海洋的声学特性

第2章海洋的声学特性水声学第2章海洋的声学特性2从声传播角度讨论海洋声学特性、海洋的不均匀性和多变性，了解水声信号传播的信道环境，为声呐设计和声呐性能预报提供理论依据。水声学第2章海洋的声学特性32.1海水中的声速1cTSPcTSPTSP，，，，，，声速是海水中最重要的声学参数，也是影响声波在海洋中传播的最基本的物理量。海水中声波为弹性纵波，声速表达式为：Temperature、Salinity、Pressure绝热压缩系数：水声学第2章海洋的声学特性42.1海水中的声速1、声速经验公式STPPSTccccc22.1449适用范围：3℃T30℃、33‰S37‰2525/109801/10013.1mNPmN个大气压海水中的声速c（m/s）随温度T（℃）、盐度S（‰）、静压力P（kg/m2）的增大而增大。其中，温度的影响最显著。通过大量海上声速测量数据，总结可得到声速经验公式。较精确的经验公式为：水声学第2章海洋的声学特性52.1海水中的声速1、声速经验公式•海水中盐度变化不大，典型值取35‰；•经常用深度替代静压力，水深每下降10m压力近似增加1个大气压；•1℃＝（1oF-32）5/9。水声学第2章海洋的声学特性62.1海水中的声速海水声速的数值变化相对于本身虽然很小，但它对声传播特性可能产生大的改变，导致海水中的声能分布、声传播距离、传播时间等量发生明显变化，因此需要有准确的声速数值。精确计算声速有什么意义？水声学第2章海洋的声学特性72.1海水中的声速2、声速测量测量仪器设备：温深仪（温度深度记录仪）和声速仪。温深仪：通过热敏探头测量水中温度，同时通过压力传感器给出深度信息，可以转换给出声速。水声学第2章海洋的声学特性82.1海水中的声速2、声速测量声速仪是声学装置•工作原理：声循环前一个脉冲到达接收器，触发后一个脉冲从发射器发出，记录每秒钟脉冲的发射次数f，发射器和接收器的距离L已知。•声速：c=fL。水声学第2章海洋的声学特性92.1海水中的声速2、声速测量–声速剖面仪SVPSoundVelocityProfile–温盐深测量仪CTDConductivity,Temperature,Depth–抛弃式温度测量仪XBTeXpendableBathyThermograph水声学第2章海洋的声学特性102.1海水中的声速海上实验现场吊放水声学第2章海洋的声学特性112.1海水中的声速海水温度测量结果（2001年中美联合考察）水声学第2章海洋的声学特性122.1海水中的声速海水温度、声速测量结果（2002年）水声学第2章海洋的声学特性132.1海水中的声速3、海水中声速变化1）海水中声速的垂直分层性质实测海洋等温线和等盐度线几乎是水平平行的，在不同深度上取不同的值。温度、盐度和静压力均具有水平分层和随深度变化的特性，所以声速具有水平分层和随深度变化的特性。zczyxc,,水声学第2章海洋的声学特性142.1海水中的声速3、海水中声速变化声速梯度：表示声速随深度变化的快慢。PPSSTTcgagagadzdcg根据经验公式CsmTaTo109.0326.4ooo/391.1smaSatmsmaP601.0声速梯度PSTcgggTg16.0391.1109.0-623.4水声学第2章海洋的声学特性152.1海水中的声速2）海水中声速的基本结构典型深海声速剖面：温度分布“三层结构”（1）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。水声学第2章海洋的声学特性162.1海水中的声速2）海水中声速的基本结构典型深海声速剖面：（2）季节跃变层：在表面层之下，特征是负温度梯度或负声速梯度，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。水声学第2章海洋的声学特性172.1海水中的声速2）海水中声速的基本结构典型深海声速剖面：（3）主跃变层：温度随深度巨变的层，特征是负的温度梯度或负声速梯度，季节对它的影响微弱。水声学第2章海洋的声学特性182.1海水中的声速2）海水中声速的基本结构典型深海声速剖面：（4）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。在主跃变层（负）和深海等温层（正）之间，有一声速极小值—声道轴。水声学第2章海洋的声学特性192.1海水中的声速请解释一下深海声速梯度分布？水声学第2章海洋的声学特性202.1海水中的声速2）海水中声速的基本结构温度的季节变化、日变化和纬度变化：（1）季节变化：百慕大海区温度随月份的变化情况，夏季既有表面等温层，又有表面负梯度层；冬季有很深的表面混合层。季节变化对海洋深处的温度影响较小。水声学第2章海洋的声学特性212.1海水中的声速2）海水中声速的基本结构温度的季节变化、日变化和纬度变化：（2）日变化：•高风速：中午表面温度受高风速的作用，出现明显的混合层。•低风速：表面呈现负温度梯度，在早晨可能出现正温度梯度。水声学第2章海洋的声学特性222.1海水中的声速温度的季节变化和日变化主要发生在海洋上层。水声学第2章海洋的声学特性232.1海水中的声速2）海水中声速的基本结构温度的季节变化、日变化和纬度变化：（３）纬度变化•在低纬度海域，主跃变层的深度较深。•在高纬度海域，等温层一直延伸到接近海洋表面。水声学第2章海洋的声学特性242.1海水中的声速2）海水中声速的基本结构浅海温度剖面：浅海温度剖面分布具有明显的季节特征。在冬季，大多属于等温层的温度剖面，夏季为负跃变层温度梯度剖面。水声学第2章海洋的声学特性252.1海水中的声速3）海水温度和声速的起伏变化•海洋声速变化粗略近似描述：将温度和声速看成不随时间变化，只随深度变化；•实际海水是随时间和空间起伏变化，等温层是宏观而言，微观而言温度随时间起伏变化。•一般海水温度起伏在下午和靠近海面最大。•温度起伏原因多种多样：湍流、海面波浪、涡旋和海中内波等因素。水声学第2章海洋的声学特性262.1海水中的声速特点：(1)在某深度处有一声速最小值（此深度为声道轴）。(2)声道轴随纬度变化，两极最浅，赤道最深。4）常见海水声速分布概要深海声道声速分布：0cZmZcZmZc0c水声学第2章海洋的声学特性272.1海水中的声速特点：在某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。4）声速垂直分布分类表面声道（混合层声道）声速分布：chZmZc水声学第2章海洋的声学特性282.1海水中的声速特点：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，海水温度随深度不断下降。4）声速垂直分布分类反声道声速分布：Zc水声学第2章海洋的声学特性292.1海水中的声速特点：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。4）声速垂直分布分类浅海常见声速分布：Zc反声道声速分布与浅海常见声速分布有何不同？水声学第2章海洋的声学特性302.1海水中的声速5）声速描述在水声学中，经常将声速表示成为确定性的声速垂直分布与随机不均匀声速起伏的线性组合：czcc在后面章节将分别讨论确定性声速分布和声速起伏对声传播的影响。水声学第2章海洋的声学特性312.2海水中的声吸收1、海水中的声传播损失声波传播的强度衰减（传播损失）原因：1）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。2）吸收损失（物理衰减）：介质粘滞性、热传导性以及驰豫过程引起的声强衰减。3）散射：介质的不均匀性引起声波散射和声强衰减。包括：海洋中泥沙、气泡、浮游生物等悬浮粒子以及介质本身不均匀性和海水界面引起的声波散射而导致声强衰减。水声学第2章海洋的声学特性322.2海水中的声吸收1、海水中的声传播损失传播损失：度量声波传播衰减的物理量。r1lg10IITL传播损失主要由扩展损失和吸收损失两部分组成：21TLTLTL吸收损失扩展损失传播损失水声学第2章海洋的声学特性332.2海水中的声吸收在理想介质中，沿x轴方向传播简谐平面波声压：传播损失为：dBxIITL01lg101kxtippexp020pI2、声传播的扩展损失1）平面波的扩展损失水声学第2章海洋的声学特性342.2海水中的声吸收2）球面波的扩展损失在理想介质中，沿r方向传播简谐球面波声压：传播损失为：kxtirppexp0220rpI1110lg20lgITLrdBIr水声学第2章海洋的声学特性352.2海水中的声吸收3）典型的声传播扩展损失一般，可以把扩展损失写成：根据不同的传播条件，n取不同的数值：n=0适用平面波传播，例如管道中声传播。dBrnTLlg10101TL水声学第2章海洋的声学特性362.2海水中的声吸收n=1适用柱面波传播，例如表面声道和深海声道，相当于全反射海底和全反射海面组成的理想波导中的声传播。rTLlg101n=3/2适用计及海底声吸收时的浅海声传播，相当于计入界面声吸收所引起的对柱面波传播损失修正。rTLlg1513）典型的声传播扩展损失水声学第2章海洋的声学特性372.2海水中的声吸收n=2适用球面波传播，例如开阔水域(自由场)。rTLlg201n=3声波通过浅海声速负跃变层后的声传播。rTLlg301n=4适用偶极子声源或计及平整海面虚源干涉的远场声传播，相当于计入声波多途干涉后，对球面波传播损失的修正。rTLlg4013）典型的声传播扩展损失水声学第2章海洋的声学特性382.2海水中的声吸收在介质中，声吸收和声散射引起的声传播损失经常同时存在，很难区分开来，统称吸收。假设平面波传播距离dx后，由于声吸收而引起声强降低dI，则IdxdI2xeIxI21xIIx1ln21xppx1ln1声压幅值比的自然对数为无量纲量，称为奈贝。3、声传播吸收损失和吸收系数水声学第2章海洋的声学特性392.2海水中的声吸收声强可以写成：10101xIxIxppxxIIx1lg201lg10吸收系数：单位距离衰减的分贝数，dB/m120lgln20lg8.68peexpx声强之比的以10为底的对数为贝尔（Bell），贝尔值的10倍称为分贝（dB）。１Neper=8.68dB1）声传播吸收损失水声学第2章海洋的声学特性402.2海水中的声吸收声吸收引起的传播损失（吸收系数乘以传播距离）：2110lgITLxIx总传播损失（扩展＋吸收）rrnTLlg10吸收系数可由经验公式计算得到，也可查阅有关曲线和数值表得到。1）声传播吸收损失水声学第2章海洋的声学特性412.2海水中的声吸收2）纯水和海水的超吸收纯水超吸收1947年，Hall提出水的结构驰豫理论，成功解释了水介质的超吸收原因。•曲线A—Hall理论计算•曲线B—经典声吸收纯水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。Why?水声学第2章海洋的声学特性422.2海水中的声吸收2）纯水和海水的超吸收海水超吸收海水中含有溶解度较小的MgSO4，它的化学反应的驰豫过程引起超吸收。在声波作用下，MgSO4化学反应的平衡被破坏，达到新的动态平衡，这种化学的驰豫过程，导致声波的吸收。水声学第2章海洋的声学特性432.2海水中的声吸收3）吸收系数经验公式Schulkin和Marsh根据频率2~25kHz、距离22km范围内3万次测量结果，归纳的半经验公式：2222/rrrSfffABdBkmfff21003.2A2104.29B1520627321.910TrfkHz驰豫频率随温度升高而增加。水声学第2章海洋的声学