水声学原理第三章1

1、第三章第三章 海洋的声学特性海洋的声学特性第五讲第五讲 海洋声学参数及传播损失海洋声学参数及传播损失College of Underwater Acoustic Engineering2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q平面波平面波q球面波球面波q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College of Underwater Acoustic Engineer

2、ing3q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宽度与基阵孔径、声波频率的关系n可逆换能器阵的发射方向性与接收方向性关系可逆换能器阵的发射方向性与接收方向性关系College of Underwater Acoustic Engineering4本讲主要内容本讲主要内容n声速经验公式（了解）声速经验公式（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

3、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）College of Underwater Acoustic Engineering51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基本物理参数也是海洋中声传播的最基本物理参数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，密度式中，密度 和绝热压缩系数和绝热压缩系数 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Temperatur

4、e、Salinity、Pressure的函数。的函数。 sc1sCollege of Underwater Acoustic Engineering6n声速经验公式声速经验公式q海洋中的声速海洋中的声速c（m/s）随温度）随温度T（）、）、盐度盐度S（）、压力）、压力P（kg/cm2）的增大）的增大而增大。而增大。q经验公式是许多海上测量实验总结得到的。经验公式是许多海上测量实验总结得到的。Caution：q单位单位q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；q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水深水深近似增加近似增加1个大气压的压力。个大气压的压力

5、。College of Underwater Acoustic Engineering7PSTTc175. 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College of Underwater Acoustic Engineering8n声速测量声速测量q声速剖面仪声速剖面仪SVPSound Velocity Profileq温盐深测量仪温盐深测量仪CTDConductivity, Temperature, Depthq抛弃式温度测量仪抛弃式温度测量仪XBT eXpendable Bath

6、yThermographCollege of Underwater Acoustic Engineering92001年中美联合亚洲海水声实验年中美联合亚洲海水声实验College of Underwater Acoustic Engineering102002年海上实验年海上实验College of Underwater Acoustic Engineering112006年海上实验年海上实验College of Underwater Acoustic Engineering12n海洋中的声速变化海洋中的声速变化q海洋中声速的垂直分层性质海洋中声速的垂直分层性质q声速梯度声速梯度 zczyx

7、c,PPSSTTcgagagadzdcg1. 温度变化温度变化1度，声速变化约度，声速变化约4m/s2. 盐度变化盐度变化1 ，声速变化约，声速变化约1m/s3. 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/sCollege of Underwater Acoustic Engineering13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海中声速的基本结构海中声速的基本结构College of Underwater Acoustic Engineering14n温度

8、温度垂直分布的垂直分布的“三层结构三层结构”：q表面层表面层（表面（表面等温层等温层或混合层）：海洋表面受或混合层）：海洋表面受到阳光照射，水温较高，但又受到风雨搅拌作到阳光照射，水温较高，但又受到风雨搅拌作用。用。q季节跃变层季节跃变层：在表面层之下，特征是：在表面层之下，特征是负负温度温度梯梯度度或声速梯度，此梯度随季节而异。夏、秋季或声速梯度，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。变层与表面层合并在一起。q主跃变层主跃变层：温度随深度巨变的层，特征是：温度随深度巨变的层，特征是负负的的温度温度梯度

9、梯度或声速梯度，季节对它的影响微弱。或声速梯度，季节对它的影响微弱。q深海等温层深海等温层：在深海内部，水温比较低而且稳：在深海内部，水温比较低而且稳定，特征是定，特征是正声速梯度正声速梯度。 College of Underwater Acoustic Engineering15n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 College of Underwater Acoustic Engineering16说明：说明：温度的季节变化和日变化主要发生在海洋上层温度的季节变化和日变化主要发生

10、在海洋上层 温度温度日变化日变化和和纬度变化纬度变化College of Underwater Acoustic Engineering17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，大多属于冬季，大多属于等温层等温层的声速剖面；的声速剖面；夏季为夏季为负跃变层负跃变层声速梯度剖面。声速梯度剖面。 College of Underwater Acoustic Engineering18n 海水温度的起伏变化海水温度的起伏变化 q 温度起伏的原因多种多样：温度起伏的原因多种多样：湍流湍流海面波浪海面波浪涡旋涡旋内波等因素内波等因素声传播起

11、伏的原因之一声传播起伏的原因之一 College of Underwater Acoustic Engineering19n 声速分布分类（声速分布分类（分成四类分成四类 ） 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右图为深海声道典型声速分布，特点：速分布，特点：在某一深度处有一在某一深度处有一声速最小值声速最小值。两图不同之处：两图不同之处：图（图（a）表面声速）表面声速小小于于海底声速；海底声速；图（图（b）表面声速）表面声速大大于于海底声速。海底声速。College of Underwater Acoustic Engineering20n 声速分布分类声速分布

12、分类 第二类第二类表面声道声速分布表面声道声速分布右图为表面声道声速分布，右图为表面声道声速分布，特点：特点：在某一深度处有一声在某一深度处有一声速极大值。速极大值。形成原因：形成原因：在秋冬季节，水面温在秋冬季节，水面温度较低，加上风浪搅拌，度较低，加上风浪搅拌，海表面层温度均匀分布，海表面层温度均匀分布，在层内形成正声速梯度在层内形成正声速梯度分布分布College of Underwater Acoustic Engineering21n 声速分布分类声速分布分类 第三类第三类反声道声速分布反声道声速分布右图为反声道声速分布，特右图为反声道声速分布，特点：点：声速随深度单调下降。声速随深

13、度单调下降。形成原因：形成原因：海洋上部的海水受到太阳海洋上部的海水受到太阳强烈照射的结果。强烈照射的结果。College of Underwater Acoustic Engineering22n 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。形成原因：形成原因：海洋上部的海水受到太阳强海洋上部的海水受到太阳强烈照射的结果。烈照射的结果。图（图（ d ）与图（）与图（ e ）不同之处：）不同之处：后者是浅海中的负梯度分布，后者是浅海中的负梯度分布，需计入海底对声传播的影响。需计入海底对声传播的影响。 第四类第四类

14、浅海常见声速分布浅海常见声速分布College of Underwater Acoustic Engineering232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 q声波传播的强度衰减（传播损失）原因：声波传播的强度衰减（传播损失）原因：n扩展损失扩展损失（几何衰减）：声波波阵面在传播过程中（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。不断扩展引起的声强衰减。n吸收损失吸收损失：均匀介质的：均匀介质的粘滞性粘滞性、热传导热传导性以及其它性以及其它驰豫过程驰豫过程引起的声强衰减。引起的声强衰减。n散射散射：介质的不均匀性引起的声波散射导致声强衰：介质的不均匀性引起的

15、声波散射导致声强衰减减q不均匀性包括不均匀性包括：海洋中泥沙、气泡、浮游生物等：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面对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。声波的散射。 College of Underwater Acoustic Engineering24n扩展损失扩展损失q简谐平面波声压简谐平面波声压n没有扩展损失没有扩展损失q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 dBrrIITLlg201lg10College of Underwater Acoustic

16、Engineering25n扩展损失的一般形式扩展损失的一般形式qn=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；qn=1：适用表面声道和深海声道，柱面波传播，：适用表面声道和深海声道，柱面波传播，TL=10logr，相当于全反射海底和全反射海面组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；成的理想波导中的传播条件； qn=1.5：适用计及海底声吸收时的浅海声传播：适用计及海底声吸收时的浅海声传播 ，TL=15logr，相当于计入界面声吸收所引起的对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；柱面波的传播损失的修正；qn=2：适用于开阔

17、水域（自由场），球面波传：适用于开阔水域（自由场），球面波传播，播，TL=20logr； dBrnTLlg10College of Underwater Acoustic Engineering26 n吸收系数吸收系数q均匀介质的声吸收均匀介质的声吸收n介质介质切变粘滞切变粘滞的声吸收（的声吸收（经典声吸收经典声吸收） n介质介质热传导热传导声吸收（声吸收（经典声吸收经典声吸收） n驰豫驰豫吸收（吸收（超吸收超吸收）dx假设平面波传播距离假设平面波传播距离 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 ，则，则IdxdI2dI xeIxI20College of Underwa

18、ter Acoustic Engineering27 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：物理意义：单位距离的分贝数，单位距离的分贝数，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：物理意义：单位距离的分贝数，单位距离的分贝数，dB/m xpp /ln0College of Underwater Acoustic Engineering28rrnTLlg10总传播损失（

19、总传播损失（扩展扩展+吸收吸收）等于：）等于： 68. 8lg20lnlg200exppex即：即：1Neper=8.68dB 111lg10 xxxxIITL声吸收引起的传播损失：声吸收引起的传播损失： College of Underwater Acoustic Engineering29纯水声吸收系数纯水声吸收系数实际吸收系数的测量值远大于经典吸收系实际吸收系数的测量值远大于经典吸收系数理论值，两者差值称为数理论值，两者差值称为超吸收超吸收 n纯水的超吸收纯水的超吸收College of Underwater Acoustic Engineering30n海水的超吸收海水的超吸收qCau

20、tion：n海水的声吸收系数海水的声吸收系数与声波频率、温度、与声波频率、温度、压力、盐度等因素压力、盐度等因素有关，但盐度的影有关，但盐度的影响较小；响较小；n对于不同声波频率，对于不同声波频率，应选择不同的经验应选择不同的经验公式来计算海水的公式来计算海水的吸收系数吸收系数 海水和淡水的声吸收系数海水和淡水的声吸收系数College of Underwater Acoustic Engineering31n非均匀液体中的声衰减非均匀液体中的声衰减q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：热传导效应：气泡压缩、膨胀，内部温度升气泡压缩、膨胀，内部温度升高，发生热交换，声能转化为热能而消耗掉。高，发生热交换，声能转化为热能而消耗掉。n粘滞性：粘滞性：海水对气泡压缩、膨胀的粘滞作用，海水对气泡压缩、膨胀的粘