第四讲第2章 海洋的声学特性82.2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（了解）■海洋内部的不均匀性（了解）二、海底声学特性1、海底结构、地形和沉积层是影响声波传播的重要因素。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距离的远近。2）海底声波反射系数与海底地形有明显的依赖关系。高于于赫频率的声波，海底粗糙度是影响声波反射的主要作用。3）反向散射强度（朝声源方向的声散射。）：单位界面上单位立体角中所散射出去的功率与入射波强度之比。2、深海平原海底反向散射强度与入射角的关系1）在小入射角时，散射强度随入射角增大而减小，与频率一般无关：2）入射角>5度时，散射强度101gm近似与cos20成正比：3）大入射角时，散射强度可能与频率的四次方成正比。1o-103(-203003.5cos'e2-4041-50l0506010402030入射角（度)3、非常粗糙海底反向散射强度与入射角的关系1）反向散射强度几乎与入射角无关2）反向散射强度几乎与频率无关
第四讲 第 2 章 海洋的声学特性 §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（了解） ◼ 海洋内部的不均匀性（了解） 一、海底声学特性 1、海底结构、地形和沉积层是影响声波传播的重要因素。 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距离的远近。 2）海底声波反射系数与海底地形有明显的依赖关系。高于几千赫频率的声波，海 底粗糙度是影响声波反射的主要作用。 3）反向散射强度(朝声源方向的声散射。) ：单位界面上单位立体角中所散射出 去的功率与入射波强度之比。 2、深海平原海底反向散射强度与入射角的关系 1）在小入射角时，散射强度随入射角增大而减小，与频率一般无关； 2）入射角>5 度时，散射强度 10lgms近似与 成正比； 3）大入射角时，散射强度可能与频率的四次方成正比。 3、非常粗糙海底反向散射强度与入射角的关系 1）反向散射强度几乎与入射角无关 2）反向散射强度几乎与频率无关 2 cos
10hmo30a3.52400304010205060入射角(度)4、人们关心的海底参数口声速（反演）口密度（反演）口衰减系数（反演）口底质（取样）口垂直分层结构（取样）5、海底特性探测口多波束侧扫声呐探测海底地形6、海底沉积层口描述：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。口声速：沉积层中有压缩波速度（声速）C和切变波速度Cs两种。口衰减系数（dB/m）α= KfmK为常数；f为频率，单位kHz；m为指数，通常取17、海底声反射损失口定义：反射声振幅相对入射声振幅减小的分贝数Pr = -20 lg|VBL = -20lg Pi口海底反射系数模和反射损失BL值随掠射角的变化rlCBLBL.ae(a)(b)
4、人们关心的海底参数 ❑ 声速（反演） ❑ 密度（反演） ❑ 衰减系数（反演） ❑ 底质（取样） ❑ 垂直分层结构（取样） 5、海底特性探测 ❑ 多波束侧扫声呐探测海底地形 6、海底沉积层 ❑ 描述：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。 ❑ 声速：沉积层中有压缩波速度（声速）C 和切变波速度 Cs 两种。 ❑ 衰减系数（dB/m） m = Kf K 为常数；f 为频率，单位 kHz；m 为指数，通常取 1 7、海底声反射损失 ❑ 定义：反射声振幅相对入射声振幅减小的分贝数 V p p BL i r = −20lg = −20lg ❑ 海底反射系数模和反射损失 BL 值随掠射角的变化
高声速海底低声速海底口深海实测的海底反射损失2425千棘32千赫16千赫208干棘164千棘12142千赫干临500蒸250赫125栋201030406050708090掠射角P(度)口海底反射损失的三个特征存在一个“分界掠射角”*是海底反射损失的一个特征参数当<时，反射损失值较小随增大而增加。当>时，反射损失较大,与9无明显依赖关系n=C/c28、海底反射损失简化模型-三参数模型op,0<p<p-20 n|V()-In/)/=const, <p<2(-1nl V9)]-1n/ vel0pt9-Invol口三参数：?口参数计算的计算=arccosnDV.的计算m=P2Iv/= m-nPim+n9 的计算
高声速海底 低声速海底 ❑ 深海实测的海底反射损失 ❑ 海底反射损失的三个特征 ◼ 存在一个“分界掠射角” ，是海底反射损失的一个特征参数 ◼ 当 时，反射损失值较小,随 增大而增加。 ◼ 当 时，反射损失较大,与 无明显依赖关系 8、海底反射损失简化模型-三参数模型 ❑ 三参数： 、 0 − lnV 、 Q ❑ 参数计算 的计算 = arccos(n) V0的计算 Q 的计算 m n m n V + − 0 = 1 2 m = ( ) − = − = 2 ln , ,0 20ln 0 V const Q V 1 2 n = c / c
α[-inV(o)mcoso,+isin?e,-n?Q=V="aomcoso, -i/sine,-n?※注意：实际海底存在吸收，可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：α= -Re[(ov /0)]2mM,M?+M?1v与书上结果：Q=-V2mM,/(M+M)略有不同！※注意：三参数模型可用于分析海洋中声场的平均结构二、海面声学特性1、海面波浪口周期性一一周期、波长、波速和波高等量描述其特征；口随机起伏性一一概率密度分布、方差、谱和相关函数等描述其特征。2、波浪的基本特征口重力表面波：以重力作为恢复力的波动口表面张力波：以表面张力作为恢复力口波浪的形成和等级■平均波高■有效波高■平均1/10最大波高3、波浪的统计特征口波浪的概率密度分布常识：在水声学中经常将波面的概率分布视为高斯分布。口充分成长的海浪谱■Pierson-Moskowitz谱（P-M谱）4、海面表面层内的气泡层口声波的吸收体口声波的散射体5、海面对声传播的影响简介口镜反射口漫散射：形成散射场。随着海面粗糙度增加，漫散射场占主要分量。口反向声散射：形成海面混响口海面波动：导致海面散射波产生多普勒频移三、海洋内部的不均匀性1、 湍流口描述：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。口它形成海水中温度和盐度的细微结构变化，引起声速的微结构变化。2、内波口描述：两种不同密度液体在其叠合界面上所产生的波动。口波长可达几十公里到几百公里，波高从10米到100米。口对低频、远距离的声传播信号有重大影响
( ) 0 ln = − = Q V ※注意：实际海底存在吸收，可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： 、 与书上结果： ( ) 2 2 2 Q = − 2mM2 M1 + M 略有不同！ ※注意：三参数模型可用于分析海洋中声场的平均结构 二、海面声学特性 1、海面波浪 ❑ 周期性——周期、波长、波速和波高等量描述其特征； ❑ 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、波浪的基本特征 ❑ 重力表面波：以重力作为恢复力的波动 ❑ 表面张力波：以表面张力作为恢复力 ❑ 波浪的形成和等级 ◼ 平均波高 ◼ 有效波高 ◼ 平均 1/10 最大波高 3、波浪的统计特征 ❑ 波浪的概率密度分布 常识：在水声学中经常将波面的概率分布视为高斯分布。 ❑ 充分成长的海浪谱 ◼ Pierson-Moskowitz 谱（P-M 谱） 4、海面表面层内的气泡层 ❑ 声波的吸收体 ❑ 声波的散射体 5、海面对声传播的影响简介 ❑ 镜反射 ❑ 漫散射：形成散射场。随着海面粗糙度增加，漫散射场占主要分量。 ❑ 反向声散射：形成海面混响 ❑ 海面波动：导致海面散射波产生多普勒频移 三、海洋内部的不均匀性 1、湍流 ❑ 描述：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细微结构变化，引起声速的微结构变化。 2、内波 ❑ 描述：两种不同密度液体在其叠合界面上所产生的波动。 ❑ 波长可达几十公里到几百公里，波高从 10 米到 100 米。 ❑ 对低频、远距离的声传播信号有重大影响。 2 2 2 2 cos sin cos sin m i n m i n V i i i i − − + − = ( ) 2 2 2 1 2 0 2 * Re / 2 M M mM V V V Q + = − = =
3、海流口描述：海水从一个地方向另一个地方作连续流动的现象。基本在水平方向上流动，流速较快，呈长带状。其边缘将海洋分成物理性质差异很大的水团的锋区，对声波传播影响较大。4、深水散射层口描述：海洋中某些深度上水平聚居的生物群。口随着昼夜上下移动，同时也随纬度和季节变化。口由于气囊的共振散射，它会产生很大的混响背景（体积混响的主要来源之一)。总结：通过本讲的学习，了解海洋内部的声学特性，了解海底和海面对声线传播过程的影响。习题：声波在海洋中传播时，其声强会逐渐衰减，说明原因。列举三种常用传播损失表达式，并说明适用条件
3、海流 ❑ 描述：海水从一个地方向另一个地方作连续流动的现象。基本在水平方 向上流动，流速较快，呈长带状。其边缘将海洋分成物理性质差异很大 的水团的锋区，对声波传播影响较大。 4、深水散射层 ❑ 描述：海洋中某些深度上水平聚居的生物群。 ❑ 随着昼夜上下移动，同时也随纬度和季节变化。 ❑ 由于气囊的共振散射，它会产生很大的混响背景（体积混响的主要来源 之一）。 总结：通过本讲的学习，了解海洋内部的声学特性，了解海底和海面对声线传播过程 的影响。 习题：声波在海洋中传播时，其声强会逐渐衰减，说明原因。列举三种常用传播损失 表达式，并说明适用条件