第三章海洋的声学特性ppt课件

1、第三章第三章 海洋的声学特性海洋的声学特性第二章知识要点第二章知识要点n介质的特性阻抗与声阻抗率介质的特性阻抗与声阻抗率n平面波平面波n球面波球面波n柱面波柱面波n发生全透射的条件、特点发生全透射的条件、特点n发生全反射的条件、特点发生全反射的条件、特点n发生全内反射的条件、特点发生全内反射的条件、特点n等间距均匀点源离散直线阵的方向性函数等间距均匀点源离散直线阵的方向性函数q主瓣、栅瓣、旁瓣的位置主瓣、栅瓣、旁瓣的位置q主极大、副极大、次极大、零点的位置主极大、副极大、次极大、零点的位置q方向锐角或波束宽度、方向锐角或波束宽度、-3dB波束宽度波束宽度q波束宽度与基阵孔径、声波频率的关系波束

2、宽度与基阵孔径、声波频率的关系q可逆换能器阵的发射方向性与接纳方向性关系可逆换能器阵的发射方向性与接纳方向性关系本讲主要内容本讲主要内容n声速阅历公式了解声速阅历公式了解n海洋中声速的变化重点海洋中声速的变化重点n传播衰减概述重点传播衰减概述重点n纯水和海水的超吸收重点纯水和海水的超吸收重点n非均匀液体中的声衰减了解非均匀液体中的声衰减了解1海水中的声速海水中的声速n声速声速(Sound Speed)：海洋中重要的声学参数，：海洋中重要的声学参数，也是海洋中声传播的最根本物理参数也是海洋中声传播的最根本物理参数n流体介质中，声波为弹性纵波，声速为：流体介质中，声波为弹性纵波，声速为： n式中，

3、密度式中，密度 和绝热紧缩系数和绝热紧缩系数 都是温度都是温度T、盐度盐度S和静压力和静压力P的函数，因此，声速也是的函数，因此，声速也是Temperature、Salinity、Pressure的函数。的函数。 sc1sn声速阅历公式声速阅历公式n海洋中的声速海洋中的声速cm/s随温度随温度T、盐、盐度度S、压力、压力Pkg/cm2的增大而增的增大而增大。大。n阅历公式是许多海上丈量实验总结得到的。阅历公式是许多海上丈量实验总结得到的。n留意：留意：n单位单位n海水中盐度变化不大，典型值海水中盐度变化不大，典型值35；n经常用深度替代静压力，每下降经常用深度替代静压力，每下降10m水深近水深

4、近似添加似添加1个大气压的压力。个大气压的压力。PSTTc175. 03514. 1037. 021. 41450225/10013. 11mNatm式中，压力式中，压力P单位是大气压单位是大气压 n乌德公式乌德公式n声速丈量声速丈量n声速剖面仪声速剖面仪SVPSound Velocity Profilen温盐深丈量仪温盐深丈量仪CTDConductivity, Temperature, Depthn丢弃式温度丈量仪丢弃式温度丈量仪XBT eXpendable BathyThermograph2019年中美结合亚洲海水声实验年中美结合亚洲海水声实验2019年海上实验年海上实验2019年海上实验

5、年海上实验n海洋中的声速变化海洋中的声速变化n海洋中声速的垂直分层性海洋中声速的垂直分层性质质n声速梯度声速梯度 zczyxc,PPSSTTcgagagadzdcg温度变化温度变化1度，声速变化约度，声速变化约4m/s盐度变化盐度变化1 ，声速变化约，声速变化约1m/s压力变化压力变化1个大气压，声速变化约个大气压，声速变化约0.2m/s典型深海声速剖面典型深海声速剖面Caution：在主跃变层在主跃变层和深海等温和深海等温层之间，有层之间，有一声速极小一声速极小值值声道轴声道轴 n海中声速的根本构造海中声速的根本构造n温度垂直分布的温度垂直分布的“三层构造：三层构造：n外表层外表等温层或混合

6、层：海洋外表遭到外表层外表等温层或混合层：海洋外表遭到阳光照射，水温较高，但又遭到风雨搅拌作用。阳光照射，水温较高，但又遭到风雨搅拌作用。n季节跃变层：在外表层之下，特征是负温度梯度季节跃变层：在外表层之下，特征是负温度梯度或声速梯度，此梯度随季节而异。夏、秋季节，或声速梯度，此梯度随季节而异。夏、秋季节，跃变层明显；冬、春北冰洋季节，跃变层与跃变层明显；冬、春北冰洋季节，跃变层与外表层合并在一同。外表层合并在一同。n主跃变层：温度随深度巨变的层，特征是负的温主跃变层：温度随深度巨变的层，特征是负的温度梯度或声速梯度，季节对它的影响微弱。度梯度或声速梯度，季节对它的影响微弱。n深海等温层：在深

7、海内部，水温比较低而且稳定，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。特征是正声速梯度。 n温度的季节变化、日变化和纬度变化温度的季节变化、日变化和纬度变化季节变化季节变化近百慕大海区温度随月份的变化情况近百慕大海区温度随月份的变化情况 阐明：温度的季节变化和日变化主要发生在海洋上层阐明：温度的季节变化和日变化主要发生在海洋上层 温度日变化和纬度变化温度日变化和纬度变化浅海温度剖面浅海温度剖面浅海温度剖面分布具有明显的季节特征：浅海温度剖面分布具有明显的季节特征：冬季，大多属于等温层的声速剖面；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。夏季为负跃变层声速梯

8、度剖面。 n 海水温度的起伏变化海水温度的起伏变化 q 温度起伏的缘由多种多样：温度起伏的缘由多种多样：q湍流湍流q海面波浪海面波浪q涡旋涡旋q内波等要素内波等要素q声传播起伏的缘由之一声传播起伏的缘由之一 n 声速分布分类分成四类声速分布分类分成四类 第一类第一类 深海声道声速分布深海声道声速分布右图为深海声道典型声速右图为深海声道典型声速分布，特点：分布，特点：在某一深度处有一声速最在某一深度处有一声速最小值。小值。两图不同之处：两图不同之处：左图外表声速小于海底声左图外表声速小于海底声速；速；右图外表声速大于海底声右图外表声速大于海底声速。速。0cZmZcZmZc0cn 声速分布分类声速

9、分布分类 第二类第二类外表声道声速分布外表声道声速分布右图为外表声道声速分布，右图为外表声道声速分布，特点：特点：在某一深度处有一声速极大在某一深度处有一声速极大值。值。构成缘由：构成缘由：在秋冬季节，水面温度较低，在秋冬季节，水面温度较低，加上风浪搅拌，海外表层温加上风浪搅拌，海外表层温度均匀分布，在层内构成正度均匀分布，在层内构成正声速梯度分布声速梯度分布 c hZmZcn 声速分布分类声速分布分类 第三类反声道声速分布第三类反声道声速分布右图为反声道声速分布，特点：右图为反声道声速分布，特点：声速随深度单调下降。声速随深度单调下降。构成缘由：构成缘由：海洋上部的海水遭到太阳剧烈海洋上部的

10、海水遭到太阳剧烈照射的结果。照射的结果。Zcn 声速分布分类声速分布分类 右图为浅海常见声速分布，特点：右图为浅海常见声速分布，特点：声速随深度单调下降。声速随深度单调下降。构成缘由：构成缘由：海洋上部的海水遭到太阳剧烈照射海洋上部的海水遭到太阳剧烈照射的结果。的结果。第三和第四类声速有何不同：第三和第四类声速有何不同：后者是浅海中的负梯度分布，需计后者是浅海中的负梯度分布，需计入海底对声传播的影响。入海底对声传播的影响。 第四类第四类浅海常见声速分布浅海常见声速分布Zc2海水中的声吸收海水中的声吸收 n传播衰减概述传播衰减概述 n声波传播的强度衰减传播损失缘由：声波传播的强度衰减传播损失缘由

11、：n扩展损失几何衰减：声波波阵面在传播过扩展损失几何衰减：声波波阵面在传播过程中不断扩展引起的声强衰减。程中不断扩展引起的声强衰减。n吸收损失：均匀介质的粘滞性、热传导性以及吸收损失：均匀介质的粘滞性、热传导性以及其它驰豫过程引起的声强衰减。其它驰豫过程引起的声强衰减。n散射：介质的不均匀性引起的声波散射导致声散射：介质的不均匀性引起的声波散射导致声强衰减强衰减n不均匀性包括：海洋中泥沙、气泡、浮游生物不均匀性包括：海洋中泥沙、气泡、浮游生物等悬浮粒子以及介质本身的不均匀性和海水界等悬浮粒子以及介质本身的不均匀性和海水界面对声波的散射。面对声波的散射。 n扩展损失扩展损失n简谐平面波声压简谐平

12、面波声压n没有扩展损失没有扩展损失n简谐球面波声压简谐球面波声压 n扩展损失扩展损失 kxtippexp0 dBxIITL01lg10krtirppexp0 dBrrIITLlg201lg10n扩展损失的普通方式扩展损失的普通方式nn=0：适用管道中的声传播，平面波传播，：适用管道中的声传播，平面波传播，TL=0；nn=1：适用外表声道和深海声道，柱面波传播，：适用外表声道和深海声道，柱面波传播，TL=10logr，相当于全反射海底和全反射海面，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；组成的理想波导中的传播条件； nn=1.5：适用计及海底声吸收时的浅海声传播：适用计及海底声吸

13、收时的浅海声传播 ，TL=15logr，相当于计入界面声吸收所引起的，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；对柱面波的传播损失的修正；nn=2：适用于开阔水域自在场，球面波传：适用于开阔水域自在场，球面波传播，播，TL=20logr； dBrnTLlg10 n吸收系数吸收系数n均匀介质的声吸收均匀介质的声吸收n介质切变粘滞的声吸收经典声吸收介质切变粘滞的声吸收经典声吸收 n介质热传导声吸收经典声吸收介质热传导声吸收经典声吸收 n驰豫吸收超吸收驰豫吸收超吸收dx假设平面波传播间隔假设平面波传播间隔 后，由于声吸收而引后，由于声吸收而引起声强降低为起声强降低为 ，那么，那么Idxd

14、I2dI xeIxI20 xppx0ln1取自然对数得：取自然对数得： 为声压振幅的自然对数衰减，为声压振幅的自然对数衰减，无量纲，称为：奈贝无量纲，称为：奈贝(Neper)物理意义：单位间隔的奈贝数，物理意义：单位间隔的奈贝数，Neper/m通常将声强写成下式：通常将声强写成下式： 10010 xIxI取常用对数得：取常用对数得： xppxxIIx00lg20lg10物理意义：单位间隔的分贝数，物理意义：单位间隔的分贝数，dB/m xpp /ln0rrnTLlg10总传播损失扩展总传播损失扩展+吸收等于：吸收等于： 68. 8lg20lnlg200exppex即：即：1Neper=8.68d

15、B 111lg10 xxxxIITL声吸收引起的传播损失：声吸收引起的传播损失： 纯水声吸收系数纯水声吸收系数实践吸收系数的丈量值远大于经典吸收系实践吸收系数的丈量值远大于经典吸收系数实际值，两者差值称为超吸收数实际值，两者差值称为超吸收 n纯水的超吸收纯水的超吸收n海水的超吸收海水的超吸收n留意：留意：n海水的声吸收系数与海水的声吸收系数与声波频率、温度、压声波频率、温度、压力、盐度等要素有关，力、盐度等要素有关，但盐度的影响较小；但盐度的影响较小；n对于不同声波频率，对于不同声波频率，应选择不同的阅历公应选择不同的阅历公式来计算海水的吸收式来计算海水的吸收系数系数 海水和淡水的声吸收系数海

16、水和淡水的声吸收系数n非均匀液体中的声衰减非均匀液体中的声衰减n含有气泡群的海水具有非常高的声吸收含有气泡群的海水具有非常高的声吸收 n热传导效应：气泡紧缩、膨胀，内部温度升高，热传导效应：气泡紧缩、膨胀，内部温度升高，发生热交换，声能转化为热能而耗费掉。发生热交换，声能转化为热能而耗费掉。n粘滞性：海水对气泡紧缩、膨胀的粘滞作用，粘滞性：海水对气泡紧缩、膨胀的粘滞作用，也耗费部分声能。也耗费部分声能。n声散射：气泡紧缩、膨胀构成二次声辐射，对声散射：气泡紧缩、膨胀构成二次声辐射，对入射声产生散射，使声能明显减小。入射声产生散射，使声能明显减小。n常识：一艘驱逐舰以常识：一艘驱逐舰以15节航速

17、航行将产生节航速航行将产生500m长的尾流，长的尾流，8kHz衰减系数为衰减系数为0.8dB/m，40kHz衰减系数为衰减系数为1.8dB/m。1节节1海里海里/小小时时0.515米米/秒秒1海里海里1852米。米。 本节思索题本节思索题n海水中的声速与哪些要素有关？画出三种常见的海水中的声速与哪些要素有关？画出三种常见的海水声速分布。海水声速分布。n声波在海水中传播时其声强会逐渐减少。声波在海水中传播时其声强会逐渐减少。1阐明缘由；阐明缘由；2解释什么叫物理衰减？什么叫解释什么叫物理衰减？什么叫几何衰减？几何衰减？3写出海洋中声传播损失的常用写出海洋中声传播损失的常用TL表达式，并指明哪项反

18、映的主要是几何衰减，表达式，并指明哪项反映的主要是几何衰减，哪项反映的主要是物理衰减；哪项反映的主要是物理衰减；4试给出三种试给出三种不同海洋环境下的几何衰减的不同海洋环境下的几何衰减的TL表达式。表达式。 n声呐声呐A，B有相等的声源级，但声呐有相等的声源级，但声呐A任务频率任务频率fA高于声呐高于声呐B任务频率任务频率fB,问哪台声呐作用间隔远，问哪台声呐作用间隔远，阐明缘由。阐明缘由。 第三章第三章 海洋的声学特性海洋的声学特性本讲主要内容本讲主要内容n海底声学特性了解海底声学特性了解n海面声学特性了解海面声学特性了解n海洋内部的不均匀性了解海洋内部的不均匀性了解1、海底声学特性、海底声

19、学特性n海底构造、地形和堆积层是影响声波传播的重要要素海底构造、地形和堆积层是影响声波传播的重要要素n海底对声波的吸收、散海底对声波的吸收、散射和反射等声学特性关射和反射等声学特性关系到水声设备作用间隔系到水声设备作用间隔的远近的远近n海底声波反射系数与海海底声波反射系数与海底地形有明显的依赖关底地形有明显的依赖关系。高于几千赫频率的系。高于几千赫频率的声波，海底粗糙度是影声波，海底粗糙度是影响声波反射的主要作用响声波反射的主要作用n反向散射强度反向散射强度(朝声源方朝声源方向的声散射。向的声散射。) ：单位：单位界面上单位立体角中所界面上单位立体角中所散射出去的功率与入射散射出去的功率与入射

20、波强度之比。波强度之比。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与频率普通无关与频率普通无关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，散射强度能够与频率的四次方成大入射角时，散射强度能够与频率的四次方成正比正比2cosn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人们

21、关怀的海底参数人们关怀的海底参数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垂直分层构造取样垂直分层构造取样2019年中美结合调查年中美结合调查2019年黄海实验年黄海实验n海底特性探测海底特性探测n多波束侧扫声纳探测海底地形多波束侧扫声纳探测海底地形n海底堆积层海底堆积层n描画：覆盖海底之上的一层非凝固态处于液描画：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。态和固态之间的物质。 n声速：堆积层中有紧缩波速度声速声速：堆积层中有紧缩波速度声速 和和切变波速度切变波速度 两种。两种。n衰减系数衰减系数dB/m n K为常数；为常数；f为频率，单位为

22、频率，单位kHz；m为指数，为指数，通常取通常取1 n海底声反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定义：反射声振幅相对入射声振幅减小的分贝数数cscmKfVppBLirlg20lg20q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 高声速海底高声速海底低声速海底低声速海底q深海实测的海底反射损失深海实测的海底反射损失q海底反射损失的三个特征海底反射损失的三个特征q存在一个存在一个“分界掠射角分界掠射角 ，是海底反射损，是海底反射损失的一个特征参数失的一个特征参数q当当 时，反射损失值较小时，反射损失值较小, ,随随 增大增大而添

23、加而添加q当当 时，反射损失较大时，反射损失较大, ,与与 无明显无明显依赖关系依赖关系q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 2,ln0 ,ln200constVQVq三参数：三参数： 、 、q参数计算参数计算q1 的计算的计算q2V0的计算的计算q3Q的计算的计算Q0lnV narccos21/ccn nmnmV012m 0lnVQ2222sincossincosnimnimViiii留意：实践海底存在吸收留意：实践海底存在吸收处置方法：将海底声速视为处置方法：将海底声速视为复数，此时不会发生全内反射。按照书上的方法计算：复数，此时不会发生全内反射。按照书上的

24、方法计算：又又2*2*/Re/21ln21lnVVVVVVVVVVV222222222cossincos/sincoscos2nimnnimV令：令：与书上结果：与书上结果： 略有不同！略有不同！2121iMMn222122MMmMQ留意：三参数模型可用于分析海洋中声场的平均构造留意：三参数模型可用于分析海洋中声场的平均构造221210*2iMMiMMimVV2221202*2/ReMMmMVVVQ2、海面声学特性、海面声学特性 n海面波浪海面波浪n周期性周期性周期、波长、波周期、波长、波速和波高等量描画其特征；速和波高等量描画其特征；n随机起伏性随机起伏性概率密度分概率密度分布、方差、谱和相

25、关函数等布、方差、谱和相关函数等描画其特征。描画其特征。n波浪的根本特征波浪的根本特征n重力外表波：以重力作为恢复力的动摇重力外表波：以重力作为恢复力的动摇n外表张力波：以外表张力作为恢复力外表张力波：以外表张力作为恢复力n波浪的构成和等级波浪的构成和等级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记录中记录中1/10最大波高的平均值最大波高的平均值 波峰到波谷垂直间隔的平均值波峰到波谷垂直间隔的平均值31H记录中记录中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 常识：在水声学中经常将波面的概率分布常识：在水声学中经常将波面的概率分布视为高斯分布。视为高斯分布。 n充分生长的海浪谱充分生长的海浪谱nPierson-Moskowitz谱谱P-M谱谱n海面