水声学-海洋的声学特性1ppt课件

1、第三章第三章 海洋的声学特性海洋的声学特性第六讲第六讲 海面和海底的声学特性海面和海底的声学特性本讲主要内容本讲主要内容n本章知识点测试本章知识点测试n海底的声学特性海底的声学特性n海面的声学特性海面的声学特性n海洋内部的不均匀性海洋内部的不均匀性0、第三章知识点测试、第三章知识点测试n画出三种常见的海水声速分布，解释其形成的原因。画出三种常见的海水声速分布，解释其形成的原因。n深海声道声速分布深海声道声速分布n表面声道声速分布表面声道声速分布n浅海负梯度声速分布浅海负梯度声速分布n声波在海水中传播时其声强会逐渐减少的原因有哪些？声波在海水中传播时其声强会逐渐减少的原因有哪些？n几何扩展、吸收

2、、散射几何扩展、吸收、散射n海水声吸收的原因是什么？海水声吸收的原因是什么？n切变粘滞声吸收、热传导声吸收、驰豫吸收切变粘滞声吸收、热传导声吸收、驰豫吸收n含气泡群的海水声吸收的原因是什么？含气泡群的海水声吸收的原因是什么？n切变粘滞声吸收、热传导声吸收、散射切变粘滞声吸收、热传导声吸收、散射摇号摇号平台平台一、海底声学特性一、海底声学特性n海底结构、地形和沉积层是影响声波传播的重要因素海底结构、地形和沉积层是影响声波传播的重要因素一、海底声学特性一、海底声学特性n海底对声波的吸收、散射和反射等声学特性关系到水声设海底对声波的吸收、散射和反射等声学特性关系到水声设备作用距离的远近备作用距离的远

3、近n海底声波反射系数与海底地形有明显的依赖关系。高于几海底声波反射系数与海底地形有明显的依赖关系。高于几千赫频率的声波，海底粗糙度是千赫频率的声波，海底粗糙度是n 影响声波反射的主要作用影响声波反射的主要作用n反向散射强度反向散射强度(朝声源方向的声散射朝声源方向的声散射) n定义：单位界面上单位立体角中定义：单位界面上单位立体角中n 所散射出去的功率与入射波强度所散射出去的功率与入射波强度n 之比。之比。n深海平原海底反向散射强度与入射角的关系深海平原海底反向散射强度与入射角的关系n在小入射角时，散射在小入射角时，散射n强度随入射角增大而减小，强度随入射角增大而减小，n与频率一般无关与频率一

4、般无关n入射角入射角5度时，散射度时，散射n强度强度10lgms近似与近似与 n成正比成正比n大入射角时，散射强度可能与频率的四次方成正比大入射角时，散射强度可能与频率的四次方成正比一、海底声学特性一、海底声学特性2cos一、海底声学特性一、海底声学特性n非常粗糙海底反向散射强度与入射角的关系非常粗糙海底反向散射强度与入射角的关系n反向散射强度几乎与入射角无关反向散射强度几乎与入射角无关n反向散射强度几乎与频率无关反向散射强度几乎与频率无关n ：为什么人们关心海底反向散射强度？：为什么人们关心海底反向散射强度？一、海底声学特性一、海底声学特性n为什么人们关心海底反向散射强度？为什么人们关心海底

5、反向散射强度？n传统的声纳为收发合置声纳传统的声纳为收发合置声纳n传统声纳的工作频率较高传统声纳的工作频率较高n海底的声散射形成海底混响海底的声散射形成海底混响n一维、二维界面的声散射强度一维、二维界面的声散射强度n双基地声纳双基地声纳n多基地声纳多基地声纳n低频声散射强度低频声散射强度一、海底声学特性一、海底声学特性n海底声散射海底声散射n缘由：缘由：n海底表面的不平整性海底表面的不平整性n海底内部的不均匀性海底内部的不均匀性n建模：建模：n微扰法微扰法n小斜率近似小斜率近似一、海底声学特性一、海底声学特性n人们关心的海底参数人们关心的海底参数n声速反演）声速反演）n密度反演）密度反演）n衰

6、减系数反演）衰减系数反演）n底质取样）底质取样）n垂直分层结构取样）垂直分层结构取样）n ：如何获取海底的声学参数？：如何获取海底的声学参数？n 如何快速准确获取？如何快速准确获取？一、海底声学特性一、海底声学特性n多波束侧扫声纳探测海底底质多波束侧扫声纳探测海底底质一、海底声学特性一、海底声学特性n海底沉积层的声学特性海底沉积层的声学特性n描画：覆盖海底之上的一层非凝固态处于液态和固态之描画：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。间的物质。 n声速：沉积层中有压缩波速度声速和切变波速度两种。声速：沉积层中有压缩波速度声速和切变波速度两种。n衰减系数衰减系数dB/m） n海底声反

7、射损失海底声反射损失n定义：反射声振幅相对入射声振幅减小的分贝数定义：反射声振幅相对入射声振幅减小的分贝数mKfVppBLirlg20lg203/024. 1cmgws一、海底声学特性一、海底声学特性n海底反射系数模和反射损失海底反射系数模和反射损失BL值随掠射角的变化值随掠射角的变化n高声速海底高声速海底n ：a曲线有一段是直线，表示什么物理含义？曲线有一段是直线，表示什么物理含义？一、海底声学特性一、海底声学特性n海底反射系数模和反射损失海底反射系数模和反射损失BL值随掠射角的变化值随掠射角的变化n低声速海底低声速海底n深海实测的海底反射损失深海实测的海底反射损失n特征：特征：n存在一个存

8、在一个“分界掠射角分界掠射角” 海底反射损失的一个特征海底反射损失的一个特征参数参数n当当 时，反射损失值较小，随时，反射损失值较小，随 增大而增加增大而增加n当当 时，反射损失较大，与时，反射损失较大，与 无明显依赖关系无明显依赖关系一、海底声学特性一、海底声学特性一、海底声学特性一、海底声学特性 2,ln0 ,ln0constVQVn海底反射损失简化模型海底反射损失简化模型三参数模型三参数模型n海底反射损失简化模型海底反射损失简化模型三参数模型三参数模型n三参数：三参数： 、 、n参数计算参数计算n ：nV0：nQ：Q0lnV narccos21/ccn nmnmV012/m 0lnVQ一

9、、海底声学特性一、海底声学特性n海底反射损失简化模型海底反射损失简化模型三参数模型三参数模型nQ的计算具体过程的计算具体过程n ：实际海底存在吸收，可将海底声速视为复数，：实际海底存在吸收，可将海底声速视为复数，n 此时不再发生全内反射。此时不再发生全内反射。一、海底声学特性一、海底声学特性2*2*/Re/21ln21lnVVVVVVVVVVVn海底反射损失简化模型海底反射损失简化模型三参数模型三参数模型nQ的计算具体过程的计算具体过程n 取：取：n令：令：一、海底声学特性一、海底声学特性222222222cossincos/sincoscos2nimnnimV2222sincossincos

10、nimnimViiii2121iMMn221210*2iMMiMMimVVn海底反射损失简化模型海底反射损失简化模型三参数模型三参数模型nQ的计算具体过程的计算具体过程n教材上：教材上：n ：三参数模型可用于分析海洋中声场的平均结构：三参数模型可用于分析海洋中声场的平均结构一、海底声学特性一、海底声学特性222122MMmMQ2221202*2/ReMMmMVVVQ二、海面的声学特性二、海面的声学特性 n海面波浪海面波浪n周期性周期性周期、波长、波速和波高等量描述其特征；周期、波长、波速和波高等量描述其特征；n随机起伏性随机起伏性概率密度分布、方差、谱和相关函数等描概率密度分布、方差、谱和相关

11、函数等描述其特征。述其特征。二、海面的声学特性二、海面的声学特性n波浪的基本特征波浪的基本特征n重力表面波：以重力作为恢复力的波动重力表面波：以重力作为恢复力的波动n表面张力波：以表面张力作为恢复力的波动表面张力波：以表面张力作为恢复力的波动n波浪的形成和等级波浪的形成和等级n平均波高、有效波高、平均平均波高、有效波高、平均1/10最大波高最大波高n波浪的统计特征波浪的统计特征n波浪的概率密度分布：波浪的概率密度分布：n ：在水声学中经常将波面的概率分布视为高斯分布：在水声学中经常将波面的概率分布视为高斯分布n充分成长的海浪谱充分成长的海浪谱nPierson-Moskowitz谱谱P-M谱）谱

12、）二、海面的声学特性二、海面的声学特性n海面表面层内的气泡层海面表面层内的气泡层n声波的吸收体声波的吸收体n声波的散射体声波的散射体 n海面对声传播的影响简介海面对声传播的影响简介 n镜反射镜反射n漫散射：形成散射场。随着海面粗糙度增加，漫散射场占漫散射：形成散射场。随着海面粗糙度增加，漫散射场占主要分量。主要分量。n反向声散射：形成海面混响反向声散射：形成海面混响n海面波动：导致海面散射波产生多普勒频移海面波动：导致海面散射波产生多普勒频移三、海洋内部的不均匀性三、海洋内部的不均匀性n湍流湍流n描画：流体流经固体表面或是流体内部出现的一种不规则描画：流体流经固体表面或是流体内部出现的一种不规

13、则运动。它是一种随机运动的旋转流。运动。它是一种随机运动的旋转流。n它形成海水中温度和盐度的细微结构变化，引起声速的微它形成海水中温度和盐度的细微结构变化，引起声速的微结构变化。结构变化。 n内波内波n描画：两种不同密度液体在其叠合界面上所产生的波动。描画：两种不同密度液体在其叠合界面上所产生的波动。n波长可达几十公里到几百公里，波高从波长可达几十公里到几百公里，波高从10米到米到100米。米。n对低频、远距离的声传播信号有重大影响。对低频、远距离的声传播信号有重大影响。 三、海洋内部的不均匀性三、海洋内部的不均匀性n海流海流n描画：海水从一个地方向另一个地方作连续流动的现象。描画：海水从一个地方向另一个地方作连续流动的现象。基本在水平方向上流动，流速较快，呈长带状。其边缘将基本在水平方向上流动，流速较快，呈长带状。其边缘将海洋分成物理性质差异很大的