海洋的聲學(xué)特性

1、第三章第三章 海洋的聲學(xué)特性海洋的聲學(xué)特性本講主要內(nèi)容本講主要內(nèi)容n海底聲學(xué)特性（了解）海底聲學(xué)特性（了解）n海面聲學(xué)特性（了解）海面聲學(xué)特性（了解）n海洋內(nèi)部的不均勻性（了解）海洋內(nèi)部的不均勻性（了解）1、海底聲學(xué)特性、海底聲學(xué)特性n海底結(jié)構(gòu)、地形和沉積層是影響聲波傳播的重要因素海底結(jié)構(gòu)、地形和沉積層是影響聲波傳播的重要因素n海底對(duì)聲波的海底對(duì)聲波的吸收吸收、散散射射和和反射反射等聲學(xué)特性關(guān)等聲學(xué)特性關(guān)系到水聲設(shè)備作用距離系到水聲設(shè)備作用距離的遠(yuǎn)近的遠(yuǎn)近n海底聲波反射系數(shù)與海海底聲波反射系數(shù)與海底地形有明顯的依賴關(guān)底地形有明顯的依賴關(guān)系。高于幾千赫頻率的系。高于幾千赫頻率的聲波，海底粗糙度是

2、影聲波，海底粗糙度是影響聲波反射的主要作用響聲波反射的主要作用n反向散射強(qiáng)度反向散射強(qiáng)度(朝聲源方朝聲源方向的聲散射。向的聲散射。) ：?jiǎn)挝粏挝唤缑嫔蠁挝涣Ⅲw角中所界面上單位立體角中所散射出去的功率與入射散射出去的功率與入射波強(qiáng)度之比。波強(qiáng)度之比。n深海平原海底反向散射強(qiáng)度與入射角的關(guān)系深海平原海底反向散射強(qiáng)度與入射角的關(guān)系q在在小入射角小入射角時(shí)，散射時(shí)，散射強(qiáng)度隨入射角增大而減小，強(qiáng)度隨入射角增大而減小，與頻率一般無關(guān)與頻率一般無關(guān)q入射角入射角5度度時(shí)，散射時(shí)，散射強(qiáng)度強(qiáng)度10lgms近似與近似與 成正比成正比q大入射角大入射角時(shí)，散射強(qiáng)度可能與頻率的四次方時(shí)，散射強(qiáng)度可能與頻率的四次方

3、成正比成正比2cosn非常粗糙海底反向散射強(qiáng)度與入射角的關(guān)系非常粗糙海底反向散射強(qiáng)度與入射角的關(guān)系q反向散射強(qiáng)度反向散射強(qiáng)度幾乎幾乎與入射角無關(guān)與入射角無關(guān)q反向散射強(qiáng)度反向散射強(qiáng)度幾乎幾乎與頻率無關(guān)與頻率無關(guān)n人們關(guān)心的海底參數(shù)人們關(guān)心的海底參數(shù)q聲速（聲速（反演反演）q密度（密度（反演反演）q衰減系數(shù)（衰減系數(shù)（反演反演）q底質(zhì)（底質(zhì)（取樣取樣）q垂直分層結(jié)構(gòu)（垂直分層結(jié)構(gòu)（取樣取樣）2001年中美聯(lián)合考察年中美聯(lián)合考察2005年黃海實(shí)驗(yàn)?zāi)挈S海實(shí)驗(yàn)n海底特性探測(cè)海底特性探測(cè)q多波束側(cè)掃聲納探測(cè)海底地形多波束側(cè)掃聲納探測(cè)海底地形n海底沉積層海底沉積層q描述描述：覆蓋海底之上的一層非凝固態(tài)（處

4、于液態(tài)和：覆蓋海底之上的一層非凝固態(tài)（處于液態(tài)和固態(tài)之間）的物質(zhì)。固態(tài)之間）的物質(zhì)。 q聲速聲速：沉積層中有：沉積層中有壓縮波速度壓縮波速度（聲速）（聲速） 和和切變波切變波速度速度 兩種。兩種。q衰減系數(shù)衰減系數(shù)（db/m） k為常數(shù)；為常數(shù)；f為頻率，單位為頻率，單位khz；m為指數(shù)，通常取為指數(shù)，通常取1 n海底聲反射損失海底聲反射損失q定義定義：反射聲振幅相對(duì)入射聲振幅減小的分貝數(shù)：反射聲振幅相對(duì)入射聲振幅減小的分貝數(shù)cscmkfvppblirlg20lg20q海底海底反射系數(shù)模反射系數(shù)模和和反射損失反射損失bl值隨值隨掠射角掠射角的變化的變化 高聲速海底高聲速海底低聲速海底低聲速海底

5、q深海實(shí)測(cè)的海底反射損失深海實(shí)測(cè)的海底反射損失q海底反射損失的三個(gè)特征海底反射損失的三個(gè)特征n存在一個(gè)存在一個(gè)“分界掠射角分界掠射角” ，是海底反射損失，是海底反射損失的一個(gè)特征參數(shù)的一個(gè)特征參數(shù)n當(dāng)當(dāng) 時(shí)，反射損失值較小時(shí)，反射損失值較小,隨隨 增大而增加增大而增加n當(dāng)當(dāng) 時(shí)，反射損失較大時(shí)，反射損失較大,與與 無明顯依賴關(guān)無明顯依賴關(guān)系系n海底反射損失簡(jiǎn)化模型海底反射損失簡(jiǎn)化模型-三參數(shù)模型三參數(shù)模型 2,ln0 ,ln200constvqvq三參數(shù)：三參數(shù)： 、 、q參數(shù)計(jì)算參數(shù)計(jì)算1） 的計(jì)算的計(jì)算2）v0的計(jì)算的計(jì)算3）q的計(jì)算的計(jì)算q0lnv narccos21/ccn nmnmv

6、012m 0lnvq2222sincossincosnimnimviiii注意注意：實(shí)際海底存在吸收：實(shí)際海底存在吸收處理方法：將海底聲速視為處理方法：將海底聲速視為復(fù)數(shù)，此時(shí)不會(huì)發(fā)生全內(nèi)反射。按照書上的方法計(jì)算：復(fù)數(shù)，此時(shí)不會(huì)發(fā)生全內(nèi)反射。按照書上的方法計(jì)算：又又2*2*/re/21ln21lnvvvvvvvvvvv222222222cossincos/sincoscos2nimnnimv令：令：與書上結(jié)果：與書上結(jié)果： 略有不同！略有不同！2121immn222122mmmmq注意：注意：三參數(shù)模型可用于分析海洋中聲場(chǎng)的平均結(jié)構(gòu)三參數(shù)模型可用于分析海洋中聲場(chǎng)的平均結(jié)構(gòu)221210*2imm

7、immimvv2221202*2/remmmmvvvq2、海面聲學(xué)特性、海面聲學(xué)特性 n海面波浪海面波浪q周期性周期性周期、波長、波周期、波長、波速和波高等量描述其特征；速和波高等量描述其特征；q隨機(jī)起伏性隨機(jī)起伏性概率密度分概率密度分布、方差、譜和相關(guān)函數(shù)等布、方差、譜和相關(guān)函數(shù)等描述其特征。描述其特征。n波浪的基本特征波浪的基本特征q重力表面波重力表面波：以重力作為恢復(fù)力的波動(dòng)：以重力作為恢復(fù)力的波動(dòng)q表面張力波表面張力波：以表面張力作為恢復(fù)力：以表面張力作為恢復(fù)力q波浪的形成和等級(jí)波浪的形成和等級(jí)n平均波高平均波高n有效波高有效波高n平均平均1/10最大波高最大波高h(yuǎn)記錄中記錄中1/10

8、最大波高的平均值最大波高的平均值 波峰到波谷垂直距離的平均值波峰到波谷垂直距離的平均值31h記錄中記錄中1/3最大波高的平均值最大波高的平均值101h1013120. 025. 021hhhn波浪的統(tǒng)計(jì)特征波浪的統(tǒng)計(jì)特征q波浪的概率密度分布波浪的概率密度分布 常識(shí)：常識(shí)：在水聲學(xué)中經(jīng)常將波面的概率分布視為高斯分在水聲學(xué)中經(jīng)常將波面的概率分布視為高斯分布。布。 q充分成長的海浪譜充分成長的海浪譜npierson-moskowitz譜（譜（p-m譜）譜）n海面表面層內(nèi)的氣泡層海面表面層內(nèi)的氣泡層q聲波的吸收體聲波的吸收體q聲波的散射體聲波的散射體 n海面對(duì)聲傳播的影響簡(jiǎn)介海面對(duì)聲傳播的影響簡(jiǎn)介 q

9、鏡反射鏡反射q漫散射漫散射：形成散射場(chǎng)。隨著海面粗糙度增加，漫：形成散射場(chǎng)。隨著海面粗糙度增加，漫散射場(chǎng)占主要分量。散射場(chǎng)占主要分量。q反向聲散射反向聲散射：形成海面混響：形成海面混響q海面波動(dòng)：導(dǎo)致海面散射波產(chǎn)生多普勒頻移海面波動(dòng)：導(dǎo)致海面散射波產(chǎn)生多普勒頻移3、海洋內(nèi)部的不均勻性、海洋內(nèi)部的不均勻性n湍流湍流q描述描述：流體流經(jīng)固體表面或是流體內(nèi)部出現(xiàn)的一：流體流經(jīng)固體表面或是流體內(nèi)部出現(xiàn)的一種不規(guī)則運(yùn)動(dòng)。它是一種隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)流。種不規(guī)則運(yùn)動(dòng)。它是一種隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)流。q它形成海水中溫度和鹽度的細(xì)微結(jié)構(gòu)變化，引起它形成海水中溫度和鹽度的細(xì)微結(jié)構(gòu)變化，引起聲速的微結(jié)構(gòu)變化。聲速的微結(jié)構(gòu)變化

10、。 n內(nèi)波內(nèi)波q描述描述：兩種不同密度液體在其疊合界面上所產(chǎn)生：兩種不同密度液體在其疊合界面上所產(chǎn)生的波動(dòng)。的波動(dòng)。q波長可達(dá)幾十公里到幾百公里，波高從波長可達(dá)幾十公里到幾百公里，波高從10米到米到100米。米。q對(duì)低頻、遠(yuǎn)距離的聲傳播信號(hào)有重大影響。對(duì)低頻、遠(yuǎn)距離的聲傳播信號(hào)有重大影響。 n海流海流q描述描述：海水從一個(gè)地方向另一個(gè)地方作連續(xù)流動(dòng)：海水從一個(gè)地方向另一個(gè)地方作連續(xù)流動(dòng)的現(xiàn)象?；驹谒椒较蛏狭鲃?dòng)，流速較快，呈的現(xiàn)象?；驹谒椒较蛏狭鲃?dòng)，流速較快，呈長帶狀。其邊緣將海洋分成物理性質(zhì)差異很大的長帶狀。其邊緣將海洋分成物理性質(zhì)差異很大的水團(tuán)的鋒區(qū)，對(duì)聲波傳播影響較大。水團(tuán)的鋒區(qū)，對(duì)聲波傳播影響較大。n深水散射層深