第2章-海洋的声学特性.ppt

本章目的,本章从声学角度讨论海洋、海洋的不均匀性和多变性，弄清声信号传播的环境，有助于海中目标探测、声信号识别、通讯和环境监测等问题的解决。,2.1海水中的声速,1、声速,海洋中的重要声学参数，也是海洋中声传播的基本物理参数。,海洋中声波为弹性纵波，声速为：,声速经验公式,上式适用范围：-3T30、33S37,海洋中的声速c（m/s）随温度T（）、盐度S（）、压力P（kg/cm2）的增加而增加。,经验公式是许多海上测量实验的总结得到的，常用的经验公式为：,2.1海水中的声速,声速经验公式,海水中盐度变化不大，典型值35；经常用深度替代静压力，每下降10m水深近似增加1个大气压的压力；1（1oF-32）5/9。,2.1海水中的声速,2.1海水中的声速,声速的数值变化虽然微小，但它对长距离传播声线的分布、射程、传播时间等量的影响很大，因此需要有准确的声速数值。,精确计算声速有什么意义？,乌德公式,2.1海水中的声速,P的单位是大气压。,2.1海水中的声速,2、声速测量,测量仪器设备：温度深度记录仪和声速仪。,温度深度记录仪：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。,2.1海水中的声速,声速仪是声学装置：声循环原理工作：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。,2、声速测量,2.1海水中的声速,3、海洋中声速变化,海洋中声速的垂直分层性质和声速梯度垂直分层性质：实测海洋等温线和等盐度线几乎是水平平行的，也就是说，声速近似为水平分层变化。,2.1海水中的声速,海洋中声速的垂直分层性质和声速梯度声速梯度：,根据乌德公式,声速梯度,2.1海水中的声速,海洋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。,2.1海水中的声速,海洋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。,2.1海水中的声速,海洋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。,2.1海水中的声速,海洋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。,2.1海水中的声速,请解释一下深海声速梯度分布？,2.1海水中的声速,海洋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。,2.1海水中的声速,海洋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。,2.1海水中的声速,海洋中声速的基本结构温度的季节变化、日变化和纬度变化：,温度的季节变化和日变化主要发生在海洋上层。,2.1海水中的声速,海洋中声速的基本结构温度的季节变化、日变化和纬度变化：,（）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，声速正梯度一直延伸到接近海洋表面。,2.1海水中的声速,海洋中声速的基本结构浅海声速剖面：,浅海声速剖面分布具有明显的季节特征。在冬季，大多属于等温层的声速剖面，夏季为负跃变层声速梯度剖面。,2.1海水中的声速,海水温度起伏变化,描述海洋声速变化粗略近似：将温度和声速看成不随时间变化，只随深度变化；等温层是宏观而言，微观而言温度随时间起伏变化。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。,2.1海水中的声速,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：,特点：在某一深度处有一声速最小值。,声速垂直分布分类深海声道声速分布：,2.1海水中的声速,特点：在某一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。,声速垂直分布分类表面声道声速分布：,2.1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。,声速垂直分布分类反声道声速分布：,2.1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。,声速垂直分布分类浅海常见声速分布：,2.1海水中的声速,反声道声速分布与浅海常见声速分布有何不同？,2.2海水中的声吸收,1、传播损失概述,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：均匀介质的粘滞性、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对声波散射。,2.2海水中的声吸收,扩展损失,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：,2.2海水中的声吸收,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：,2.2海水中的声吸收,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：（1）n=0适用管道中的声传播，平面波传播,2.2海水中的声吸收,扩展损失,（2）n=1适用表面声道和深海声道，柱面波传播，相当于全反射海底和全反射海面组成的理想波导中的传播条件。,（3）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的传播损失的修正。,2.2海水中的声吸收,扩展损失,（4）n=2适用于开阔水域(自由场)，球面波传播。,（5）n=3声波通过浅海声速负跃变层后的声传播。,（6）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，相当于计入声波干涉后，对球面波传播损失的修正。,2.2海水中的声吸收,吸收系数,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。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,声压振幅的自然对数衰减为无量纲量，称为奈贝（Neper）。,2.2海水中的声吸收,吸收系数,声强可以写成：,吸收系数：单位距离的分贝数，dB/m,声强之比的以10为底的对数为贝尔（Bel），贝尔值的10倍称为分贝（dB）。,2.2海水中的声吸收,吸收系数,Neper=8.68dB，声吸收引起的传播损失（吸收系数乘以传播距离）：,2.2海水中的声吸收,总传播损失（扩展吸收）,均匀介质的经典声吸收（粘滞性和热传导）：,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?,2.2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AHall理论计算曲线B经典声吸收,2.2海水中的声吸收,海水超吸收,海水超吸收原因：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。,2.2海水中的声吸收,海水超吸收,Schulkin和Marsh根据225kHz频率范围内所作的大量测量结果，归纳的半经验公式：,驰豫频率随温度升高而增加。,2.2海水中的声吸收,主要是MgSO4驰豫现象引起的吗？实验结果：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。这是由于NaCI对水分子结构变化产生影响所致。在高频，NaCI浓度越大，吸收越小。在5kHz频率以下低频，声吸收又明显增加，比S-M公式所给的结果更大，为什么？这是由于海水还存在包括硼酸在内的其它化学驰豫现象。,2.2海水中的声吸收,海水超吸收,Thorp给出了低频段（驰豫频率约为1kHz）吸收系数的经验公式（适用4温度附近）：,在低频，若计入纯水的粘滞系数，则吸收系数为：,2.2海水中的声吸收,吸收系数与压力关系,随压力的增加而减小：,深度每增加1km其吸收系数减小6.7%。,海水的声吸收系数与声波频率、温度、压力、盐度等因素有关，但盐度的影响较小；对于不同声波频率，应选择不同的经验公式计算海水的吸收系数。,2.2海水中的声吸收,3、非均匀液体中的声衰减,一般海水含有各种杂质，如气泡、浮游生物、悬浮粒子以及湍流形成温度不均匀区域等，它将增加海水的声传播损失。含有气泡群的海水具有非常高的声吸收：热传导效应：气泡压缩、膨胀，内部温度升高，发生热交换，声能转化为热能而消耗掉。粘滞性：海水对气泡压缩、膨胀的粘滞作用，也消耗部分声能。声散射：气泡压缩、膨胀形成二次声辐射，对入射声产生散射，使声能明显减小。,2.2海水中的声吸收,3、非均匀液体中的声衰减,海洋内部气泡密度很小，可以忽略它对声吸收影响。在有风浪的海面附近，由于风浪搅拌作用，会产生许多气泡，影响声传播。舰船航行形成尾流含有大量气泡，严重影响声传播。,一艘驱逐舰以15节航速航行将产生500m长的尾流，8kHz衰减系数为0.8dB/m，40kHz衰减系数为1.8dB/m。1节1海里/小时0.515米/秒（1海里1852米）,2.2海水中的声吸收,2.2海水中的声吸收,2.3海底,海底对声传播影响,海底结构、地形和沉积层,声波吸收、散射和反射,水声设备作用距离,2.3海底,实验研究表明：海底声波反射系数与海底地形有明显依赖关系。对于高于几千赫频率声波，海底粗糙度是影响声波反射主要作用。,海底对声传播影响,反向散射强度ms：单位界面上单位立体角中所散射出去的功率与入射波强度之比。,指向声源方向的声散射,2.3海底,海底对声传播影响,深海平原反向散射强度与入射角关系:,在小入射角时，散射强度随入射角减小而增加。在入射角大于15o时，10lgms与cos2成正比兰伯特散射定律。在小入射角时，散射强度一般与频率无关；在大入射角时，散射强度可能与频率的四次方乘正比。,2.3海底,海底对声传播影响,粗糙海底反向散射强度与入射角关系:,反向散射强度基本上与入射角和频率无关。,2.3海底,1、海底沉积层,概念描述：覆盖海底之上的一层非凝固态（处于液态和固态之间）的物质。,物理性质（1）密度沉积层密度（指饱和容积密度：水无机物）：,孔隙度n体积百分比,深海平原和丘陵，粉砂粘土是主要沉积物类型。,（2）声速沉积层中有压缩波速度（声速）和切变波速度两种：,Hamilton给出三种不同类型沉积物的声速、密度和孔隙度的实验值（见教材）。,孔隙度可测量和计算，因此可以预报声速。,声速与密度的关系与声速与孔隙度之间的关系相同,2.3海底,（3）衰减损失沉积层中声波衰减系数：,2.3海底,K为常数；f为频率，kHz；m为指数，m1。A曲线为近陆地沉积层；B曲线为沿海粘土沙地；C曲线为海底。,2.3海底,2、海底声反射,海底反射损失：反射声振幅相对入射声振幅减小的分贝数，定义为：,海底反射损失为正值，BL分贝数越大，海底反射损失越大；为反射系数模值。,2.3海底,（1）高声速海底,特点：海底呈液态、声速大于海水声速。,曲线a是海底没有声吸收情况；曲线b和c是海底有声吸收情况；曲线c海底声吸收大于曲线b海底声吸收。,2.3海底,（2）低声速海底,特点：声速小于海水声速。,曲线a是海底没有声吸收情况；曲线b和c是海底有声吸收情况；曲线c海底声吸收大于曲线b海底声吸收。,2.3海底,（3）实测海底反射损失,根据深海实测到的海底反射损失的平均值，小掠射角的数据是实验值的外推。,2.3海底,（3）实测海底反射损失,2.3海底,（4）三参数模型,根据海底反射特征，我国学者尚尔昌提出三参数模型：,该模型表示海底反射损失的基本特征。,2.3海底,（4）三参数模型,参数计算：,分界掠射角全内反射角,掠射角等于反射系数模,分析声场的平均结构,2.4海面,海面波浪特征描述：周期性周期、波长、波速和波高随机起伏性概率密度函数、方差、谱和相关函数,2.4海面,（1）重力波以重力作为恢复力的波动,1、波浪基本特征,忽略粘滞性的影响，水深h的均匀海洋波速：,2.4海面,（2）表面张力波以表面张力作为恢复力的波动。小风速，海洋波速为：,波长与波速之间的变化关系，重力波与表面张力波不同。,2.4海面,（2）表面张力波对于小波长的波：,波速与频率有关，形成波浪频散弥散波。对于多个频率传播的波，其传播速度由群速度决定。,2.4海面,（3）波浪形成和等级波浪形成：与风速、风持续时间、风区等因素有关。,风传给波浪的能量,波浪破碎损失能量,充分成长波浪,国际标准：海况分成9级，见书中列表。了解不同海况的海面征兆描述。,2.4海面,（3）波浪形成和等级,平均波高,记录中1/10最大波高的平均值,波峰到波谷垂直距离的平均值,有效波高,记录中1/3最大波高的平均值,平均1/10最大波高,2.4海面,（1）波浪概率密度分布海面偏离平衡位置的位移服从高斯分布,2、波浪统计特征,实际测量表明：海面的概率分布服从正偏态的Gram-Charlier分布，与高斯分布稍有差别。,2.4海面,（2）波浪谱P-M（Pierson-Moskowity）谱：,2、波浪统计特征,2.4海面,有风浪的海面下经常形成一层空气泡，它的厚度和浓度取决于波浪要素、表层水的湍动混合强度、空化强度以及溶解在水中的空气饱和程度。,3、海表面气泡层,2.5海面的声反射及对声传播影响,海面反射性质：镜反射和漫散射，随着海面粗糙度增加，漫散射场占主要分量。海面反向散射是海面混响的形成原因。海面散射场中含有多普勒频移分量。,2.5海面的声反射及对声传播影响,1、波动表示方法,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：,2.5海面的声反射及对声传播影响,1、波动表示方法,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？,2.5海面的声反射及对声传播影响,2、声压振幅随距离的变化,假设、，则可得,2.5海面的声反射及对声传播影响,2、声压振幅随距离的变化,接收点P声压：,2.5海面的声反射及对声传播影响,2、声压振幅随距离的变化,2.5海面的声反射及对声传播影响,2、声压振幅随距离的变化,2.5海面的声反射及对声传播影响,（3）近场菲涅耳（Fresnel）干涉区向远场夫朗和费（Fraunhofer）区过渡点：,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。,2.5海面的声反射及对声传播影响,3、传播损失,2.5海面的声反射及对声传播影响,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,2.5海面的声反射及对声传播影响,4、非绝对反射海面下的传播损失,反射系数由平均反射系数给出：,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。,2.5海面的声反射及对声传播影响,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：,2.6海洋内部的不均匀性（自学）,海洋的不均匀性