第4章典型传播条件下声传播

第4章典型传播条件下声传播2本章主要目的运用射线声学方法讨论常见海洋波导的声传播规律。了解声波在何种海洋波导的可以实现远距离传播以及对水声设备的影响。第4章典型传播条件下声传播水声学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：4.1邻近海面的水下点源声场3第4章典型传播条件下声传播水声学

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？4.1邻近海面的水下点源声场1、波动表示方法4第4章典型传播条件下声传播水声学2、声压振幅随距离的变化

假设、，则可得4.1邻近海面的水下点源声场5第4章典型传播条件下声传播水声学

接收点P声压：4.1邻近海面的水下点源声场6第4章典型传播条件下声传播水声学2、声压振幅随距离的变化（1）声压取极大值，且是单个点源的两倍。直达声与海面反射声同相叠加。4.1邻近海面的水下点源声场7第4章典型传播条件下声传播水声学2、声压振幅随距离的变化（2）声压取极小值。直达声与海面反射声反相叠加。合成声压不等于零，是由于两者到接收点距离不等。4.1邻近海面的水下点源声场8第4章典型传播条件下声传播水声学2、声压振幅随距离的变化（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。4.1邻近海面的水下点源声场9第4章典型传播条件下声传播水声学3、传播损失4.1邻近海面的水下点源声场10第4章典型传播条件下声传播水声学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4.1邻近海面的水下点源声场11第4章典型传播条件下声传播水声学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。

4.1邻近海面的水下点源声场12第4章典型传播条件下声传播水声学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：4.1邻近海面的水下点源声场13第4章典型传播条件下声传播水声学4、非绝对反射海面下的传播损失14问题：表面声道如何形成？有何特征？4.2表面声道（混合层声道）水声学第4章典型传播条件下声传播15声道形成原因：

由于海洋中湍流和风浪对表面海水的搅拌作用，在海表面下形成一定厚度的温度均匀的混合层（等温层）。在层内温度均匀，压力随深度增加，声速呈正梯度分布。

4.2表面声道（混合层声道）水声学第4章典型传播条件下声传播16声道特点：

混合层中，声线几乎被完全限制在表面层中传播，声线不断受海面反射，小掠射角声线在混合层底部不断发生反转，因而，声信号在表面声道中可远距离传播。

水声学第4章典型传播条件下声传播4.2表面声道（混合层声道）17根据表面声道传播的主要特征，把声速简化为线性正梯度分布：

海表面声速值

海表面混合层的厚度

水声学第4章典型传播条件下声传播1、表面声道“线性”模型和声传播4.2表面声道（混合层声道）18水声学第4章典型传播条件下声传播1）声线和参数4.2表面声道（混合层声道）反转深度：在表面声道中传播的声线发生反转的深度反转深度特点：声线的掠射角

水声学第4章典型传播条件下声传播1）声线和参数4.2表面声道（混合层声道）1920一般来说在表面声道传播的声线掠射角都是小量，近似可得：根据折射定律，可得反转深度水声学第4章典型传播条件下声传播1）声线和参数4.2表面声道（混合层声道）临界角：在表面声道层深处发生反转的声线，其声源处和海面处的掠射角最大，称为临界角；该声线为临界声线。

水声学第4章典型传播条件下声传播1）声线和参数4.2表面声道（混合层声道）21当声源处掠射角或海面掠射角的声线被束缚在声道内传播，称为“声道声线”；反之，未被束缚的声线越出表面声道，进入深水域中，在传播时经历海底反射，有较强的衰减，因而在较远距离上可被忽略。

水声学第4章典型传播条件下声传播22跨度D：声线在海面相邻两次反射点之间的水平距离。

水声学第4章典型传播条件下声传播231）声线和参数4.2表面声道（混合层声道）24声线传播水平距离公式:

海面掠射角声线的跨度D：

跨度D与反转深度的关系

水声学第4章典型传播条件下声传播1）声线和参数4.2表面声道（混合层声道）由跨度的表达式可知：海面掠射角越大，跨度也越大。

最大跨度：

最小跨度：

水声学第4章典型传播条件下声传播251）声线和参数4.2表面声道（混合层声道）

假设声源和接收器位于海面附近，相距为r，有许多不同循环次数的声线（信道的多途）可以到达接收点（特征声线），它们在海面处的掠射角满足方程：循环数N：声源与接收点之间所容纳不同掠射角声线跨度数目。

特征声线对应的掠射角为：水声学第4章典型传播条件下声传播261）声线和参数4.2表面声道（混合层声道）讨论：

循环数N越大，声线越接近海面，

循环数N越大，相邻声线的掠射角越接近，声线越密集，声能越集中。声源辐射到层厚内的声能量W与掠射角有如下关系为：沿海面传播的声线。（声源均匀辐射）声源辐射声能主要集中在海表面层附近，类似于“北京天坛的回音壁”、“夜半钟声到客船”。

水声学第4章典型传播条件下声传播271）声线和参数4.2表面声道（混合层声道）声线经过微元ds的传播时间：根据折射定律，可得：传播时间：水声学第4章典型传播条件下声传播282）传播时间4.2表面声道（混合层声道）

跨度的传播时间：假设声源与接收器靠近海面，则由源到接收器N次循环的声线的总传播时间近似为：循环数为N的声线掠射角为：

水声学第4章典型传播条件下声传播292）传播时间4.2表面声道（混合层声道）

利用级数：

讨论：最接近海底传播的声线（N最小），传播时间最短，最先到达接收点；最靠近海面传播的声线（N最大），传播时间最长，最后到达接收点。即声线在海面反射的次数越多，其传播时间越长。单位时间内到达接收点的声线数目随N增加而增大。

水声学第4章典型传播条件下声传播302）传播时间4.2表面声道（混合层声道）

大西洋实验记录：爆炸声源位于700米深，接收点位于1200米深，两者相距1880千米。

确定信号的整个持续时间，只考虑声道声线，有：

信号持续时间与距离成正比。

水声学第4章典型传播条件下声传播312）传播时间4.2表面声道（混合层声道）

在表面声道中，入射平面波为从海表面向下传播的声波，反射平面波为经过反转点后由深度H向上传播的波。

32

反射波与入射波之间的相移：深度方向上，传播路径引起的相移声波的反转引入的相位损失。

在反转点以上声场为上行波和下行波之和；在反转点以下声场为沿深度方向指数衰减的非均匀波。

水声学第4章典型传播条件下声传播2、表面声道截止频率4.2表面声道（混合层声道）33假设反射波与入射波的模相等，则海面的反射系数：根据自由海面边界条件，反射系数满足：

水声学第4章典型传播条件下声传播2、表面声道截止频率4.2表面声道（混合层声道）34

根据折射定理，则传播路径引起的相移：表面声道各阶简正波的临界频率：水声学第4章典型传播条件下声传播2、表面声道截止频率4.2表面声道（混合层声道）35当n=0时，可求得表面声道的截止频率：表面声道传播所允许的最大波长为：注意：这里利用不均匀反射系数近似表示式所应满足的边界条件，推导出表面声道的截止频率。波动理论是利用频散方程的根求得。水声学第4章典型传播条件下声传播2、表面声道截止频率4.2表面声道（混合层声道）36

设表面声道中有一无方向性点源，在表面声道中作远距离传播声线掠射角，离点声源单位距离处，在到范围内的声束能量分布在面积上：水声学第4章典型传播条件下声传播3、传播损失4.2表面声道（混合层声道）37

在远距离r处，忽略介质吸收和声漏射（声波海面散射引起的），声束能量分布在高度为H、半径为r圆柱面积A2上：通过面积A1和A2功率是相同的，则距离r处的声传播损失为：r0称为过渡距离当传播距离r<r0时，声波按球面规律扩展；当传播距离r>r0时，声波过渡为柱面规律扩展。水声学第4章典型传播条件下声传播3、传播损失4.2表面声道（混合层声道）38与简正波方法求解结果比较：表面声道的传播损失与简正波方法求得的浅海均匀声场传播损失在形式上一样。共同点：声能被限制深度H层内，在远场符合柱面衰减规律。不同点：临界掠射角不一样，表面声道掠射角，由声道参数a、H和z0来决定；均匀浅海掠射角，由折射率n决定。

若考虑海水介质声吸收和声泄漏引起的衰减，声道的传播损失为：水声学第4章典型传播条件下声传播3、传播损失4.2表面声道（混合层声道）39近距离：

远距离：

吸收系数：漏声系数：Baker给出的表面声道TL的经验公式水声学第4章典型传播条件下声传播3、传播损失4.2表面声道（混合层声道）混合声道声强级沿深度的变化：混合层内声强值大于球面扩展的声强值，传播损失小于球面波的传播损失；在混合层以下声强小于球面扩展声强，传播损失显著增加；声波频率越高，离表面声道截止频率越远，声道现象越明显。水声学第4章典型传播条件下声传播403、传播损失4.2表面声道（混合层声道）411、深海声道的概念和特点4.3深海声道（SOFAR声道）水声学第4章典型传播条件下声传播42

声源位于声道轴附近时，在一定角度范围内射出的声线被限制于声道内传播，这部分声线不经受海面散射和海底反射，声信号传播很远。

受季节影响小，声道效应稳定。

SOFAR：SOund

FixingAndRanging——声学定位和测距，利用深海声道效应可以有效地定位和测距。通常利用若干水声接收基阵来测量爆炸声信号的到达时间，来确定爆炸点的位置和距离。例如进行大地测量、确定导弹溅落点的位置。水声学第4章典型传播条件下声传播1、深海声道的概念和特点4.3深海声道（SOFAR声道）43水声学第4章典型传播条件下声传播1、深海声道的概念和特点4.3深海声道（SOFAR声道）44

Munk声速标准分布模型偏离极小值的量级

声速极小值声速极小值位置

声道有效宽度水声学第4章典型传播条件下声传播2、深海声道典型声速分布4.3深海声道（SOFAR声道）45

Munk声速标准分布模型

Munk典型数据（规范声道）

纬度越高，海面水温受热小，声道轴也越浅。我国南海的声道轴接近1100米。

水声学第4章典型传播条件下声传播2、深海声道典型声速分布4.3深海声道（SOFAR声道）46

线性声速分布模型水声学第4章典型传播条件下声传播2、深海声道典型声速分布4.3深海声道（SOFAR声道）

声线和信号波形声线

①偏离声道轴较远的声线，路程最长，但最先到达；②沿声道轴传播的声线，路程最短，但最迟到达；③沿声道轴传播声线最密集，携带能量最大。信号波形

多途径传播的爆炸信号，接收信号强度由小变大直至峰值，然后突然截止。47与表面声道声传播具有类似规律。水声学第4章典型传播条件下声传播3、声道信号和基本特征4.3深海声道（SOFAR声道）48

会聚区和声影区声源位于海面或接近海底，可形成声强很高焦散线和会聚区。

焦散线（面）：邻近声线交聚点（线）所形成的包络线（面）。会聚区：在海面附近形成高声强焦散的区域。

现代声纳，可利用水下声道的会聚区来实现远程探测。水声学第4章典型传播条件下声传播3、声道信号和基本特征4.3深海声道（SOFAR声道）49MaxRangeDPMaxRangeBBFOM=70dB水声学第4章典型传播条件下声传播3、声道信号和基本特征4.3深海声道（SOFAR声道）50MaxRangeDPMaxRangeCZFOM=90dB水声学第4章典型传播条件下声传播3、声道信号和基本特征4.3深海声道（SOFAR声道）51

会聚区和声影区声影区：反转折射声线无法达到的区域，称为声影区。影区内，只存在海面和海底的反射声线，声强明显小于会聚区声强。

会聚区宽度随序号增加而变宽，影区宽度随序号增加变窄。水声学第4章典型传播条件下声传播3、声道信号和基本特征4.3深海声道（SOFAR声道）52水声学第4章典型传播条件下声传播4.3深海声道（SOFAR声道）53会聚区内平均声强(F.E.Hale,Longrangesoundpropagationindeepocean,JASA,33,456,1961)：

设无指向性声源的发射功率为W，形成会聚区声源掠射角范围为，空间会聚区内总声功率：水声学第4章典型传播条件下声传播3、声道信号和基本特征4.3深海声道（SOFAR声道）54会聚区内平均声强：

假设水平距离r处的声线平均掠射角，则垂直声线方向的环形截面积等于。声功率均匀分布在环面上，则会聚区的平均声强：会聚区的宽度，与会聚区序号有关。

水声学第4章典型传播条件下声传播3、声道信号和基本特征4.3深海声道（SOFAR声道）55会聚增益：会聚区声强与球面扩展声强之比声强异常：会聚增益的分贝值球面波扩展损失会聚区传播损失声强异常为球面波损失高于会聚区损失分贝数。水声学第4章典型传播条件下声传播3、声道信号和基本特征4.3深海声道（SOFAR声道）56波动理论解释：♀会聚现象是焦散线上大量同相简正波叠加结果；♀同相叠加的简正波数目越多，会聚增益越大；

♀会聚增益也与简正波的深度分布函数有关，即与深度z有关。

水声学第4章典型传播条件下声传播3、声道信号和基本特征4.3深海声道（SOFAR声道）57声道基本特征♀反转声线的包络线形成会聚区；

♀反转声线不能到达的区域形成声影区；♀会聚区与声影区交替出现在深海声道中，随着传播距离增加上述现象变得不明显。射线声学平均声强平均声场焦散线声场近距离声场远距离声场水声学第4章典型传播条件下声传播3、声道信号和基本特征4.3深海声道（SOFAR声道）声道平均声场若忽略介质吸收和海面、海底的反射损失，则根据聚焦因子和声强：58水声学第4章典型传播条件下声传播4、平均声场和传播损失4.3深海声道（SOFAR声道）59声道平均声场当水平距离r较大时，在一个跨度范围内，可认为有四个地方声强取同一个值，声线在每一处声线水平方向波束宽度等于水声学第4章典型传播条件下声传播4、平均声场和传播损失4.3深海声道（SOFAR声道）60声道平均声场平均声强为：声源处声线掠射角接收处声线掠射角水声学第4章典型传播条件下声传播4、平均声场和传播损失4.3深海声道（SOFAR声道）61声道平均声场

如果声源和接收点的声速接近相等，则声强近似等于：

假设声速分布为线性模型，令声线为等声速层内声线掠射角。水声学第4章典型传播条件下声传播4、平均声场和传播损失4.3深海声道（SOFAR声道）62声道平均声场水平跨度为：对于对称线性声速分布：声强：水声学第4章典型传播条件下声传播4、平均声场和传播损失4.3深海声道（SOFAR声道）63声道平均声场若接收点也位于等声速层内，则：根据折射定律，则可推得：水声学第4章典型传播条件下声传播4、平均声场和传播损失4.3深海声道（SOFAR声道）64声道平均声场若的积分上限取到最大值，则：平均声强不仅是接收点（r，z）的函数，也是声源深度z1的函数。水声学第4章典型传播条件下声传播4、平均声场和传播损失4.3深海声道（SOFAR声道）65声道平均声场

假设声源也位于等声速层内，则：一般情况下，有：推导过程对声源和接收点位置进行了限定。球面扩展向柱面扩展的距离水声学第4章典型传播条件下声传播4、平均声场和传播损失4.3深海声道（SOFAR声道）66声道传播损失若考虑海水介质声吸收引起的衰减，声道的传播损失为：水声学第4章典型传播条件下声传播4、平均声场和传播损失4.3深海声道（SOFAR声道）67

特点从声源出发的声线向海底折射，不再反转回声源所在的水平面上，与前面介绍的波导传播情况相反，故称为反波导传播。

zcrz1r1r2z存在一个与海面相切的极限声线；在极限声线以内为声亮区；在极限声线以外为声影区（直射声线无法达到）。

4.4深海负梯度水声学第4章典型传播条件下声传播68水声学第4章典型传播条件下声传播4.4深海负梯度69

几何作用距离从声源到观察点深度影区边缘的水平距离。

设声速分布的相对声速梯度为a，则几何作用距离：

通常声影区不存在通常意义上的声线，可引入衍射声线概念。水声学第4章典型传播条件下声传播4.4深海负梯度70

特点声速显著减小的水层。声线通过负跃层时，声线明显弯曲，声强减弱，对声纳作用距离影响很大。声道模型

负跃层上方介质声速为，下方介质声速为，且，负跃层较薄。

水声学第4章典型传播条件下声传播4.5深海负跃层71

声线经过负跃层折射后，波阵面展宽，声强减弱。

zc1rc2H1H2r1rr2设声源位于层上方，则可求得传播至层下方水平距离r：

水声学第4章典型传播条件下声传播4.5深海负跃层72设声源单位立体角的辐射功率为W，则射线声学声强公式为：

若接收点位于负跃层的下方邻近：

若接收点位于负跃层的上方邻近，声线未形成折射：

水声学第4章典型传播条件下声传播4.5深海负跃层73

经跃变层的传播损失为：

声波经过负跃层引起声能损失

当（相当水温有10℃以上变化）时，声源掠射角，则；声源掠射角，则。水声学第4章典型传播条件下声传播4.5深海负跃层74浅海与深海的划分原则海底对声传播影响的程度来划分；深海可忽略海洋界面对声传播的影响；浅海的声传播明显受海面和海底边界的影响。浅海声场直达声和海底、海面反射声叠加，比深海声场复杂。

水声学第4章典型传播条件下声传播4.6均匀浅海声场75浅海平均声强声线经多次海面、海底反射，考虑海面、海底反射引入损失，同时也计入海水声吸收，引入衰减因子：

为海水介质的吸收系数；为声线对海底或海面的反射次数，对于远距离传播，海底和海面的反射次数近似相等；为海底反射系数；为海面反射系数。

水声学第4章典型传播条件下声传播4.6均匀浅海声场76平均声强：

水声学第4章典型传播条件下声传播4.6均匀浅海声场77（1）硬底、声速均匀浅海声速均匀绝对反射声线跨度：

平均声强：

水声学第4章典型传播条件下声传播4.6均匀浅海声场78（2）海底有吸收的均匀浅海海底反射系数：

海底三参数模型中的Q

水声学第4章典型传播条件下声传播4.6均匀浅海声场79（2）海底有吸收的均匀浅海考虑海底声吸收，海底声速为复数，则可求得：

可由试验数据求得平均声强：

3/2次方规律衰减

水声学第4章典型传播条件下声传播4.6均匀浅海声场80（3）3/2次方衰减率的适用距离掠射角的最大有效值量级为：

传播简正波的总数：水声学第4章典型传播条件下声传播4.6均匀浅海声场81根据计算平均声强的要求：

最大距离满足：水声学第4章典型传播条件下声传播4.6均匀浅海声场（3）3/2次方衰减率的适用距离82此时仅有一阶简正波对声场有贡献，利用声场的简正波解可导出声强的衰减规律。经数学推导：

（4）时声强衰减率规律若考虑海面反射损失，则有：水声学第4章典型传播条件下声传播4.6均匀浅海声场83传播损失声强随距离衰减平均规律（1）球面扩展（2）3/2次方衰减率＋介质吸收（3）柱面扩展＋介质吸收＋界面吸收水声学第4章典型传播条件下声传播4.6均匀浅海声场84传播损失半经验公式距离参数km海水深度m混合层厚度m（1）近距离r<R（2）中等距离R<r<8R（3）远距离r>8R近场异常衰减dB海水吸收系数dB/km浅海衰减系数dB/km水声学第4章典型传播条件下声传播4.6均匀浅海声场85浅海声场的虚源表示射线理论：将海面和海底的反射声线视为由各自的虚源发出的声线，虚源数目与考虑的声线反射次数有关，数目趋于无穷，则求得浅海总声场。

（1）硬底均匀浅海假设浅海声速均匀层深为H，海面为平整自由界面，海底为平整硬界面。

水声学第4章典型传播条件下声传播4.6均匀浅海声场86（1）硬底均匀浅海点源位于坐标处，观察点位于坐标处，归一化的直达波声压：海底一次反射声线，它由虚源发射声线，与直达声叠加：水声学第4章典型传播条件下声传播4.6均匀浅海声场87（1）硬底均匀浅海

前面求得的声压满足下界面条件，但不满足上界面条件。考虑上界面，需引入再两个虚源和：海底海面海面水声学第4章典型传播条件下声传播4.6均匀浅海声场88（1）硬底均匀浅海

前面求得的声压满足上界面条件，但不满足下界面条件，恢复下界面对称性，需再叠加两个虚源和：海底海面海面海底海底水声学第4章典型传播条件下声传播