRjkRzzRjkeReRp11121122cos211RkzzRpRkzzRTL122cos21lg10lg204.1邻近海面的水下点源声场13第4章典型传播条件下声传播水声学4、非绝对反射海面下的传播损失14问题：表面声道如何形成？有何特征？4.2表面声道（混合层声道）水声学第4章典型传播条件下声传播15•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。4.2表面声道（混合层声道）水声学第4章典型传播条件下声传播16•声道特点：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。水声学第4章典型传播条件下声传播4.2表面声道（混合层声道）17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：001aHzazczcs海表面声速值海表面混合层的厚度水声学第4章典型传播条件下声传播1、表面声道“线性”模型和声传播4.2表面声道（混合层声道）18001azccsazccs1aHccsH100coscoscoscossHsHcccc水声学第4章典型传播条件下声传播1）声线和参数4.2表面声道（混合层声道）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mz000zDsc0cHccz0z水声学第4章典型传播条件下声传播1）声线和参数4.2表面声道（混合层声道）1920azzm2200azsm22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：002000cos2sin2111cosaazzazazmmssmazcos2sin22根据折射定律，可得反转深度水声学第4章典型传播条件下声传播1）声线和参数4.2表面声道（混合层声道）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。002zHamaHsm2cz0z00m0sm0minsHr水声学第4章典型传播条件下声传播1）声线和参数4.2表面声道（混合层声道）21当声源处掠射角或海面掠射角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。m0smHz水声学第4章典型传播条件下声传播22跨度D：声线在海面相邻两次反射点之间的水平距离。cz0z00m0sm0minsmaxDminDHmzDr水声学第4章典型传播条件下声传播231）声线和参数4.2表面声道（混合层声道）24声线传播水平距离公式:ssarcossinsin海面掠射角s声线的跨度D：atgDs2跨度D与反转深度mz的关系22smctgzD水声学第4章典型传播条件下声传播1）声线和参数4.2表面声道（混合层声道）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：aHD8max最小跨度：azD0min8cz0z00m0sm0minsmaxDminDHmzDr水声学第4章典型传播条件下声传播251）声线和参数4.2表面声道（混合层声道）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：循环数N：声源与接收点之间所容纳不同掠射角声线跨度数目。atgNNDrsNsN2,2,1,NNararctgsN2特征声线对应的掠射角为：水声学第4章典型传播条件下声传播261）声线和参数4.2表面声道（混合层声道）讨论：循环数N越大，声线越接近海面，N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mz内的声能量W与掠射角有如下关系为：smzW1沿海面传播的声线。（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”。水声学第4章典型传播条件下声传播271）声线和参数4.2表面声道（混合层声道）声线经过微元ds的传播时间：根据折射定律，可得：传播时间：sinzcdzzcdsdtdzzcacdconstzccossincos0221100sin1sin1lnsin1sin1ln21cos121actdact水声学第4章典型传播条件下声传播282）传播时间4.2表面声道（混合层声道）跨度的传播时间：假设声源与接收器靠近海面，则由源到接收器N次循环的声线的总传播时间近似为：循环数为N的声线掠射角为：42002416112sin1sin1ln1sssssacactsD206112ssNacNtNararctgs2水声学第4章典型传播条件下声传播292）传播时间4.2表面声道（混合层声道）利用级数：222124NsrartcN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。即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。331xxarctgx水声学第4章典型传播条件下声传播302）传播时间4.2表面声道（混合层声道）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：2322minmax24SarTNNc232min243SSaraHrTNTcc信号持续时间与距离成正比。水声学第4章典型传播条件下声传播312）传播时间4.2表面声道（混合层声道）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。32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0022sinHHzkdzkdz声波的反转引入的相位损失。2在反转点以上声场为上行波和下行波之和；在反转点以下声场为沿深度方向指数衰减的非均匀波。水声学第4章典型传播条件下声传播2、表面声道截止频率4.2表面声道（混合层声道）33假设反射波与入射波的模相等，则海面的反射系数：根据自由海面边界条件，反射系数满足：2sin2exp0HdzkjVjVexp,2,1,022sin20nndzkH水声学第4章典型传播条件下声传播2、表面声道截止频率4.2表面声道（混合层声道）34根据折射定理，则传播路径引起的相移：表面声道各阶简正波的临界频率：23002220220324222112sin2HcadzzHcadzzcHccdzHczcdzksHsHsHH23283223Hacnfsn水声学第4章典型传播条件下声传播2、表面声道截止频率4.2表面声道（混合层声道）35当n=0时，可求得表面声道的截止频率：表面声道传播所允许的最大波长为：aHHcfs8890988maxaHH注意：这里利用不均匀反射系数近似表示式所应满足的边界条件，推导出表面声道的截止频率。波动理论是利用频散方程的根求得。水声学第4章典型传播条件下声传播2、表面声道截止频率4.2表面声道（混合层声道）36设表面声道中有一无方向性点源，在表面声道中作远距离传播声线掠射角，离点声源单位距离处，在到范围内的声束能量分布在面积上：mmmm1AmmmdAsin4cos21水声学第4章典型传播条件下声传播3、传播损失4.2表面声道（混合层声道）37rHA22在远距离r处，忽略介质吸收和声漏射（声波海面散射引起的），声束能量分布在高度为H、半径为r圆柱面积A2上：通过面积A1和A2功率是相同的，则距离r处的声传播损失为：012lg10sin2lg10lg10rrrHAATLmr0称为过渡距离当传播距离rr