(完整版)第三章 海洋的声学特性

1、 海底反射损失为正值，BL分贝数越大，海底反射损失越大；V为反射系数模值。.（,二）.一匮史速也底特点：海底呈液态、声速大于海水声速（cc,n1）。21海底反射损失BL值和反射系数模V随掠射角中的变化，如图（a）所示。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的海底声吸收。（二）低声速海底特点：声速小于海水声速（c1）。21海底反射损失BL值和反射系数模V随掠射角中的变化，如图（b）所示。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的海底声吸收。声波垂直入射，反射系数和海底反射损失为:pcpc-pcV=22Ipc

2、+pc2211BL=20lgV右图为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。由此图可看出，海底沉积层的反射损失随掠射角变化有三个特征：（1）存在一个“分界掠射角”隼*；当中*时，反射损失值较小；当中*时，反射损失较大。隼*是海底反射损失的一个特征参数。（2）小掠射角*范围内，反射损失随隼二增加。（3）大掠射角cpcp范围内，反射损失与（P无明显依赖关系，有时会出现反射损失值的“振荡”变化，一般可近似为常数。根据海底反射的特征，我国学者尚尔昌提出三参数模型:Q0*-201nM3)=1兀一1nV=const3*3一o2三个参数为：Q、口和-1nV0。该模型表示海底反射损

3、失的基本特征。参数计算|:根据反射系数表达式和Hamilton总结的沉积物衰减系数a=Kf求得。（1）“分界掠射角”中*为全内反射角：中*=arccos（n），声速比n=匕。c2（2）V为掠射角等于兀：2时的反射系数模：V=二，密度比m=2。TOC o 1-5 h z00m+np1（3）参数Q等于Q=：L1nV（p）。根据全内反射时反射系数：卸P=0mcos0+ii-sin20-n2 HYPERLINK l bookmark133 R=i_)imcos0.一i、/sin20.一n2令.0厂2=M1+M2令.0厂2=M1+M2注意：三参数模型可用于分析海洋中声场的平均结构。3.4海面海面波浪：周

4、期性一一周期、波长、波速和波高等量来描述其特征；随机起伏性一一概率密度分布、方差、谱和相关函数等来描述其特征。lnnnnaaaaa（一）重力波重力波：以重力作为恢复力的波动。描述波浪的四要素：波长、波高、周期和波速，它们之间的关系：A=cT。波浪的波数：k=2兀A=3：c。忽略粘滞性的影响，水深h的均匀海洋的波速：c2=tanh（h）k式中，g为重力加速度。O一表面张力.汲表面张力波：表面张力为主要恢复力的波动。米。波速为：通常是小风速时，海水表面曲率半径只有几厘表面张力波：表面张力为主要恢复力的波动。米。波速为：通常是小风速时，海水表面曲率半径只有几厘C2tanhW式中，Tf为表面张力。波长

5、越长，代表表面张力波速的第二项就减小，见图中虚线a。常识：波长大于10cmC2tanhW式中，Tf为表面张力。波长越长，代表表面张力波速的第二项就减小，见图中虚线a。常识：波长大于10cm基本上属于重力波。注意：波长与波速之间的变化关系，重力波与表面张力波不同。对于小波长的波，表面深水有tanh（kh）-1，则波速简写成：根据上述波速（相速度）表达式，波速与频率（和波长）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。（三）波浪的形成和等级波浪的形成与风速、风持续时间、风区等因素有关。风传给波浪的能量等于波浪破碎时损失的能量（达到平衡状态），风浪成为充分成长的风浪。国际标

6、准：海况分成9级，见书中列表。概念：平均波高H:波峰到波谷垂直距离的平均值。有效波高H,3：记录中1/3最大波高的平均值;平均1/10最大波高H：记录中1/10最大波高的平均值;110三者之间关系:WH=三者之间关系:WH=0.25H13=0.20H1102niw波浪有随机性，将其视为随机过程，研究其统计特性:（一）波浪的概率密度分布海面偏离平衡位置的位移cC）服从高斯分布:Pi、:2Pi、:2兀工;I960年，Kinsman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。常识：在水声学中经常将波面的概率分布视为高斯分布。（二）波浪的谱在水声学中，经

7、常采用1964年Pierson和Moskowity根据大量观测资料提出充分成长的波谱，即P-M谱：S（3）=ag-exp-P35式中，a=8.1x10-3；B=0.74；3=gu，u为海面19.5m处的风速，m/s。0195195P-M谱为一维谱，而实际上波浪是时空谱。3、海面表面层内的气泡层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。关于气泡的声学性质在后续章节中介绍。4、海面对声传播的影响简介海面反射性质：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。在水声学中，海面的反向散射是海面混响的形成原因。海面波动，其散射场中含有多普勒频移分量。详细内容会在后续章节中介绍3.5海洋内部的不均匀性海洋的不均匀性：海底海面的不均匀行、海水温度和盐度垂直分层特性，内部湍流、内部、海流和深水散射层等等。1、湍流湍流：流体流经固体表面或是流体内部出现的一种不规则运动。它是一种随机运动的旋转流。它形成海水中温度和盐度的席位结构变化，引起声速的微结构变化。2、内波内波：两种不同密度液体在其叠合界面上所产生的波动。内波波长可达几十公里到几百公里，波高从10米到100米。它对低频、远距离的声传播信号有中大影响。3、海流画：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