第三讲第2章 海洋的声学特性82.1海洋声学参数及传播损失本讲主要内容■声速经验公式（了解）■海洋中声速的变化（重点）■传播衰减概述（重点）纯水和海水的超吸收（重点）-非均匀液体中的声衰减（了解）一、海水中的声速1、声速(SoundSpeed)：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。流体介质中，声波为弹性纵波，声速为：1/pp,式中，密度p和绝热压缩系数β.都是温度T、盐度S和静压力P的函数，因此，声速也是Temperature、Salinity、Pressure的函数。2、声速经验公式口海洋中的声速c（m/s）随温度T（℃）、盐度S（%）、压力P（kg/cm）的增大而增大。口经验公式是许多海上测量实验总结得到的。※注：口单位口海水中盐度变化不大，典型值35%：口经常用深度替代静压力，每下降10m水深近似增加1个大气压的压力。3、乌德公式C=1450 +4.21T-0.037T2 +1.14(S-35)+0.175P4、声速测量声速部面仪SVP——SoundVelocityProfile温盐深测量仪CTDConductivity，Temperature，Depth口抛弃式温度测量仪xBT一一eXpendableBathyThermograph5、海洋中的声速变化口海洋中声速的垂直分层性质c(x, y,2)=c()口声速梯度dcgc =argr+asgs+apgpdz1）温度变化1度，声速变化约4m/s2）盐度变化1%，声速变化约1m/s3）压力变化1个大气压，声速变化约0.2m/s6、海中声速的基本结构
第三讲 第 2 章 海洋的声学特性 §2.1 海洋声学参数及传播损失 本讲主要内容 ◼ 声速经验公式（了解） ◼ 海洋中声速的变化（重点） ◼ 传播衰减概述（重点） ◼ 纯水和海水的超吸收（重点） ◼ 非均匀液体中的声衰减（了解） 一、海水中的声速 1、声速(Sound Speed)：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。流体介质中，声波为弹性纵波，声速为： s c 1 = 式中，密度 和绝热压缩系数 s 都是温度 T、盐度 S 和静压力 P 的函数，因 此，声速也是 Temperature、Salinity、Pressure 的函数。 2、声速经验公式 ❑ 海洋中的声速 c（m/s）随温度 T（℃）、盐度 S（‰）、压力 P （kg/cm 2）的增大而增大。 ❑ 经验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，典型值 35‰； ❑ 经常用深度替代静压力，每下降 10m 水深近似增加 1 个大气压的压力。 3、乌德公式 c 1450 4.21T 0.037T 1.14(S 35) 0.175P 2 = + − + − + 4、声速测量 ❑ 声速剖面仪 SVP——Sound Velocity Profile ❑ 温盐深测量仪 CTD—Conductivity, Temperature, Depth ❑ 抛弃式温度测量仪 XBT ——eXpendable BathyThermograph 5、海洋中的声速变化 ❑ 海洋中声速的垂直分层性质 c(x , y , z) = c(z) ❑ 声速梯度 c aT gT aS gS aP gP dz dc g = = + + 1）温度变化 1 度，声速变化约 4m/s 2）盐度变化 1‰ ，声速变化约 1m/s 3）压力变化 1 个大气压，声速变化约 0.2m/s 6、海中声速的基本结构
表面层声速(米/秒)1478.3152.41493.51RS季节跃变层深度主跃层(米)9141830深海等源层274436601典型深海声速剖面温度垂直分布的“三层结构”：口表面层（表面等温层或混合层）：海洋表面受到阳光照射，水温较高，但又受到风雨搅拌作用。口季节跃变层：在表面层之下，特征是负温度梯度或声速梯度，此梯度随季节而异。夏、秋季节，跃变层明显：冬、春（北冰洋）季节，跃变层与表面层合并在一起。口主跃变层：温度随深度巨变的层，特征是负的温度梯度或声速梯度，季节对它的影响微弱。口深海等温层：在深海内部，水温比较低而且稳定，特征是正声速梯度。7、温度的季节变化、日变化和纬度变化8、海水温度的起伏变化温度起伏的原因多种多样：瑞流、海面波浪、涡旋、内波等因素一一声传播起伏的原因之一9、声速分布分类（分成四类）A：下图为深海声道典型声速分布，特点：在某一深度处有一声速最小值。两图不同之处：图（a）表面声速小于海底声速；图（b）表面声速大于海底声速。CoCo()(b)第一类深海声道声速分布B：下图为表面声道声速分布，特点：在某一深度处有一声速极大值。形成原因：在秋冬季节，水面温度较低，加上风浪搅拌，海表面层温度均匀分布，在层内形成正声速梯度分布
典型深海声速剖面 温度垂直分布的“三层结构”： ❑ 表面层（表面等温层或混合层）：海洋表面受到阳光照射，水温较高， 但又受到风雨搅拌作用。 ❑ 季节跃变层：在表面层之下，特征是负温度梯度或声速梯度，此梯度随 季节而异。夏、秋季节，跃变层明显；冬、春（北冰洋）季节，跃变层 与表面层合并在一起。 ❑ 主跃变层：温度随深度巨变的层，特征是负的温度梯度或声速梯度，季 节对它的影响微弱。 ❑ 深海等温层：在深海内部，水温比较低而且稳定，特征是正声速梯度。 7、温度的季节变化、日变化和纬度变化 8、海水温度的起伏变化 温度起伏的原因多种多样：湍流、海面波浪、涡旋、内波等因素——声传播 起伏的原因之一 。 9、声速分布分类（分成四类 ） A:下图为深海声道典型声速分布，特点：在某一深度处有一声速最小值。两图不 同之处：图（a）表面声速小于海底声速；图（b）表面声速大于海底声速。 第一类 深海声道声速分布 B: 下图为表面声道声速分布，特点：在某一深度处有一声速极大值。 形成原因：在秋冬季节，水面温度较低，加上风浪搅拌，海表面层温度均匀分 布，在层内形成正声速梯度分布
c(A)(c)第二类表面声道声速分布C：下图为反声道声速分布，特点：声速随深度单调下降。形成原因：海洋上部的海水受到太阳强烈照射的结果。(d)2第三类反声道声速分布D：下图为浅海常见声速分布，特点：声速随深度单调下降。形成原因：海洋上部的海水受到太阳强烈照射的结果。图（d）与图（e）不同之处：后者是浅海中的负梯度分布，需计入海底对声传播的影响。7529737[e)第四类浅海常见声速分布二、海水中的声吸收1、传播衰减概述声波传播的强度衰减（传播损失）原因：1）扩展损失（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。口简谐平面波声压：p= Po exp[i(ot - kx)]没有扩展损失@)=0(dB)TL =10lg1(x)口简谐球面波声压：p= Po exp[(ot - kr)
第二类 表面声道声速分布 C：下图为反声道声速分布，特点：声速随深度单调下降。形成原因：海洋上部 的海水受到太阳强烈照射的结果。 第三类 反声道声速分布 D：下图为浅海常见声速分布，特点：声速随深度单调下降。形成原因：海洋上 部的海水受到太阳强烈照射的结果。图（ d ）与图（ e ）不同之处：后者 是浅海中的负梯度分布，需计入海底对声传播的影响。 第四类 浅海常见声速分布 二、海水中的声吸收 1、传播衰减概述 声波传播的强度衰减（传播损失）原因： 1）扩展损失（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。 ❑ 简谐平面波声压： p = p expi(t − kx) 0 没有扩展损失 ( ) ( ) (dB) I x I TL 0 1 =10lg = ❑ 简谐球面波声压： i( t kr) r p p = exp − 0
扩展损失1(1)=20lgr(dBTL=10lg1(r)扩展损失的一般形式TL=n-10lgr (dB)n=O：适用管道中的声传播，平面波传播，TL=O；n=l：适用表面声道和深海声道，柱面波传播，TL=101ogr，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；n=1.5：适用计及海底声吸收时的浅海声传播，TL=151ogr，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；n=2：适用于开阔水域（自由场），球面波传播，TL=201ogr；2）吸收损失：均匀介质的粘滞性、热传导性以及其它驰豫过程引起的声强衰减。口均匀介质的声吸收：介质切变粘滞的声吸收（经典声吸收）介质热传导声吸收（经典声吸收）驰豫吸收（超吸收）吸收系数：10 ,I。20Poα=lo/1(x) xxp(x)声吸收引起的传播损失：1(0)2=α(x-1)= 0x(x>>1)TL=10lgI(x)总传播损失（扩展+吸收）等于：TL=n·10lgr+or纯水的超吸收：实际吸收系数的测量值远大于经典吸收系数理论值，两者差值称为超吸收海水的超吸收：海水的声吸收系数与声波频率、温度、压力、盐度等因素有关，但盐度的影响较小；对于不同声波频率，应选择不同的经验公式来计算海水的吸收系数。3）散射：介质的不均匀性引起的声波散射导致声强衰减。不均匀性包括：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声波的散射。2、非均匀液体中的声衰减：含有气泡群的海水具有非常高的声吸收1）热传导效应：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。2）粘滞性：海水对气泡压缩、膨胀的粘滞作用，也消耗部分声能。3）声散射：气泡压缩、膨胀形成二次声辐射，对入射声产生散射，使声能明显减小
扩展损失 扩展损失的一般形式 TL = n 10lg r (dB) n=0：适用管道中的声传播，平面波传播，TL=0； n=1：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成的理想波导中的传播条件； n=1.5：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柱面波的传播损失的修正； n=2：适用于开阔水域（自由场），球面波传播，TL=20logr； 2）吸收损失：均匀介质的粘滞性、热传导性以及其它驰豫过程引起的声强衰 减。 ❑ 均匀介质的声吸收： 介质切变粘滞的声吸收（经典声吸收） 介质热传导声吸收（经典声吸收） 驰豫吸收（超吸收） 吸收系数： ( ) ( ) = = p x p I x x I x 0 0 lg 20 lg 10 声吸收引起的传播损失： 总传播损失（扩展+吸收）等于： TL = n10lg r +r 纯水的超吸收：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 称为超吸收 。 海水的超吸收：海水的声吸收系数与声波频率、温度、压力、盐度等因素有 关，但盐度的影响较小；对于不同声波频率，应选择不同的 经验公式来计算海水的吸收系数。 3）散射：介质的不均匀性引起的声波散射导致声强衰减。不均匀性包括：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 水界面对声波的散射。 2、非均匀液体中的声衰减：含有气泡群的海水具有非常高的声吸收 1)热传导效应：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。 2）粘滞性：海水对气泡压缩、膨胀的粘滞作用，也消耗部分声能。 3）声散射：气泡压缩、膨胀形成二次声辐射，对入射声产生散射，使声能明显减 小。 ( ) ( ) r (dB) I r I TL 20lg 1 =10lg = ( ) ( ) ( 1) ( 1) 1 =10lg = x − x x I x I TL
常识：一艘驱逐舰以15节航速航行将产生500m长的尾流，8kHz衰减系数为0.8dB/m，40kHz衰减系数为1.8dB/m。1节=1海里/小时=0.515米/秒（1海里=1852米）。总结：通过本讲学习，掌握海洋中声速的变化规律，以及声波衰减的原因。本进思考题1、海水中的声速与哪些因素有关？画出三种常见的海水声速分布。2、声波在海水中传播时其声强会逐渐减少。（1）说明原因；（2）解释什么叫物理衰减？什么叫几何衰减？（3）写出海洋中声传播损失的常用TL表达式，并指明哪项反映的主要是几何衰减，哪项反映的主要是物理衰减；（4）试给出三种不同海洋环境下的几何衰减的TL表达式。3、声呐A，B有相等的声源级，但声呐A工作频率fa高于声呐B工作频率fe,问哪台声呐作用距离远，说明原因
常识：一艘驱逐舰以 15 节航速航行将产生 500m 长的尾流，8kHz 衰减系数为 0.8dB/m，40kHz 衰减系数为 1.8dB/m。1 节＝1 海里/小时＝0.515 米/秒（1 海 里＝1852 米）。 总结：通过本讲学习，掌握海洋中声速的变化规律，以及声波衰减的原因。 本讲思考题 1、海水中的声速与哪些因素有关？画出三种常见的海水声速分布。 2、声波在海水中传播时其声强会逐渐减少。（1）说明原因；（2）解释什么叫物理 衰减？什么叫几何衰减？（3）写出海洋中声传播损失的常用 TL 表达式，并指明 哪项反映的主要是几何衰减，哪项反映的主要是物理衰减；（4）试给出三种不 同海洋环境下的几何衰减的 TL 表达式。 3、声呐 A，B 有相等的声源级，但声呐 A 工作频率 fA高于声呐 B 工作频率 fB,问哪台 声呐作用距离远，说明原因