华北理工水声学讲义

水声学讲义

第1章绪论

本章主要内容*

水声学概述（了解〉

主动声呐方程及其各叁数的概念、物理意义（窗、定点）I

被动声呐方程及其各套数的修念、物理意义（・、》点〉I

趣合声呐参皴的物理意义（TM）».

声呐方程的工程应用及限制（・点）,

§1.1水声学概述

I、本课程目的和任务:通过讲述声呐方程、海洋声传播特性、目/反射和散射、

海洋混响和水下噪声等内容.使学生了解水声工程设计的基本方法、声明设

翁止确使用以及水声学的最新发收动态,掌握声波在海水中传播时的基本说

阪和规律以及对声呐设的的影响，具〃解决荷单的水声工理实际问13的能力.

■水声学是本。业主要特色课程之一

•教学科研京宓结合是本课程更要的特色之一

教材，

•刘俏胜、孟家煜.水声学原理，哈尔滨工程大学出版社.1997.

主要参考负科：

•R.J.尤立克著，洪小译，水声原理,哈尔滨始船工用学院出板社，1989.

•汪德昭'尚尔昌，水声学，科学出版社，1979.

•顾金海、叶学千，水声学基砒，国防工业出版社，1981.

2.声波的基本知识

1）声探测的三个基本要素:

-声源-任何振动物体,

-介质

-探测器，接收器

2）定义：

•声功率=辎射的声波能量/杪（Jou】es/s）.

•声强=声功率峦度或声功率/单位面枳.

•尚压=次位面枳的受力.

-如测得了声压，就可以确定由强.

•冽量单位.

-大气压,巴.帕斯卡,PSI,达因/平方解米,毫米汞柱.

•，卜波的计量：如何比较人波的强崩？

•采用分贝(DECIBELS)为单位.

•声强比率的分贝衣小.《声乐级(SPL)}

•定义

-dK=10log(ratio)

-SPI.=10IOR(I/IJ=10log(P7P.:)=20IOR(P/P.)

SPL=20log(I*/1ml%)

•小测验

西个噪声源的声压级均为60dB,四个噪小源共同辐射噪声的声Ik很是

一少,GQ♦60-120对么?

-SPL=SPL：+SPL=20logd*,/!ml'a)+20log(PJImPa)

-SPL=10I<>R(2P.7IBIPH)=10I<K(PJ/1mPa)♦10log(2)

-SPL=SPL3

•数学计饵方法

-SPL=10lo&(10%“+)

3、水声学的基本内涵

【)水声学的定义:水声学主要研究卢波在水卜的制射、传堀与接收，用以解

决与水卜.H标探熬和佰息传输过程有关的各种声学m.

2)水外学号本内涵:水声学是用烧水净技术，水而对抗技术和水声工程的喳

本需求来开展科学研究的

水声技术:利用声波作为信息就体来实现水下探测、定位、导航和通信的

原理与方法.

水声对抗技术:在军事上.对抗水卜声探渊、定位、导航和通信的技术措

施与手段

水，I：积：水入技术和对抗技术的工程目标实现

•声波是水下远距离信息传输唯一有效骁体

•声波是水下远距离信息传输唯书效我体

•声波在水中的幅射、传播和接收受到环境因素的显为影响

・海水中声速分布灼声传播的重响环境

•水浑设备设计和使用费与水声环境相匹配

•根据水声波导的特点确定启呐设笛的布放

•根提;水声波导的特点确定声呐的工作方式

•根据水水<.i道的特点确定水声信号处理的方案

■录音机记录到的爆炸脉冲波形

•海军作臧斋瞿充分利用水向环境

•海底山时再传播的影响

•海洋环境中的声场分布

3、水声学发履简史

4、水声学发展历史

5、水声学上要研完对以

1）水海学的4；要研究内容

■水田物理

•海洋讣境声特性

-海水（声学特性）

-海底与海面（声学特性）

•水力传播（规律）

•混晌、嗓声、敢射、E起伏

•对声呐改备工作的极响

•水声技术（水声信号处理、显小技术、信号检测（目标检测）、参数估

计（参数估计）、目标识别》

■其它的（微述）：水声物理研究、水产系统、水声换能器、水声基阵、水

声换能材料、水再换能器没汁原理H方法，水声换能需H艺、潦基阵成阵

技术、水再换能器校准计量

6,水声学的主要应用

•一郭应用,水雷引信、声制导鱼笛、探雷声咕、小口标定但声明、通信市

呐'航空吊放声呐（浮标声呐）、描出声呐、拖电线列阵声呐、水声导航

声呐等）

■民事应用（测深、测速.倒探仪.助渔设备《诱鱼、计数、跟踪）、助港

设备、水下定位、通讯与遥测,声控）

■海洋监测<海底特性探测、海底特性探测、海底特性探测、沟岐特性探测、

洋流和海水温度探测、洋流和海水湿度探测、鱼群探潴、般踪和识别）

•水声通讯

■水声定位导航

7、木课徨的土要内容：建：门:;呐系统的丛A樵念

由声呐方程入手，将所有与声呐系统有关的物理参数联系划,起.r辨

声呐系统设计、性能预测所需要的展本参数，建立堪本的物理概念,明确未

小学的主婴研宣内容与出呐系统的关系按耗涔和信号处理行关的内容由

于有单独设屯的课程，运甲不再详细讨论.因此，由声呐方程引出有大的水

声物理问题，这叫都是向呐系统设计必然认交考期的因索，也是水再学士耍

的研究内容.

•卢咕及声呐方程

•海洋的声学牯性

•海洋中的小传播理论

•典型传播条件浦的声场

•河波在目标上的反射和微射

•海洋中的泥响

•水下喋声

8、水声学加学习方法•小建议：与海洋学紧率结合、充分学樨声呐方理、注取

理论联系丈践

§1.2声呐方程

、声呐及其工作方式

技动声呐—思流一

二、声呐叁数

主、被动由呐工作信息流程的基本组成：由信号传播介鲂（海水）.但探H

声呐设笛、声呐参数

定义：将影响声呐没茁工作的因素称为声呐魅数：

I、声源级SL：用来描述主动声呐所发射的声信号的强弱（反应发射器辐射声功

率的大小）

S£=101g—

式中,I为发射器声轴方向上离声源声中心1米处的卢强，h为参号市

强（均方根力压为1成帕的平曲波对应的内强）

为了提高主动声呐的作用即感，将发射器做成具有一定的发射指向性，

如下图所示.

一杼.原囚:可以提岛辅对信号的强度，相应也提岛回声信号强度.增加接收

信号的信噪比,从而增加声呐的作用地离.

发射指T性指数D3

---/j/rwioig^e-

/AiD

式中:

I,为指向性发射器在声轴上测得的声强度：

k为无指向性发射器辑射的声强发.

含义：

/♦相同距离匕指向性发射器声轴上声级高出无指向性发射爆

/DL越大，声能在声轴方向柒中的程度越岛：

/1>1,越人，就有利于增加声呐的作用即离：

击源级I,由功率的关系I假设介质£由吸收,声源为点声源，羯射声功率为

P.（V）.距声源内中心I米处之强度为：

/*=2/4+/加）

1）无指向性济源部射声功率1j声源段的关系：

S£=101g^+170.77

2）指向性声源幅射声功率，，声源级的关系：

SL=101gPa+170.77+DIT

2.传播损失T1,定应描述声波传播一定期高后再强度的案被变化

71=101g人

，r

式中，L是离声源声中心1米处的声强度；L高声源声中心r米处的声强

度,

引起声强哀流的原因：1）由于海水介历本身的声吸收；2）声传播过程波侔

所的扩展：3）海水中各种不均匀体的散时.

3、「1标强度is：n标反射本领有洋异：d同样入时声波的照射下,不同n标的

何波是不一样的。它除了与入射声波特刊（物率.波阵面市状》

有美，还与n标的特性（几何形状、材料等）有关.

7s=l（）lg^

人I

式中，L是目标处入射声波的强度:1.离n标出中心1米处的何波强度.

4,沟洋坏埴嗓卢级M：海洋环境联海是由海洋中大盘的各种各样的味声说发出

的声波构成的，它是声呐设备的•种背好干扰.环境噪

声级NL是度境环境噪声强弱的量

M=IOIg-^-

式中式为参考声旗度，卜是1盘带宽内（或1Hz颜带内）的噪声强度.

5,等效平面波混响级RL

主动声呐的背景干扰：

D环境噪m-一般是平确的和各向忖性的

2）混响一是IIT'稳的和II各向H性的

等效乎曲波混响级RL：

a）定量描述混响干扰的强弱

的是利用平面波的声级来度同混响场的强弱

c）定义：强度已知的平面波轴向入射到水断器上.水听器输出电/值V；将

水听器移置于混响场中，声轴指向目标,水听器输出电压值也为L

则该平面波声级就是混响级，

6、接收指向性指数【）1：接收换使器的接收指向性指数1）1定义为：

无指向性水听器产牛•的噪声功率

-8指向性水听那产生的噪而痛'

其中，指向性水听器的轴向灵敏度等于无指向性水听器的过敏度.

水所需”敏度w：水所潺处的由压为【）,装置的开路终魅电乐是y,则水所

器的灵敏度为

S.«20lg（v/p）d»/«

例：已知水听器的巩敏度为200州八北程设入射平面波的声压线为80dR・

向其输出端的开路电压为几伏？

^£_

•一数DI只对各向同性噪声场中的平面波信号《是完全相关信号）有意义:

•炉其它方向特性俏信号和噪声场,；»用参数阵招益来代替1）1.

对于几何形状箭雌的换能器阵，可用阵尺寸来表示它的DI值

型或DMOlR

n

粒,为上〉，1的建00r7

钙*桥上宣&为D»12/J吟以’em311

的港・，xD/2uu6I

________X________

间能为d附个”间隔垦1IzWe-ahs。2

元均翻妙传»«ni^hn^/41.(

“£3”

2

cm23*/4,

双星出•间距M.K・2出3，犀

2m出sm^/41

20〃

7、馀测网DT：是设备刚好能il:常T.作所需的处珅器输入剂的信联比值

声呐次符接收翳接收声呐信号和背景咪声,西部分的比值即接收带宽内的信号功

率或均方电压与III/.带宽内（或接收带宽）的味片功率或均方电

压的比，它影响设备的工作斯量，比值越高，出品就能正常工作.

“判决”就越可信.

刚好完成某种职能时的信号功率

~g——出端上的噪■功洋

常识：时于同种职能的声呐设的，检测阈假较低的设法.箕处理能力强.性

能也好.

一.、南呐方程:综合考虑水声所将行的各种现像和效应对声呐设龙的设计和应用

所产生影响的关系式.它将海水介场、声呐目标和声呐设各的作

用联系在一起

I、基本考虑：

声呐方程的玷本原财：

信号级一背，干扰级=粉洌蚓（刚好;c成校定职掂）

背一干扰级的含义；设义工作带宽内部分背景嗓声才起干扰作用.

2、E动声呐方程：收发合巴的卜:动声呐信I；强度变化如F：

or

|-“lt-卜-|H“.**

上动声呐方程(噪声背景)：

(-TS)-(NLDI)=DI

注j适用于收发合度里声呐,对于收发分?!声呐,往返传播掾央不健玛举用2TL

表示:适用F背景干扰为各向同性的环埴雌萍情况.

主动启呐万祖(混响背般》:

5L-2TL+TS--T

注:适用于收发合算型声呐,对于收发分置出呐,it返传播指失不能埼单用2TL

/衣；适用于曹景卜扰为混喻的情况.

3,被动声呐方程

与4•:动声呐相比，被动再呐特点：

.噪声■发出的噪用直接由噪泮源传播至接收换脆霹：

.噪声源发出的噪声不经目标反射.即无TS：

.背景「扰为环埴噪声。

故动声的力程：

SL-TL-<NL-DI)=DT

£中，SL为嗓声源情时噪声的声源级.，

四、血合声呐参数，几个声呐参数的组合是，它具有明确的物理含义

回声信号V：SL-2TL+TS——加到主动声呐接收换能涔上的忖声信号的声级：

噪声捱藁缰：NLTH+DT--工作在噪声I•扰中的声呐设备正常工作所需的最

低信号级；

混响推中级：RL,DT一一工作在混响十优中的声呐设备正常工作所需的最低信

号为

I可声余垃：SL-2TL-TS-(NL-D1+DT)——主动声呐向声级超过味启施献级的

敷量:

优质内数：SL-<\L-DI+[1T)——对于被动声呐，该第规定最大允许敢程传福

损失।对于主动声呐，当TS二0时,灯盘规定了地大允注双理传福

掇失：

品质因数：SL(NL-DI)——声呐接收换能观测得的声源级号味声级之差.

五、由呐方程的应用及其阳制

L声呐方程的应用（两个基本用途）

一呐设备件能预报：

已知设备特点和若干参数.对其它向明参数进行伍计（例如估计坡大传播

损央——优庾闪敢）；

声呐设备诋让：

项先投定设计设备的职能及第项战术技术指标•根据声呐方程标合押价各

参数的重响，对寥数合理选取和设招蚊仔设计（例如频率的选取一DLTL）.

2、向呐方N的限制:启呐方N是用声强度来描述的，而再强度是尚能流在某一

时间间隔内的平均值：

/=切〃4

•长豚冲信号，回波睛号的宽度很接近发射信号肽冲宽度T

•当声源发射声」上iR府的肽冲信号，或者由于介质的传播效应、目标反

射的物理效应.接收到回声信号波形会产生严重畸变,上式平均值会得到

不确定的结果，上式不再适用.

3,I可声级.噪声掩蔽级和混响捷蔽级叮跻离的关系

主动声呐的竹炭干扰包括混响和噪声，它们对声呐设法工作的影响不同.

应用声呐方程需要确定背景干扰类型.

（-“S）-（―二0

（SL-2TL+TS）-（NL-DITT）-0

注:如柯确定混峋还是嗨声是湛呐的书联干扰?

谷7首先由出冏声级、混响掩蔽级和噪声摊蔽级隔距离的变化胸线1

阿声拨'噪向掩般绘和混响掩威坦与即需的关系

”网声和混响都是地距离而哀减的，而噪声保持不变.f,网声曲线的

即禺下降比混响摊薮统曲线要快.二齐和文丁混响限制印离A：处（由混

响声呐方程确定》.而回声曲线与噪声掩裁级相殳r噪声眼制帅国此处

（由噪声声呐方程确定）・

2）对丁赚声掩想/I.R<R,声呐设备正常工作的距离出也因虻声呐作

用距离受混响限制,选择阻响声呐力程：

3》对于噪声施蔽级11,R3.,而声呐设备1E常工作的距离代凡，因此声呐

作用即离受曝声限制，选择噪声声响方程.

小结।通过本讲学习.掌握声呐参数的意义、声呐方程及其应用

本节习■

1.什么是声呐？声呐可以完成部枝任务？

2.主被、动声呐的信息流程白.何不同？

3.发射指向性指数物理含义是什么？

4,请写出主动声呐方程和被动声呐方程？在声呐方程中备顼参数的物理点又是

什么？

5.环境噪声和海洋混响都是主动声呐的干扰.在实叼工作中如何确定用种干扰

是主要的？

6.已知混口句是某主动声呐的主要|•忧.现曲谈声呐的声源纭增和10dB,何用呐

作用即离肢提充多少？又，在其余条件不变的佶况下，将读潦呐发射功率地博一

倍，问作用即离如何变化.

§1.3声学基础（回顾重要知识点）

本讲主要内容：

■声学基础知识《了解》

■波动方程的导出（了解）

■声场中的能比关系（了解）

■等间距均匀点源离敢直线阵的声辎射（了解）

■均匀连续自线阵的声辐射（了解）

■无限大障板上Y面辘射器的声细射（了解）

■声波的接收方向特性（「解》

、询学基础知识

1、声波:机械振动状态在介质中传播形成的•种波动形式,

2、分类：

□20Hz以下的振动称为次声

U高卜201dlz的振动称为超卡

□20Hz至20kHz的再振称为音振声

2二流体介质中,声波我现为缩波(OmpressionalFave),即二波.

二在固体中风仃蝴波也仃掖波(切变波ShearWave).

5.田兵：振动在介班中传播行时间滞后，即声波在介顺中代播有一定速度.

称为声速.

6、声场:声波所及的区域；

7、水压:由于声波扰动引起介质质点压强的慢化，这种变化量称为卢王，

〃=1)

8、侦点振速:由于声波扰动引起的介质质点运动速度的变化量.

五=0&)

:、波动方程导出

♦设条件：

■介质静止、均匀.连勾的,

■介质是理想是体介流；

■小振幅波”

波动方程行出的个系本方程:

⑴连续性性程———里守忸恒定:介质流入体元的净质量等于箔度变化引起

的体元内助后的增加

除=-。仿7)

OT

⑵状态方程绝热压缩定律:介侦的压缩和膨眠过程是绝热过程

声波的传播速度：

dP=c1dp

③运动方桎牛帔第.定律

Ai-=-V^

由

12

V2nbP

波动方程6L济

(▽：'拉怦拉斯算符

2d2d2d2

H.用坐标系:H苏,犷♦数

sin8

:

球“林系：广rsm0M产sin-Of夕

16(dy1d3a1

V3二7而l写尸二指+谷)

柱坐标素：

二、用场中的能量

L卢能:由于声波传播而引起的介质能用的培量称为声能：显然声能是介

质运动的机械能.

2.声场总依ht：动I佗“I便

3、出隹密健।

体枳匕内的总声能为:

单位体枳内的蝌时卢他密度为:

平均声能反峦境：

£=­(£,///

7•品，

四、介场特性阻抗和声ftl抗率

］、声阻抗率：一场中茉点声压匹振速之比z=R”

平而一声阻抗率：Z=±QM

聚此明：平曲波声压和施速处处同相(止向波)或反向(反向该)，六强处

处相等，其声阻抗率9嫉率无关.

2、球而波

(kr)2kr夕"r,

Z=pc'/s+Ipc—IF=/e中1

o1+(⑺-n1+(")-71+(Ar)2所不

送说明，近海禺.声H：和报速的相位差出大：坨肉.而H、和振速的相位接

近相等.

五、柑速段和群速爱

I、相速相：

M

.I

定义：振动状态在介陵中传播的速度

逑注意：若介顺的相速度与频率无关，则为苓弊地介质，反之为频散介质.

2、群速度：

dk

定义：声能盘传播的速度，波群和波包的相速)

豪注感：林领敢介质：J='j疯融:介侦："T”心

六、平面波在两种不同均匀介暝界面上的反射和折射

1.垂直入肘;在分界面上，由于两介质的特性阻抗不同,声波分界面上会发

生反射和折射.

声一反总系数：

R=J"2-PR=Z「Z\

EGQ+。向22+Z(

声乐透射系数:

=^=卫

P,质Zz+4

illh述齐式可知，声波住分界而上反射M透射的大小决定于媒质的林竹阻

抗,具体分析如Fr

□一％=Z.时，育R=0,Ml,一却透射

□巧2,<2：时.右飞>0.D>0.硬边界.反射波雨压和入射波而压

同相

□当ZQ2.时.有R<0,D>0.软边界.反射波向压和人时力有压

反相

U-Zd<Z时，行R*l.D〃2,绝对硬，及射波市m和入对波市

压大小相等.树位相同.所以在分界面上合成出压为入纨声压的两

倍，实际I:发生的是全反附.

透射搔夫TL

2、斜入射

边界条件

口声压连续

U一向一点提速连续

出压反射系数：

展=且=XV2cos--叩Jcosa=Z-。

p,0Ccwa+。£cosaZ”+Zln

卢乐透时系数：

£)=土==22温

[P2c2cos4+0|qa用az2n+Z|fl

家注疝：江同，:，因抗&；；，•」「用,向趣乂之比

Zs="、r/a）s0,Z?”=pC/COS0,

（z2

七、坊间即均匀点源离散自或阵的声轴射

L辐弟声东，

p（r,0,0=如产&/2-）£/仆"

4"M

3、方向性图

（】）当dsin夕=41时,声乐振啕出现极大值I.对应极大值的方向:

口力""5"丁’时，十小振曲山现汶检大心（芳的》,对应次级人值的

方向：

任次极K海压'J】•.帙力市压比值为

2/)1-+1x

由该俏可如到E旁时比：I：极大叮笫•次极火（也是次极大中做大的比

值的分贝攻

20log

（3）当"dsin6=以.iHn的差数倍时，喇=。

,，I茄七小"卜「"，孑・：？J:，”招.工一；I广：，.，:：j

方向：

8=arcsin

方向铁增或主^束童（全开角）：上极大值的旁范个线小值之间的夹箫.

@=2arusin'')

4、方向性因子和方向性指数

发射方向性闪向在远场发射阵竟大响扈方向上市强去同佻离位各方向严

强平均值之比,

，「「以〃”『co$田"4

发射指向性指数：发射科的方向性因f的分贝数。

Di,二lOlg/f

八、均匀Ji续巨鼓科的户辎射

1、辐射声压方向性图

令d-f).n•<».nd-L.则阵长为I.的均匀连续直级阵的方向性函数为:

主诳柬究和-3dB束宽:

0蚀=2aivsin^().42;j

°=2arcsin|

米注厂在续百线向冰力时会出现棚第

方向性出夕，

2kL

R=-----------W

%JS何"22sinki.4arikl.

R

和方向性函数:

九、无限大力板上平面捕射器的由隔射

1、平面圆杉活活的辎射

设半径为a的同形平面活塞镭然在无墨大障板k如图所示，活塞位于

北旷平面内，向上半空间辐射声波，土场对称「2轴..活塞表面各点的振幅和

相位相同,则

—誓，得

轴线上声压变化：轴线声压随距离起伏变化，呈观很强的相「效应。

近场声

2rJkasin^J

■注意:活塞运场卢军与球面波•样与市尚成反比，市场具仃方向性:

2,方向件函数

活塞露射声场的方向性函数为：

2J|(A,«sin0}

。(0=

Av/sin〃

■;幽回形活案不公出现即犯

3、波束宽度

6>=2;ircs.in[0.61—

*_WB=2arcsin,0.26—

-I.方向性因『和方向》指敌

2ka

Ofr=2Dlg(fta)=20

卜、声波的接收方向特性

1、接收方向件函数

定义：设离接收系统参专中心的远场处理面上有点沟•接收系统的输出电

压V」J接收中心的方位有关，则接收系统方向性函数为：

%,少)=|v(^.d

|v(o.o)|

式中,\（0,0）为参考方位上的输出电力,一般选取输出电压岐大值.

柒注意：运场条件：

r»入

2,接收方向性指数

接收方向性因子:

4T

R=

N1t

接收方向性指数:

4n

DI二10-NLQ—NLd

fDM前c

案注危：同可逆换能器.11接收指向性指数和发射指向性指数相同.

总结：通过本讲学习.回顾《声学基础》课程中与本课程相关的知识点.

习题:

什么条件F发生海底全反射，此时反射系数有什么特点，说明其为理意义

第2章海洋的声学特性

§2,1海洋声学参数及传播损失

木讲主要内容

■声速经验公式（了解）

■海泮中声速的变化（有点:

■传播衰减概述《索点）

■纯水和泡水的也吸收（歪点）

■非均匀液体中的声费鼠（J'解）

-、海水中的声速

I、声速（SoundSpeed）：海洋中甲要的声学参数,也是海洋中小传播的越倏本

物理参数.流体介质中，声波为坤性纵波,声注为：

厢

式中，空度P和绝热压缩系数属都是温微八趾度5和梆压力P的函数，

因此，声速也是Tewer&lure、Stilinily、Pressure的函数.

2,声速外里公式一

□海洋中的加速随温度1（10）、盐度S（笈八压力P（Ag/cW）

的增人而增大。

□经53公式是许多海上测量实验总结得到的.

*注：

□单位

□海水中盐度变化不大，典型便:站％.：

□经常用深段首代好压力，每下降10m水深近似烟加】个大气1£的任

力.

3、乌镌公式

C=1450+4.217-0.03772+1.14（5-35）+0.175F

4、声朝互

□向速剂面仪5VP——SoundVelocityProfile

□，盐深恻量仪CTD-Conductivity,Tp«perature,Depth

口抛弃式温度测‘点仪XRTeXprndableBathyThermoRrnph

5、海洋中的声速变化

□海洋中声速的垂在分层性庖

《x,y,z）=4z）

口—一悌度

de

8.=—=^TST+^SS+^PSP

1）温慢变化1度，声速变化约伍心

2）盐度变化1注.声逵变化为Im/s

3）压力变化I个人气压，声速变化约0.2m/*

6、海中声速的基本结构

温度垂直分布的“二层结构”：

□表面层（表面等温・如介U）:海洋表面受到阳光照射，水温较

高，但又受到风雨搅拌作用

□季节戏变层:在表面层之F.特征是「@悌度虞声速佛明此悌

度随季节向弁.旻、秋季节.跃变层明显1冬*春■《北冰洋）季节.

跃变层与表面层合并在一起.

□圭区纳立汉度随深度巨变的层.特征是负的温度悌度或声速悌度.

季节对它的影响微弱.

U深海一温层:在深海内部，水湍比收低而IL稳定，特征是正声速栩

度.

7,温度的李W变化.日变化和纬度变化

8、河水出度的起伏变化

温度起伏的原因多种多样:湍潦、海面波浪.涡旋、内淤等因素

声传播起伏的原因之一・

9、声速分由分类（分成四类）

A:下图为深海声道典型声速分布,卦点：在某一深度处有一声速最小I

两图不同之处：图（a）表面出速小r两底声速：图（b）表面声速大手

海底声速.

-一类深海声道声it分布

R:卜图为四面声道声速分布,特点：在某一深度处有一声速极大值.

形成原因：在秋冬季节，水面海度较低，加上风浪找沟表面层海发

均匀分布.在整内形成也声速柳发分布.

第.类表面一道■速分布

C.卜图为反声道声速分布,特点।声速晓深度中调下降.形或原囚：海祥

上部的海水受到太阳嘴爆照射的结果.

第1一反♦道声速分布

D,卜图为浅海常见声速分布.特点，声速的深度单调卜降•形成原囚，海

洋上厢的海水受到太阳强”照射的结果.图（d＞与图（e）不同之

处：后者是浅海中的奂悌度分布,需计入海底对声传播的址响.

第四类■海常见一速分布

；、海水中的声吸收

L传播衰减概述

声波传播的强度食觥（传播损失》原因：

1），收损失（几何衰减）।声波波阵面在传播过程中不断/我引杷的声SI

费M.

U谕谐平面波声压：

p=poexpKfrf-A.v）J

没有N履推失

7Z=IOlg婴=0（国

/（x）

□葡谐味血液标7

p=—-Ar)]

扩屣损失

4^-20Igr

7L=l()lg

，(「)

—失的一般形式

71=/IIOIgr的

n-0；适用管道中的声传姆，平面波传胡,TL-0；

n=l：近用上而田山和深海卢道.柱面波怙播.TL=10logr.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：

-1.5：适用计及海底声吸收时的浅海声传播.ll.-15logr.相当

于让人界面声吸收所引起的对冲面波的传播根失的修正：

n=2：适用于开同水域（自由场），球面波传播»TL=201ogi；

2）吸收损失,均匀介质的粘粉性、偏传导性啜及其它躺像过程以起的声强

—

U均匀介陆的再吸收：

介一切变粘而的声吸收（经典声吸收）

介♦热传导声吸收（经典声吸收J

照理啖收（机吸收）

吸收系数：

。=轲盒卜⑶岛］

声吸收引起的传播损失：

TL=IOIg-^7-r=a（^-l）*ar（x»I）

/（•V）

总—失（扩取•吸收）等于：

7Z.=/il（）lgr+crr

纯水的国吸收:实际吸收系数的测址值远大r经典吸收系数理论值,两

者整值称为超吸收.

一水的超吸收;海水的声吸收系数与声波卿率、温度、压力、盐陵等因

素有关，但盐度的影响技小：对于不同声波频词应选

择不同的经般公式来计算海水的吸收系数，

3）放射:介斯的不均匀性引起的声波散射导致声强费减..不均匀性包括：

海洋中泥沙、气泡,浮浙生物等悬浮触子以及介岐本身的不均

匀性和海水界面对声波的侬射.

2、北均勺液体中的声费减：含仃气泡群的海水具仃非常高的声吸收

1）热传导效应：气泡和缩、彩喉，内部湿度升而，发々热交换，声能转化为热

能而消耗掉.

2）粘滞性：海水对气泡压缩、膨张的砧滞作用，也消履部分声能.

3）4散射：气泡压缩、脚张形成二次声犒射，对人射户产生被射，使声能明

匕减小•

常识；一艘驱逐肥以15节航速航行将产生5006长的尾流，8kHz我碱系数为

0.8dB/a.40kllz衰减系数为1.XdB/m,I节=I海里/小时=0.51S米/秒

《】海里=1852米）.

总结：通过本讲学习，掌舜海洋中声速的变化规律，以及声被哀减的原因.

本蟒思考题

1、海水中的声速与喷些因衣仃关？画出三种常见的海水声速分布.

2,声波住海水中传播时K声强会逐渐或少.《I》说明原因：（2）和择什么

叫物理费叔？什么叫几何哀减？（31号出海洋中声传播损失的常用TL衣

ii式，并指明嘿项反映的主要是几何衰减，哪项反映的主要是物刑衰减；

（I）试给出三种不同海洋环境下的几何衰减的“衣达式.

3、声呐A,B有相等的声源级.但声呐A工作领率八商手内呐B工作频率以问

哪台声呐作用踮离远，说明以凶

§2.2海底海面声学特性和海洋内部不均匀性

本讲主要内容

■海底声学特性《了解）

■海面声学特性（ri?）

■彩洋内就的不均匀性（了解）

-、海底声季特性

】、海底结构、地形和沉积层是影响声波传播的虫蔓因素.

1＞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嵬离的

远近.

2＞海底声波反射系数与海底地形有明显的依检关系,岛于几千描殛率的声

波，海底树育度是膨阴声波反射的工翌作用.

3）反向窗切：L.朝声源方向的声散射・）：单位界面上单位立体角中所敞

射出去的功率与入射波强度之比.

2,深海平原海底反向胸肘强度与入射角的关系

12在小入射角时,做时强度肺入射角增大而减小.马频率一般无关：

2》入射角＞5度时，敞时强度101现近似比腐〃成正比：

3）大入射角时,放射船度可能与授察的四次方成正比.

3、非常粗房海底反向散射强度与入射角的关系

1＞反向散射期度几乎手入射他无关

,1、人们关心的海底参数

□声速（反演）

□密度（反演）

□哀诚系数（反演）

U底侦（取样》

□垂直分层结构（取样）

5、沟底特性探测

□多波束侧门声呐探测海底地形

6、沟联沉积层

U描述：国盖海底之上的一层非凝固态（处于液态和固态之间）的物

质・

口声速：沉积状中有压缩波速度（声速）C和切变波速度Cs两种，

□泉M系数（dB/i»）

a=KT

力为常数；r为颊率，单位一也：力为站数,通常取1

7、海底卢反射损失

定义:反射声振幅相对入射声振幅减小的分贝数

=-20lg^=-20ig|V

P.

u海底反射系数模和反射损失B1,值随掠射角的变化

高声速海底低出速海底

U

(

M

全

)

*

«

他

幡

□海底反射根失的二个特征

夕’，是海底反射狗头的一个特包

■存在个“分界惊射角”

参数

■-—时，反肘Y失值较小,随3增大而增奥.

■可♦>•时.反射损失较大，与中无明显依鞅关系

底反射损失/化校里一:参数模型

Q(fl.0

-20.(#.34”＜二

n-etJc2

□三参数：，「同、Q

□参数计算

£的计竟

®=arocos（〃）

V'“的计/

陶q卅喈

m+nP\

Q的计算_________

Q*[-帅（皿-“」0d十”产4一片

------------------------mcostf,-i^sin:d一n'

蠹注直：实际向底（在•吸收,可将海底声速视为复数,此时不会发工

全内反射.按照H上的方法计律：

ImM.

M*

与书上结果:。=-、,M'M+财;）略有不同.

恿：一•参数模率可用于分析海洋中市场的Y•均结构

二'海面声学特性

♦海面波浪

□周期性牖期、波长.波速和液高等量描述箕特征：

u随机起伏性——概率密度分布、方差、谱和相关函数等描述其特征。

2、波浪的施木特征

口电力表面波：以重力作为恢发力的波动

□衣面张力波：以表面张力作为恢其力

口波浪的形成和等级

■平均波高

■有效波高

■平均1/10龄大波高

3、波浪的统计特征

U波浪的概率密度分布

常识：花水亦学中羟密将波曲的概率分布视为岛斯分布.

□充分成长的海浪谱

■PivrsonMoskowitzi5J(PMiff)

，1、海面腹面层内的气