聲學(xué)原理- 16講傳播特殊現(xiàn)象及規(guī)律

1§13.1反射和折射1.基本特點(diǎn)：

海水或大氣，其密度、溫度以致運(yùn)動(dòng)速度等都是變化著的,并且主要是在鉛直方向上（隨深度或高度）變化。具有這種特性的介質(zhì)稱為“分層介質(zhì)”，而某個(gè)參量隨深（高）度的變化稱為“剖面”。

水聲學(xué)和大氣聲學(xué)的基本課題之一就是研究某一剖面下的聲線。第十三章聲傳播的“特殊”現(xiàn)象及規(guī)律2

只要存在聲速的突變面就會(huì)發(fā)生聲波的反射和折射。(1).突變面是由兩種不同介質(zhì)中聲速的不同形成；(2).同一種介質(zhì)，但在兩部分之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以致其中的有效聲速存在差異。若計(jì)入介質(zhì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，斯奈爾折射定律被修正為：(1)其中

1，2分別為兩種介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)速度（如是同一種介質(zhì)的兩部分，則C1=C2）。(3).同一種介質(zhì)，若密度和溫度在某界面上產(chǎn)生突變，反射和折射同樣會(huì)發(fā)生。2.基本規(guī)律：flash3

(1)“順風(fēng)耳”:特點(diǎn)：在順風(fēng)方向，風(fēng)速隨高度遞增，有效聲速遞增；在逆風(fēng)方向，風(fēng)速隨高度遞減，有效聲速遞減。通常聲源和聽者都在地面附近，聲源發(fā)出的聲線一開始基本是由下向上，在順風(fēng)方向是從有效聲速較小的氣層進(jìn)入聲速較大的氣層，此時(shí)折射角>入射角，即折射線向上的趨勢弱于入射線，直到發(fā)生全內(nèi)反射，這樣從聲源發(fā)出的聲線在順風(fēng)方向最終都返回地面，這對(duì)于地面的聽者自然就聽得好了。逆風(fēng)時(shí)情形恰好為相反，聲線向上彎曲，聲音都跑到高空去了，地面上的聽者自然就聽不到了?！罢！焙汀胺闯！眰鞑?5（2）.聽聞條件的季節(jié)性變化若不考慮風(fēng)的影響，則只要存在聲速的正梯度－－即聲速隨高度的增加而增加，就必然出現(xiàn)良好的聽聞條件。由于聲速與溫度成正比，故良好的聽聞條件又直接同溫度的正梯度相關(guān)。冬季晴朗的夜晚：地面溫度低，空氣溫度相對(duì)較高，聽聞條件好。夏季炎熱的白天：地面溫度高，空氣溫度相對(duì)較涼，聽聞條件壞。6（3）“反?！甭晜鞑?/p>

在“正?！鼻闆r下，一個(gè)聲源發(fā)出的聲音是在離聲源愈近的地方聽起來愈響。但在大氣中，有時(shí)會(huì)有相反的現(xiàn)象，即在較近的地方聽不見而在較遠(yuǎn)的地方反而能聽得見，這種奇怪而反常的現(xiàn)象叫做“反?！甭晜鞑ァ?/p>

3“正?！焙汀胺闯！眰鞑?例子：1921年9月21日，在德國奧帕(Oppau)發(fā)生了一次軍火庫大爆炸，強(qiáng)烈的爆炸聲傳出數(shù)百公里之遙。之后的調(diào)查結(jié)果表明，在離聲源300km之外的許多地方聽到了聲音，而許多相距不到100km的地方反而未聽到聲音，形成了一個(gè)寬度超過100km的“寂靜區(qū)”,原因是由于大氣剖面非常復(fù)雜，以不同仰角從聲源出發(fā)的聲線各有不同的路徑，出發(fā)仰角小于某一角度的聲線最終回到地面，并在地面反射后再周而復(fù)始的循環(huán)下去；而仰角大于該角度的聲線則有的在更高高度上折回地面，有的則一去不復(fù)返。84.側(cè)面波

費(fèi)馬(Fermat)發(fā)現(xiàn)：波總是沿著“波程”為極小值的路徑傳播,或波總是沿著所需時(shí)間為最短的路徑傳播,反射、折射以及介質(zhì)性質(zhì)連續(xù)變化時(shí)的聲線路徑都遵循費(fèi)馬原理。9討論：（1）根據(jù)費(fèi)馬定律，循聲線0AP所需時(shí)間為極??；（2）循聲線OACP所需時(shí)間也是極小值；從O點(diǎn)同時(shí)出發(fā)，沿路徑OB，然后在不同的C點(diǎn)轉(zhuǎn)入第一介質(zhì)中的聲線，經(jīng)歷相同時(shí)間所抵達(dá)的P點(diǎn)的軌跡形成了一個(gè)錐面，其母線與通過O’并與OO’成角的直線正交。該波陣面從分界面開始（在界面上與第二介質(zhì)的球形折射波陣面相銜接），一直延伸到與球形反射波陣面相切，此為“側(cè)面波”?？梢宰C明：即由源點(diǎn)到觀察點(diǎn)P的聲信號(hào)最先是以側(cè)面波的形式到達(dá)的。地震勘探法正是以這種側(cè)面波的記錄和分析為基礎(chǔ)的。105.波導(dǎo)傳播(1).波導(dǎo)、聲道在分層介質(zhì)中，盡管剖面的具體形狀會(huì)隨緯度、季節(jié)甚至天氣情況而變，但在大的趨勢上總會(huì)有兩個(gè)極小值存在，只是在出現(xiàn)的高度上有所變化。在有些情況下，還會(huì)有第三個(gè)波導(dǎo)出現(xiàn)，即當(dāng)聲速在地面上有極小值時(shí)，這種波導(dǎo)成為“落地波導(dǎo)”。若在出現(xiàn)聲速極小值的高度(稱為聲道軸)附近有一聲源，所有聲線將分別在聲道軸上、下方的某兩個(gè)高度的水平面上周而復(fù)始的發(fā)生全反射，從而聲波能量就完全被局限在這兩個(gè)平面之間，就像是沿著一個(gè)以此二平面為壁的“管道”中傳播。而常見的情況是聲源并不處于聲道軸附近，但只要一旦有聲線進(jìn)入聲道，就會(huì)被“俘獲”并從此沿著聲道傳播。11(2).細(xì)語廊·回音壁現(xiàn)象：北京天壇的回音壁；倫敦圣保羅大教堂中的圓頂游廊－－“細(xì)語廊”。細(xì)語廊現(xiàn)象可概括為：波能量沿一彎曲表面集中，不僅是聲波，對(duì)其它形式的波如電磁波也有類似現(xiàn)象。在質(zhì)上是波導(dǎo)的另一種表現(xiàn)，與聲道的區(qū)別在于：聲道：界面(聲道界面)是平的，聲線是彎曲的；細(xì)語廊：界面(墻面)是彎曲的，聲線是直的(在短距離內(nèi))?；疽?guī)律：如果聲音在不同介質(zhì)的分界面?zhèn)鞑r(shí)聲速是唯一表征，聲線和介質(zhì)分界面之間具有相對(duì)曲率，那么聲能(形象地由聲線表征)就沿著分界面而集中。12傳播規(guī)律：波在波導(dǎo)中符合柱面波規(guī)律。

聲強(qiáng)：;;.可見波在波導(dǎo)中的幾何衰減要比在自由空間中按球面波的衰減慢得多，可以“超距離傳播”。

若是低頻聲波，空氣對(duì)它的吸收小，可以傳播特別遠(yuǎn)的距離。例如核爆炸的聲波可以繞地球好幾圈。5.波導(dǎo)傳播13§13.2海洋聲學(xué)海水中聲波的波速：

式中為海水密度，和分別為海水的等溫壓縮系數(shù)和絕熱壓縮系數(shù)，且；為海水等壓比熱與等容比熱之比，即。由于和均是海水S、t及p的函數(shù)，因此聲波在海水中的波速也是S、t及p的函數(shù)。大致規(guī)律是：溫度t增加、鹽度S增大、及壓力p增大，則聲波波速增大。14海水中聲波波速的經(jīng)驗(yàn)公式:其中：15聲速垂直剖面及梯度

聲速隨深度變化的分布曲線c(z)稱為聲速垂直剖面

。其具體形狀取決于海水的S、t和p等特定條件。通常夏季淺?；虼笱笊蠈又饕Q于水溫t；冬季淺?；虼笱笊顚又饕Q于海水靜壓力p。具體而言，夏季淺?；虼笱笊蠈勇曀僖话汶S深度增加而減小；冬季淺?；虼笱笊顚勇曀僖话汶S深度增加而加大。

實(shí)際中用聲速梯度儀可直接獲得聲速垂直剖面曲線，由此可推算出聲速垂直梯度。當(dāng)聲速垂直梯度值為正時(shí)，則稱聲速垂直剖面曲線為正梯度分布；反之，稱為負(fù)梯度分布。前者表示聲速隨深度增加而增加，后者則表示聲速隨深度增加而減小。16海洋中聲波的傳播

海洋聲學(xué)特性

海水、海面和海底構(gòu)成了一個(gè)復(fù)雜的聲波傳播空間，聲波通過這個(gè)空間時(shí)，一方面要受到海水介質(zhì)的吸收，海水中氣泡、浮游生物和海水微團(tuán)的散射，海面的反射與散射，及海底的反射與吸收等；另一方面，聲波傳播時(shí)波陣面隨傳播距離的增加而擴(kuò)展，因此，聲強(qiáng)（能）將逐漸減弱。傳播特性通常聲波在海洋中的傳播方向和軌跡可用聲線來描述，其理論依據(jù)是折射定律。根據(jù)折射定律水下聲源發(fā)出的聲線將逐漸向聲速小的地方彎曲，碰到海面、海底或溫躍層又被反射和散射。因此，聲速具有正梯度分布時(shí)，聲線向上彎曲；聲速具有負(fù)梯度分布時(shí)，聲線向下彎曲

17（1）波導(dǎo)和反波導(dǎo)傳播

在特定水文條件下，若聲波傳播時(shí)聲能損失較小、傳播距離較遠(yuǎn)，此種傳播稱為波導(dǎo)傳播；若聲波傳播時(shí)聲能損失較大、傳播距離較近，則稱為反波導(dǎo)傳播。波導(dǎo)傳播多見于冬季淺海，聲速具有正梯度分布，聲線向上彎曲，至海面時(shí)極大部分被反射，一段時(shí)間后再次向上彎曲，并又被海面反射。如此不斷經(jīng)海面反射和海水折射，形成波導(dǎo)傳播。反波導(dǎo)傳播則常見于夏季淺海，聲速具有負(fù)梯度分布，聲線向下彎曲，至海底時(shí)被反射，一段時(shí)間后再次向下彎曲，并又被海底反射。但是，由于海底對(duì)聲波吸收較多，聲波能量

減較快，從而形成反波導(dǎo)傳播。(2)聲道

海洋中使聲波傳播時(shí)聲能限制于一定深度層范圍內(nèi)、從而使其超遠(yuǎn)距離傳播的水層稱為聲道。聲道是在聲速垂直剖面具有聲速最小值的特定情形下產(chǎn)生的。聲速最小值對(duì)應(yīng)的深度稱為聲道軸。根據(jù)折射定律，位于聲道軸附近的聲源所發(fā)出的聲線，由于海水折射而被限制在聲道軸附近的水層內(nèi)傳播，聲能損失較小，形成波導(dǎo)型傳播。聲道分深海聲道和淺海表層聲道兩種。深海聲道多見于溫帶和熱帶大洋的深水區(qū)，上層聲速主要取決于水溫，深度增加水溫降低，故聲速減小；一定深度以下聲速主要取決于壓力，深度增加壓力增大，故聲速加大。從而聲速垂直剖面形成極小值，其所在深度便是聲道軸的深度。淺海表層聲道多見于冬季淺海表層。傳播特性18大洋聲道

soundchannelintheocean

聲波在水下某深度傳播時(shí)，傳播距離劇增，甚至可比常規(guī)傳播距離大幾百倍的水層。這種現(xiàn)象是第二次世界大戰(zhàn)期間美國人W.M.尤因和J.沃澤爾，蘇聯(lián)科學(xué)家拉津貝格等先后在大西洋和太平洋利用水下爆炸進(jìn)行水聲實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)的。稱這種水層為聲道，是因?yàn)槁暡ㄔ谄渲袀鞑r(shí)能耗極小因而可把其載波信息清晰地傳送到很遠(yuǎn)地方；因這種聲道常在大洋或深海區(qū)中出現(xiàn)，故稱大洋聲道。19從上圖分析可以看出：聲道軸上下方的聲速梯度的方向相反。聲道軸是聲道中聲速達(dá)極小值的水層。按折射定律，聲道軸附近的聲源輻射的聲線，必然向聲道軸彎曲。這樣一來，大多數(shù)聲線不經(jīng)過海底和海面的反射而在水層中反轉(zhuǎn)傳播，使多數(shù)能量保留在聲道軸上下相當(dāng)厚的水層中。低頻的聲波，在聲道中傳播得最遠(yuǎn)。這種深海聲道，又稱為聲發(fā)聲道。20§13.3多普勒效應(yīng)當(dāng)飛機(jī)迎面而來時(shí)，人們聽到飛機(jī)的轟鳴聲音調(diào)變高，即人耳接收到的聲波頻率高于飛機(jī)發(fā)出的聲波頻率；背離而去時(shí)，人們聽到的音調(diào)變低，即人耳接收到的聲波頻率低于飛機(jī)發(fā)出的聲波頻率示例汽車駛近，汽笛聽起來愈“尖”;汽車駛遠(yuǎn)，汽笛聽起來愈“鈍”。示例現(xiàn)象21§13.3多普勒效應(yīng)22§13.3多普勒效應(yīng)SonicBoom(ShockWaves)聲源運(yùn)動(dòng)速度高于聲速時(shí)，會(huì)產(chǎn)生“聲爆”現(xiàn)象，出現(xiàn)激波。23

24§13.3多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)應(yīng)用（聲學(xué)與光學(xué)）：

測定人造衛(wèi)星的位置變化報(bào)警

檢查車速

醫(yī)學(xué)太陽光譜分析等25§13.4聲波的吸收

§13.4.1引言

26§13.4.2媒質(zhì)的粘滯吸收

(13.3.1)其中；

對(duì)于簡諧聲波，其解：(13.3.2)其中或(13.3.3)假設(shè)，則一般聲學(xué)問題必須滿足，則(13.3.4)27對(duì)于理想流體來說，聲波傳播絕熱、可逆。但對(duì)于非理想流體，聲波傳播的熱傳導(dǎo)過程是不可逆的，則機(jī)械能就轉(zhuǎn)化為熱能。熱傳導(dǎo)吸收系數(shù)為：(13.3.5)其中為導(dǎo)熱系數(shù)，、分別為定容和定壓比熱?！?3.4.3媒質(zhì)的熱傳導(dǎo)28§13.4.4聲吸收經(jīng)典公式(13.3.6)

※Stokes–Kirchhoff公式，故頻率愈高，吸收愈大。(13.3.6)式經(jīng)常改寫為：(13.3.7)是與頻率無關(guān)的常數(shù)。特點(diǎn)：(1).在氣體中與具有相同的數(shù)量級(jí)，但；(2).在液體中(除水銀外)，。29§13.4.5分子馳豫吸收簡單理論

分子外自由度能量(分子移動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng))內(nèi)自由度能量(振動(dòng)能量)

馳豫時(shí)間－－建立新平衡所需要的時(shí)間。

馳豫吸收－－在馳豫過程中產(chǎn)生的有規(guī)聲振動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o規(guī)熱運(yùn)動(dòng)的附加能量耗散。

宏觀方面與容變粘滯有關(guān)：

(13.3.8)

通常把對(duì)頻率的依賴關(guān)系稱為“頻散”，頻散也表現(xiàn)為聲速對(duì)頻率的依賴關(guān)系，不同頻率的聲音通過一段距離后就“分散”開來了。30討論：

在低頻時(shí)()，馳豫吸收大致與頻率平方成正比。當(dāng)時(shí)，馳豫吸收達(dá)到極大值，這時(shí)最有利于內(nèi)、外自由度能量的交換。當(dāng)時(shí)，馳豫吸收開始下降。在高頻()時(shí)，基本與頻率無關(guān)。聲波吸收系數(shù)的普遍表達(dá)式：(13.3.9)31Thankyouverymuchforyourattention!32高速-低速低密度-高密度低速-高速高密度-低密度返回33返回34返回35返回36如果衛(wèi)星不斷發(fā)射恒定頻率的無線電訊號(hào)，則當(dāng)衛(wèi)星經(jīng)過跟蹤站上空時(shí)，地面接收的訊號(hào)頻率是逐漸減小的，如果把接收到的訊號(hào)與接受站另外產(chǎn)生的恒定訊號(hào)合成拍，則拍頻可以產(chǎn)生一個(gè)聽得見的聲音。衛(wèi)星經(jīng)過上空時(shí)，這種聲音的音調(diào)將降低。衛(wèi)星從位置1運(yùn)動(dòng)到位置2的過程中，向著跟蹤站的速度分量減小。在從位置2到位置3的過程中，離開跟蹤站的速度分量增加。返回37回音壁有回音的效果：如果一個(gè)人站在東配殿的墻下面朝北墻輕聲說話，而另一個(gè)