第2章海洋聲學(xué)特性

1、第第2 2章章 海洋的聲學(xué)特性海洋的聲學(xué)特性水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性2 從聲傳播角度討論海洋聲學(xué)特性、海洋的不均勻性和多變性，了解水聲信號傳播的信道環(huán)境，為聲納設(shè)計和聲納性能預(yù)報提供理論依據(jù)。水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性32.1 2.1 海水中的聲速海水中的聲速 1cTSPc TSPTSP， ， ， ， 聲速是海水中最重要的聲學(xué)參數(shù)，也是影響聲波在海洋中傳播的最基本的物理量。 海水中聲波為彈性縱波，聲速表達式為：Temperature、Salinity、Pressure絕熱壓縮系數(shù)：水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性42.1 2.1 海水中的聲速海水中的聲速 STPPSTccccc22.1449

2、適用范圍：-3T30、33S37 2525/109801/10013. 1mNPmN個大氣壓 海水中的聲速c（m/s）隨溫度T（）、鹽度S（）、靜壓力P（kg/m2）的增大而增大。其中，溫度的影響最顯著。 通過大量海上聲速測量數(shù)據(jù)，總結(jié)可得到聲速經(jīng)驗公式。較精確的經(jīng)驗公式為：水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性52.1 2.1 海水中的聲速海水中的聲速 海水中鹽度變化不大，典型值取35； 經(jīng)常用深度替代靜壓力，水深每下降10m壓力近似增加1個大氣壓； 1（1oF-32）5/9。水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性62.1 2.1 海水中的聲速海水中的聲速 精確計算聲速有什么意義？精確計算聲速有什么意義？ 水聲

3、學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性72.1 2.1 海水中的聲速海水中的聲速 測量儀器設(shè)備：測量儀器設(shè)備：溫深儀（溫度深度記錄儀）和聲速儀。溫深儀：溫深儀：通過熱敏探頭測量水中溫度，同時通過壓力傳感器給出深度信息，可以轉(zhuǎn)換給出聲速。 水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性82.1 2.1 海水中的聲速海水中的聲速 聲速儀是聲學(xué)裝置聲速儀是聲學(xué)裝置 工作原理：聲循環(huán)工作原理：聲循環(huán) 前一個脈沖到達接收器，觸發(fā)后一個脈沖從發(fā)射器發(fā)出，記錄每秒鐘脈沖的發(fā)射次數(shù)f，發(fā)射器和接收器的距離L已知。 聲速：聲速：c=fL。 水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性92.1 2.1 海水中的聲速海水中的聲速 聲速剖面儀聲速剖面儀SVP So

4、und Velocity Profile 溫鹽深測量儀溫鹽深測量儀CTD Conductivity, Temperature, Depth 拋棄式溫度測量儀拋棄式溫度測量儀XBT eXpendable BathyThermograph水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性102.1 2.1 海水中的聲速海水中的聲速 海上實驗現(xiàn)場吊放海上實驗現(xiàn)場吊放水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性112.1 2.1 海水中的聲速海水中的聲速 海水溫度測量結(jié)果（海水溫度測量結(jié)果（20012001年中美聯(lián)合考察）年中美聯(lián)合考察）水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性122.1 2.1 海水中的聲速海水中的聲速 海水溫度、聲速測量結(jié)果（海水

5、溫度、聲速測量結(jié)果（20022002年）年）水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性132.1 2.1 海水中的聲速海水中的聲速 1）海水中聲速的垂直分層性質(zhì)）海水中聲速的垂直分層性質(zhì) 實測海洋等溫線和等鹽度線幾乎是水平平行的，在不同深度上取不同的值。溫度、鹽度和靜壓力均具有水平分層和隨深度變化的特性，所以聲速具有水平分層和隨深度變化的特性。 zczyxc,水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性142.1 2.1 海水中的聲速海水中的聲速 聲速梯度：聲速梯度：表示聲速隨深度變化的快慢。PPSSTTcgagagadzdcg根據(jù)經(jīng)驗公式 CsmTaTo109. 0326 . 4ooo/391. 1smaSatmsmaP

6、601 . 0聲速梯度PSTcgggTg16. 0391. 1109. 0-623. 4水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性152.1 2.1 海水中的聲速海水中的聲速 2）海水中聲速的基本結(jié)構(gòu)）海水中聲速的基本結(jié)構(gòu)典型深海聲速剖面：典型深海聲速剖面：溫度分布“三層結(jié)構(gòu)”（1）表面層（表面等溫層或混合層）： 海洋表面受到陽光照射，水溫較高，但又受到風(fēng)雨攪拌作用。 水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性162.1 2.1 海水中的聲速海水中的聲速 2）海水中聲速的基本結(jié)構(gòu)）海水中聲速的基本結(jié)構(gòu)典型深海聲速剖面：典型深海聲速剖面：（2）季節(jié)躍變層： 在表面層之下，特征是負溫度梯度或負負聲速梯度，此梯度隨季節(jié)而異。

7、夏、秋季節(jié)，躍變層明顯；冬、春（北冰洋）季節(jié)，躍變層與表面層合并在一起。 水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性172.1 2.1 海水中的聲速海水中的聲速 2）海水中聲速的基本結(jié)構(gòu)）海水中聲速的基本結(jié)構(gòu)典型深海聲速剖面：典型深海聲速剖面：（3）主躍變層： 溫度隨深度巨變的層，特征是負的溫度梯度或負負聲速梯度，季節(jié)對它的影響微弱。 水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性182.1 2.1 海水中的聲速海水中的聲速 2）海水中聲速的基本結(jié)構(gòu)）海水中聲速的基本結(jié)構(gòu)典型深海聲速剖面：典型深海聲速剖面：（4）深海等溫層： 在深海內(nèi)部，水溫比較低而且穩(wěn)定，特征是正正聲速梯度。 在主躍變層（負）和深海在主躍變層（負）和深海等

8、溫層（正）之間，有一等溫層（正）之間，有一聲速極小值聲速極小值聲道軸。聲道軸。 水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性192.1 2.1 海水中的聲速海水中的聲速 請解釋一下深海聲速梯度分布？請解釋一下深海聲速梯度分布？水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性202.1 2.1 海水中的聲速海水中的聲速 2）海水中聲速的基本結(jié)構(gòu)）海水中聲速的基本結(jié)構(gòu)溫度的季節(jié)變化、日變化和緯度變化：溫度的季節(jié)變化、日變化和緯度變化：（1）季節(jié)變化： 百慕大海區(qū)溫度隨月份的變化情況，夏季既有表面等溫層，又有表面負梯度層；冬季有很深的表面混合層。季節(jié)變化對海洋深處的溫度影響較小。 水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性212.1 2.1 海水中

9、的聲速海水中的聲速 2）海水中聲速的基本結(jié)構(gòu)）海水中聲速的基本結(jié)構(gòu)溫度的季節(jié)變化、日變化和緯度變化：溫度的季節(jié)變化、日變化和緯度變化：（2）日變化：高風(fēng)速：中午表面溫度受高風(fēng)速的作用，出現(xiàn)明顯的混合層。低風(fēng)速：表面呈現(xiàn)負溫度梯度，在早晨可能出現(xiàn)正溫度梯度。 水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性222.1 2.1 海水中的聲速海水中的聲速 溫度的季節(jié)變化和日變化主要發(fā)生在溫度的季節(jié)變化和日變化主要發(fā)生在海洋上層。海洋上層。 水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性232.1 2.1 海水中的聲速海水中的聲速 2）海水中聲速的基本結(jié)構(gòu)）海水中聲速的基本結(jié)構(gòu)溫度的季節(jié)變化、日變化和緯度變化：溫度的季節(jié)變化、日變化和緯度

10、變化：（）緯度變化 在低緯度海域，主躍變層的深度較深。 在高緯度海域，等溫層一直延伸到接近海洋表面。 水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性242.1 2.1 海水中的聲速海水中的聲速 2）海水中聲速的基本結(jié)構(gòu)）海水中聲速的基本結(jié)構(gòu)淺海溫度剖面：淺海溫度剖面： 淺海溫度剖面分布具有明顯的季節(jié)特征。在冬季，大多屬于等溫層的溫度剖面，夏季為負躍變層溫度梯度剖面。 水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性252.1 2.1 海水中的聲速海水中的聲速 3）海水溫度和聲速的起伏變化）海水溫度和聲速的起伏變化海洋聲速變化粗略近似描述：將溫度和聲速看成不隨時間變化，只隨深度變化； 實際海水是隨時間和空間起伏變化，等溫層是宏觀而言

11、，微觀而言溫度隨時間起伏變化。 一般海水溫度起伏在下午和靠近海面最大。 溫度起伏原因多種多樣：湍流、海面波浪、渦旋和海中內(nèi)波等因素。 水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性262.1 2.1 海水中的聲速海水中的聲速 特點：特點：(1)在某深度處有一聲速最小值（此深度為聲道軸）。(2)聲道軸隨緯度變化，兩極最淺，赤道最深。4）常見海水聲速分布概要）常見海水聲速分布概要深海聲道聲速分布：深海聲道聲速分布：0cZmZcZmZc0c水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性272.1 2.1 海水中的聲速海水中的聲速 特點：特點：在某深度處有一聲速極大值。形成原因：形成原因：在秋冬季節(jié)，水面溫度較低，加上風(fēng)浪攪拌，海表面層

12、溫度均勻分布，在層內(nèi)形成正聲速梯度分布。 4）聲速垂直分布分類）聲速垂直分布分類表面聲道（混合層聲道）聲速分布：表面聲道（混合層聲道）聲速分布： c hZmZc水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性282.1 2.1 海水中的聲速海水中的聲速 特點：特點：聲速隨深度單調(diào)下降。形成原因：形成原因：海洋上部的海水受到太陽強烈照射的結(jié)果，海水溫度隨深度不斷下降。 4）聲速垂直分布分類）聲速垂直分布分類反聲道聲速分布：反聲道聲速分布：Zc水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性292.1 2.1 海水中的聲速海水中的聲速 特點：特點：聲速隨深度單調(diào)下降。形成原因：形成原因：海洋上部的海水受到太陽強烈照射的結(jié)果。 4）聲速垂

13、直分布分類）聲速垂直分布分類淺海常見聲速分布：淺海常見聲速分布：Zc反聲道聲速分布與淺海常見聲速分布有何不同？反聲道聲速分布與淺海常見聲速分布有何不同？ 水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性302.1 2.1 海水中的聲速海水中的聲速 5）聲速描述）聲速描述 在水聲學(xué)中，經(jīng)常將聲速表示成為確定性的聲速垂直分布與隨機不均勻聲速起伏的線性組合： czcc在后面章節(jié)將分別討論確定性聲速分布和聲速起伏對聲傳播的影響。水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性312.2 2.2 海水中的聲吸收海水中的聲吸收 聲波傳播的強度衰減（傳播損失）原因：聲波傳播的強度衰減（傳播損失）原因：1）擴展損失（幾何衰減）擴展損失（幾何衰減）：

14、聲波波陣面在傳播過程中不斷擴展引起的聲強衰減。2）吸收損失（物理衰減）吸收損失（物理衰減）：介質(zhì)粘滯性、熱傳導(dǎo)性以及馳豫過程引起的聲強衰減。3）散射散射：介質(zhì)的不均勻性引起聲波散射和聲強衰減。包括：海洋中泥沙、氣泡、浮游生物等懸浮粒子以及介質(zhì)本身不均勻性和海水界面引起的聲波散射而導(dǎo)致聲強衰減。水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性322.2 2.2 海水中的聲吸收海水中的聲吸收 傳播損失：度量聲波傳播衰減的物理量。 r1lg10IITL 傳播損失主要由擴展損失和吸收損失兩部分組成：21TLTLTL吸收損失擴展損失傳播損失水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性332.2 2.2 海水中的聲吸收海水中的聲吸收 在理想

15、介質(zhì)中，沿x軸方向傳播簡諧平面波聲壓： 傳播損失為： dBxIITL01lg101kxtippexp020pI 1）平面波的擴展損失）平面波的擴展損失水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性342.2 2.2 海水中的聲吸收海水中的聲吸收 2）球面波的擴展損失）球面波的擴展損失 在理想介質(zhì)中，沿r方向傳播簡諧球面波聲壓： 傳播損失為： kxtirppexp0220rpI 1110lg20lgITLrdBI r水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性352.2 2.2 海水中的聲吸收海水中的聲吸收 3）典型的聲傳播擴展損失）典型的聲傳播擴展損失一般，可以把擴展損失寫成： 根據(jù)不同的傳播條件，n取不同的數(shù)值：n=0 適用

16、平面波傳播，平面波傳播，例如管道中聲傳播。 dBrnTLlg10101TL水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性362.2 2.2 海水中的聲吸收海水中的聲吸收 n=1 適用柱面波傳播柱面波傳播，例如表面聲道和深海聲道，相當于全反射海底和全反射海面組成的理想波導(dǎo)中的聲傳播。 rTLlg101n=3/2 適用計及海底聲吸收時的淺海聲傳播 ，相當于計入界面聲吸收所引起的對柱面波傳播損失修正。 rTLlg1513）典型的聲傳播擴展損失）典型的聲傳播擴展損失水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性372.2 2.2 海水中的聲吸收海水中的聲吸收 n=2 適用球面波傳播球面波傳播，例如開闊水域(自由場)。 rTLlg201n

17、=3 聲波通過淺海聲速負躍變層后的聲傳播。rTLlg301n=4 適用偶極子聲源或計及平整海面虛源干涉的遠場聲傳播，相當于計入聲波多途干涉后，對球面波傳播損失的修正。 rTLlg4013）典型的聲傳播擴展損失）典型的聲傳播擴展損失水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性382.2 2.2 海水中的聲吸收海水中的聲吸收 在介質(zhì)中，聲吸收和聲散射引起的聲傳播損失經(jīng)常同時存在，很難區(qū)分開來，統(tǒng)稱吸收。 假設(shè)平面波傳播距離dx后，由于聲吸收而引起聲強降低dI，則IdxdI2 xeIxI21 xIIx1ln21 xppx1ln1聲壓幅值比的自然對數(shù)為無量綱量，稱為奈貝。聲壓幅值比的自然對數(shù)為無量綱量，稱為奈貝。數(shù)數(shù)

18、水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性392.2 2.2 海水中的聲吸收海水中的聲吸收 聲強可以寫成： 10101xIxI xppxxIIx1lg201lg10 吸收系數(shù)：單位距離衰減的分貝數(shù)，dB/m 120lgln20lg8.68peexp x聲強之比的以聲強之比的以10為底的對數(shù)為貝爾（為底的對數(shù)為貝爾（Bell），貝），貝爾值的爾值的10倍稱為分貝（倍稱為分貝（dB）。）。 Neper=8.68dB1）聲傳播吸收損失）聲傳播吸收損失水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性402.2 2.2 海水中的聲吸收海水中的聲吸收 聲吸收引起的傳播損失（吸收系數(shù)乘以傳播距離）： 2I 1TL =10lgI xx 總傳播

19、損失（擴展吸收）總傳播損失（擴展吸收）rrnTLlg10 吸收系數(shù) 可由經(jīng)驗公式計算得到，也可查閱有關(guān)曲線和數(shù)值表得到。1）聲傳播吸收損失）聲傳播吸收損失水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性412.2 2.2 海水中的聲吸收海水中的聲吸收 純水超吸收純水超吸收 1947年，Hall提出水的結(jié)構(gòu)馳豫理論，成功解釋了水介質(zhì)的超吸收原因。曲線AHall理論計算曲線B經(jīng)典聲吸收純水實際吸收系數(shù)的測量值遠大于經(jīng)典吸收系數(shù)純水實際吸收系數(shù)的測量值遠大于經(jīng)典吸收系數(shù)理論值，兩者差值稱為超吸收。理論值，兩者差值稱為超吸收。 水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性422.2 2.2 海水中的聲吸收海水中的聲吸收 2）純水和海水的

20、超吸收）純水和海水的超吸收海水超吸收海水超吸收 海水中含有溶解度較小的MgSO4，它的化學(xué)反應(yīng)的馳豫過程引起超吸收。 在聲波作用下，在聲波作用下，MgSO4化學(xué)反化學(xué)反應(yīng)的平衡被破壞，達到新的動應(yīng)的平衡被破壞，達到新的動態(tài)平衡，這種化學(xué)的馳豫過程，態(tài)平衡，這種化學(xué)的馳豫過程，導(dǎo)致聲波的吸收。導(dǎo)致聲波的吸收。 水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性432.2 2.2 海水中的聲吸收海水中的聲吸收 3）吸收系數(shù)經(jīng)驗公式）吸收系數(shù)經(jīng)驗公式 Schulkin和Marsh根據(jù)頻率225kHz、距離22km范圍內(nèi)3萬次測量結(jié)果，歸納的半經(jīng)驗公式： 2222/rrrSf ffABdB kmfff21068 . 1A2

21、1086. 2B1520627321.9 10TrfkHz馳豫頻率隨溫度升高而增加馳豫頻率隨溫度升高而增加 。水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性442.2 2.2 海水中的聲吸收海水中的聲吸收 主要是主要是MgSO4馳豫現(xiàn)象引起的嗎？馳豫現(xiàn)象引起的嗎？ 實驗結(jié)果：海水中含有溶解度很大的NaCI，NaCI的存在使得海水超吸收反而下降。這是由于NaCI對水分子結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生影響所致。在高頻，NaCI濃度越大，吸收越小。 在在5kHz頻率以下低頻，聲吸收又明顯增加，比頻率以下低頻，聲吸收又明顯增加，比S-M公式所給的結(jié)果更大，為什么？公式所給的結(jié)果更大，為什么？ 這是由于海水還存在包括硼酸鹽在內(nèi)的其它化學(xué)馳

22、豫現(xiàn)象。水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性452.2 2.2 海水中的聲吸收海水中的聲吸收 Thorp給出了低頻段（馳豫頻率約為1kHz）吸收系數(shù)的經(jīng)驗公式（適用4溫度附近 ）： kmdBffff/41007 .401910. 02222 在低頻，若計入純水的粘滯系數(shù)，則吸收系數(shù)為： kmdBfffff/1010 . 341007 .401910. 02422223）吸收系數(shù)經(jīng)驗公式）吸收系數(shù)經(jīng)驗公式水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性462.2 2.2 海水中的聲吸收海水中的聲吸收 4）吸收系數(shù)與壓力關(guān)系）吸收系數(shù)與壓力關(guān)系 隨壓力的增加而減?。?深度每增加1km其吸收系數(shù)減小6.7%。 H50H1067

23、. 61海水聲吸收系數(shù)與海水聲吸收系數(shù)與等因素有關(guān)，但鹽度影響較小；對于不同聲波頻等因素有關(guān)，但鹽度影響較??；對于不同聲波頻率，應(yīng)選擇不同的經(jīng)驗公式計算海水的吸收系數(shù)。率，應(yīng)選擇不同的經(jīng)驗公式計算海水的吸收系數(shù)。 水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性472.2 2.2 海水中的聲吸收海水中的聲吸收 一般海水含有各種雜質(zhì)，如氣泡、浮游生物、懸浮粒子以及湍流形成溫度不均勻區(qū)等，增加海水聲傳播損失。 含有氣泡群的海水具有非常高的聲吸收：熱傳導(dǎo)效應(yīng)：熱傳導(dǎo)效應(yīng)：氣泡壓縮、膨脹，內(nèi)部溫度升高，發(fā)生熱交換，聲能轉(zhuǎn)化為熱能而消耗掉。粘滯性：粘滯性：海水對氣泡壓縮、膨脹粘滯作用，消耗部分聲能。聲散射：聲散射：氣泡壓縮

24、、膨脹形成二次聲輻射，對入射聲產(chǎn)生散射，使聲能明顯減小。 水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性482.2 2.2 海水中的聲吸收海水中的聲吸收 海洋內(nèi)部氣泡密度很小，可以忽略它對聲吸收影響。在有風(fēng)浪的海面附近，由于風(fēng)浪攪拌作用，會產(chǎn)生許多氣泡，影響聲傳播。艦船航行形成尾流含有大量氣泡，嚴重影響聲傳播。水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性492.2 2.2 海水中的聲吸收海水中的聲吸收 l一艘驅(qū)逐艦以一艘驅(qū)逐艦以15節(jié)航速航行將產(chǎn)生節(jié)航速航行將產(chǎn)生500m長的尾流，長的尾流，8kHz衰減系數(shù)為衰減系數(shù)為0.8dB/m，40kHz衰減系數(shù)為衰減系數(shù)為1.8dB/m。l1節(jié)節(jié)1海里海里/小時小時0.515米米/秒（

25、秒（1海里海里1852米）米） 水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性502.2 2.2 海水中的聲吸收海水中的聲吸收 水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性511）海底是海洋地質(zhì)學(xué)和地球物理學(xué)的研究對象，主）海底是海洋地質(zhì)學(xué)和地球物理學(xué)的研究對象，主要要包括海底結(jié)構(gòu)、地形地貌和沉積層特性等研究；包括海底結(jié)構(gòu)、地形地貌和沉積層特性等研究；2）海底是海洋聲信道界面，對入射的聲波產(chǎn)生散射）海底是海洋聲信道界面，對入射的聲波產(chǎn)生散射和反射，影響聲波傳播和水聲設(shè)備工作；和反射，影響聲波傳播和水聲設(shè)備工作；3）水聲學(xué)中海底指的是沉積層）水聲學(xué)中海底指的是沉積層覆蓋巖基之上的處于液態(tài)和固態(tài)之間的物質(zhì)層。覆蓋巖基之上的處于液態(tài)

26、和固態(tài)之間的物質(zhì)層。2.2.3 3 海底及其聲學(xué)特性海底及其聲學(xué)特性 水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性52 人們關(guān)心的海底參數(shù)人們關(guān)心的海底參數(shù) 聲速（反演）聲速（反演） 密度（反演）密度（反演） 衰減系數(shù)（反演）衰減系數(shù)（反演） 底質(zhì)（取樣）底質(zhì)（取樣） 垂直分層結(jié)構(gòu)（取樣）垂直分層結(jié)構(gòu)（取樣）20012001年中美聯(lián)合考察年中美聯(lián)合考察20052005年黃海實驗?zāi)挈S海實驗2.2.3 3 海底及其聲學(xué)特性海底及其聲學(xué)特性 水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性53實驗研究表明實驗研究表明：（1）海底聲波反射系數(shù)與海底地形有明顯依賴關(guān)系。（2）對于高于幾千赫頻率聲波，海底粗糙度是影響聲波反射主要作用。 海底

27、粗糙，反射系數(shù)小；海底平坦，反射系數(shù)大。1、海底反射系數(shù)隨海底地形的變化、海底反射系數(shù)隨海底地形的變化2.2.3 3 海底及其聲學(xué)特性海底及其聲學(xué)特性 水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性542、深海平原的反向散射強度、深海平原的反向散射強度反向散射波：反向散射波：聲波投射到海底表面，產(chǎn)生的散射波分布于海底以上整個半空間，其中返回聲源的散射波。反向散射強度反向散射強度：單位界面上反向散射出去的功率與入射波強度之比的分貝數(shù)。 2.2.3 3 海底及其聲學(xué)特性海底及其聲學(xué)特性 水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性55深海平原深海平原反向散射強度與入射角關(guān)系關(guān)系: :在入射角小于15o時，散射強度隨入射角減小而增加

28、；在入射角大于15o時，10lgms近似與cos2成正比；蘭伯特散射定律蘭伯特散射定律。在小入射角時，散射強度一般與頻率無關(guān)； 在大入射角時，散射強度隨頻率變大而變大。 2.2.3 3 海底及其聲學(xué)特性海底及其聲學(xué)特性 水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性563、粗糙海底的反向散射強度、粗糙海底的反向散射強度粗糙海底反向散射強度與入射角關(guān)系關(guān)系: :l反向散射強度基本上與入射角和頻率無關(guān)。 海底聲反射和散射海底聲反射和散射特性由多種因素決特性由多種因素決定，是一個復(fù)雜過定，是一個復(fù)雜過程，需考慮多種因程，需考慮多種因素的綜合效應(yīng)。素的綜合效應(yīng)。2.2.3 3 海底及其聲學(xué)特性海底及其聲學(xué)特性 水聲學(xué)第

29、2章 海洋的聲學(xué)特性574 4、海底沉積層、海底沉積層概念描述：概念描述：覆蓋海底之上的一層非凝固態(tài)非凝固態(tài)（處于液態(tài)和固態(tài)之間）的物質(zhì)。 厚度分布：厚度分布：不同海域，沉積層厚度差別大，在幾米幾千米范圍內(nèi)變化。描述的量：描述的量：層厚度、密度、孔隙率、壓縮波波速、切變波波速、衰減系數(shù)等。2.2.3 3 海底及其聲學(xué)特性海底及其聲學(xué)特性 水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性584 4、海底沉積層、海底沉積層物理性質(zhì)物理性質(zhì)1 1）密度和孔隙率）密度和孔隙率沉積層密度（指飽和容積密度：水無機物）：swnn1孔隙率n 體積百分比3/024. 1cmgws海底沉積層類型：第一類近海岸海區(qū)和淺海，以陸源海底沉

30、積層類型：第一類近海岸海區(qū)和淺海，以陸源沉積物為主；第二類深海丘陵和多山地形，以石灰質(zhì)沉積物為主；第二類深海丘陵和多山地形，以石灰質(zhì)淤泥為主；第三類深海平原，以細黏土和淤泥為主淤泥為主；第三類深海平原，以細黏土和淤泥為主。2.2.3 3 海底及其聲學(xué)特性海底及其聲學(xué)特性 水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性592 2）聲速）聲速 沉積層中有壓縮波速度（聲速）和切變波速度：Hamilton給出三種不同類型沉積物的聲速、密度給出三種不同類型沉積物的聲速、密度和孔隙度的實驗值（見教材）。和孔隙度的實驗值（見教材）。 GEc34Gcs2.2.3 3 海底及其聲學(xué)特性海底及其聲學(xué)特性 水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特

31、性602 2）聲速）聲速 沉積層中聲速和孔隙率之間關(guān)系：2123. 0764.215 .2475nnc大陸架：2.2.3 3 海底及其聲學(xué)特性海底及其聲學(xué)特性 nc043. 03 .1509深海丘陵：nc937. 05 .1602深海平原：水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性613 3）衰減系數(shù)）衰減系數(shù) 測量得沉積層中聲波衰減系數(shù)：mKf常數(shù)K與孔隙率有關(guān)；頻率f單位為kHz；m為指數(shù)，通常m1。A曲線為近陸地沉積層；B曲線為沿海粘土沙地；C曲線為深海海底。2.2.3 3 海底及其聲學(xué)特性海底及其聲學(xué)特性 水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性625 5、海底反射損失、海底反射損失海底反射損失：海底反射損失：

32、反射聲幅值相對入射聲幅值減小的分貝數(shù)，定義為： VppBLirlg20lg20 海底反射損失為正值，BL分貝數(shù)越大，海底反射損失越大，表示透射海底聲能越多； 海底反射損失與沉積物類型、聲波頻率和掠射角密切相關(guān)。2.2.3 3 海底及其聲學(xué)特性海底及其聲學(xué)特性 水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性631 1）高聲速海底（淺海）高聲速海底（淺海）特點：特點：海底呈液態(tài)、聲速大于海水聲速。 曲線a是海底沒有聲吸收情況；曲線b和c是海底有聲吸收情況；曲線c海底聲吸收大于曲線b海底聲吸收。 12cc 1n2.2.3 3 海底及其聲學(xué)特性海底及其聲學(xué)特性 水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性642 2）低聲速海底（深海）

33、低聲速海底（深海）特點：特點：聲速小于海水聲速。 曲線a是海底沒有聲吸收情況；曲線b和c是海底有聲吸收情況；曲線c海底聲吸收大于曲線b海底聲吸收。 12cc1n2.2.3 3 海底及其聲學(xué)特性海底及其聲學(xué)特性 水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性653 3）實測海底反射損失）實測海底反射損失 根據(jù)深海實測到的海底反射損失的平均值繪制的，小掠射角的數(shù)據(jù)是實驗值的外推。 2.2.3 3 海底及其聲學(xué)特性海底及其聲學(xué)特性 水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性663 3）實測海底反射損失）實測海底反射損失海底沉積層的反射損失隨掠射角變化的三個特征：三個特征：（1）存在一個“分界掠射角” ；當 時，反射損失值較?。划?

34、時，反射損失較大。 是海底反射損失的一個特征參數(shù)。（2）小掠射角 范圍內(nèi)，反射損失隨 而增加。（3）大掠射角 范圍內(nèi)，反射損失與 無明顯依賴關(guān)系，有時會出現(xiàn)反射損失值的“振蕩”變化，一般可近似為常數(shù)。 2.2.3 3 海底及其聲學(xué)特性海底及其聲學(xué)特性 水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性674 4）海底聲反射損失三參數(shù)模型）海底聲反射損失三參數(shù)模型根據(jù)海底反射特征，我國學(xué)者尚爾昌提出三參數(shù)模型：三參數(shù)模型： 2ln0ln0constVQVQ0lnV該模型表示海底反射損失的基本特征。2.2.3 3 海底及其聲學(xué)特性海底及其聲學(xué)特性 水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性684 4）海底聲反射損失三參數(shù)模型）海底聲

35、反射損失三參數(shù)模型0VQ全內(nèi)反射臨界角掠射角等于反射系數(shù)模2 narccosnmnmV0 0lnVQ分析聲場的平均結(jié)構(gòu)分析聲場的平均結(jié)構(gòu)參數(shù)計算：參數(shù)計算：2.2.3 3 海底及其聲學(xué)特性海底及其聲學(xué)特性 水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性695 5）海底聲反射研究理論模型）海底聲反射研究理論模型 理論研究模型： 將海底看作流體或懸浮粒流體，并考慮聲吸收； 將海底看作流體層，聲波在海底上的反射等同于介質(zhì)層上聲反射； 將海底看作固體，聲波在海底上的反射等同于聲波在流體-固體界面上的反射。2.2.3 3 海底及其聲學(xué)特性海底及其聲學(xué)特性 水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性702.2.4 4 海面及其聲學(xué)特性海

36、面及其聲學(xué)特性 海面波浪特征描述：海面波浪特征描述：周期性周期、波長、波速和波高隨機起伏性概率密度函數(shù)、方差、譜和相關(guān)函數(shù)水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性711 1）重力波）重力波 以重力作為恢復(fù)力的波動，波浪屬于重力波：1 1、波浪基本特征、波浪基本特征cTck 2忽略粘滯性的影響，水深 h的均勻海洋波速：khkgctanh22.2.4 4 海面及其聲學(xué)特性海面及其聲學(xué)特性 水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性722 2）表面張力波）表面張力波 以表面張力作為恢復(fù)力的波動。小風(fēng)速，海洋波速為：khkTkgcftanh2波長與波速之間的變波長與波速之間的變化關(guān)系，重力波與表化關(guān)系，重力波與表面張力波不同。

37、面張力波不同。 2.2.4 4 海面及其聲學(xué)特性海面及其聲學(xué)特性 水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性732 2）表面張力波）表面張力波 對于小波長的波：1tanhkhkTkgcf2 波速與頻率有關(guān)，形成波浪頻散彌散（頻散）波； 單一頻率的波的傳播速度由相速度決定； 對于多個頻率傳播的波，其傳播速度由群速度決定，能量的傳播速度。2.2.4 4 海面及其聲學(xué)特性海面及其聲學(xué)特性 水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性743 3）波浪形成和等級）波浪形成和等級波浪形成：波浪形成：與風(fēng)速、風(fēng)持續(xù)時間、風(fēng)區(qū)等因素有關(guān)。風(fēng)傳給波浪的能量波浪破碎損失能量充分成長波浪2.2.4 4 海面及其聲學(xué)特性海面及其聲學(xué)特性 水聲學(xué)第

38、2章 海洋的聲學(xué)特性753 3）波浪形成和等級）波浪形成和等級H平均波高記錄中1/10最大波高的平均值 波峰到波谷垂直距離的平均值31H有效波高記錄中1/3最大波高的平均值101H平均1/10最大波高1013120. 025. 021HHH2.2.4 4 海面及其聲學(xué)特性海面及其聲學(xué)特性 -22.50.18 10Hs水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性761 1）波浪概率密度分布）波浪概率密度分布 海面偏離平衡位置的位移服從高斯分布2 2、波浪統(tǒng)計特征、波浪統(tǒng)計特征 222212Pe 實際測量表明：海面的概率分布服從正偏態(tài)的實際測量表明：海面的概率分布服從正偏態(tài)的Gram-Charlier分布，與高斯

39、分布稍有差別。分布，與高斯分布稍有差別。 2.2.4 4 海面及其聲學(xué)特性海面及其聲學(xué)特性 水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性772 2）充分成長海浪譜）充分成長海浪譜 P-M（Pierson-Moskovitz）波浪的波譜：2 2、波浪統(tǒng)計特征、波浪統(tǒng)計特征 5435expSgssasgg3101 . 8a74. 02.2.4 4 海面及其聲學(xué)特性海面及其聲學(xué)特性 水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性782 2）充分成長海浪譜）充分成長海浪譜 P-M譜只反映了波浪譜的部分特性，是波譜的近似表達式； 實際海面波高是隨機量，可用它的功率譜、相關(guān)函數(shù)來描述其特性。2 2、波浪統(tǒng)計特征、波浪統(tǒng)計特征2.2.4 4

40、 海面及其聲學(xué)特性海面及其聲學(xué)特性 水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性79 有風(fēng)浪的海面下經(jīng)常形成一層空氣泡，它的厚度和濃度取決于波浪要素、表層水的湍動混合強度、空化強度以及溶解在水中的空氣飽和程度。 對海面附近的聲傳播和海洋環(huán)境噪聲有重要影響。3 3、海面氣泡層、海面氣泡層2.2.4 4 海面及其聲學(xué)特性海面及其聲學(xué)特性 水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性80 海表面的起伏直接影響海面聲反射系數(shù)的大小和相位，影響大小取決于海面的平整程度。 海面平整度的描述參數(shù)瑞利參數(shù)：4 4、海面平整度、海面平整度2.2.4 4 海面及其聲學(xué)特性海面及其聲學(xué)特性 cos2kR 122海面波高的標準差海面波高的標準差 22-1RRR海面是平整的；海面是不平整的；極小海面反射系近似等于 。水聲學(xué)第2章 海洋的聲學(xué)特性815