第十二讲第4章典型传播条件下的声场S4.3深海声道（SOFAR）及其声传播本进主要内容1、深海声道的概念、特点（重点）2、深海声道的声线（重点）1）典型声速分布2）声道信号及其基本特征：声线和信号波形会聚区和声影区3、深海声道中的平均声场和传播损失1）平均声场2）传播损失（重点、难点）二、深海声道的概念、特点Sound ChannelAxis(m) pdad1.501.550100200SpeedofSound(km/s)Range(km)1、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。2、受季节影响小，声道效应稳定。声学定位和测距，利用深海声道效应可以3、SOFAR:SoundFixingandRanging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。二、深海声道典型声速分布1、Munk声速标准分布模型c(z)=co+ee-"-(1-n)B偏离极小声速极值的量级小值n=2(z-z0)/B 声速极小声道有效值位置宽度
第十二讲 第 4 章 典型传播条件下的声场 §4.3 深海声道（SOFAR）及其声传播 本讲主要内容 1、深海声道的概念、特点（重点） 2、深海声道的声线（重点） 1）典型声速分布 2）声道信号及其基本特征： 声线和信号波形 会聚区和声影区 3、深海声道中的平均声场和传播损失 1）平均声场 2）传播损失 （重点、难点） 一、深海声道的概念、特点 1、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。 2、受季节影响小，声道效应稳定。 3、SOFAR：Sound Fixing and Ranging——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。 二、深海声道典型声速分布 1、Munk 声速标准分布模型 = 2(z − z0 ) B
Munk典型数据（规范声道）B=zo=1000mCo=1500m/s8=0.57×10-2说明：纬度越高，海面水温受热小，声道轴也越浅。例如，我国南海的声道轴接近1000米。2、线性声速分布模型Ico-H≤Z≤Hc(z)=/co[1+α(z-H)l z≥H[co[1-a,(z+H)] z≤-HH=0c(2)-[col[+42] z≥0co[1-az]z0三、声道信号的基本特征1、声线和信号波形1）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。2）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。说明：与表面声道声传播具有类似规律。2、会聚区和声影区基本概念：声源位于海面或接近海底，可以形成声强很高的焦散线和会聚区。1）焦散线（面）：邻近声线交聚点（线）所形成的包络线（面）。2）会聚区：在海面附近形成高声强焦散的区域。说明：现代声呐，可利用水下声道的会聚区来实现远程探测。3）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。理WWz-l531-1800*对
Munk 典型数据（规范声道） 0 B z m = =1000 0 c m s =1500 / 2 0.57 10− = 说明：纬度越高，海面水温受热小，声道轴也越浅。例如，我国南海的声道轴接 近 1000 米。 2、线性声速分布模型 三、声道信号的基本特征 1、声线和信号波形 1）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。 2）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。 说明：与表面声道声传播具有类似规律。 2、会聚区和声影区 基本概念： 声源位于海面或接近海底，可以形成声强很高的焦散线和会聚区。 1）焦散线（面）：邻近声线交聚点（线）所形成的包络线（面）。 2）会聚区：在海面附近形成高声强焦散的区域。 说明：现代声呐，可利用水下声道的会聚区来实现远程探测。 3）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
说明：会聚区宽度随序号增加而变宽，影区宽度随序号增加变窄。会聚区内平均声强3、1）会聚区内平均声强设无指向性声源的发射功率为W，形成会聚区的声源掠射角范围为（一%m，xm），空间会聚区内的总声功率：W.2.2xm= W4元假设水平距离r处的声线平均掠射角=m/2，则垂直声线方向的环形截面积等于2元r4rsin（xm/2）。声功率均匀分布在环面上，则会聚区的平均声强：WXmWI=2mrsin（xm/2)~r4rarsinx会聚区的宽度，与会聚区序号有关。2）会聚增益：会聚区声强与球面扩展声强之比：14rG:W/4元2Ar3）声强异常：会聚增益的分贝值1A=10lgG=10lg=TL-TL10会聚区传播损失球面波扩展损失注：声强异常为球面波损失高于会聚区损失的分贝数。4、波动理论解释：1）会聚现象是焦散线上大量同相简正波的叠加结果：2）同相叠加的简正波数目越多，会聚增益越大；3）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。5、声道基本特征1）反转声线的包络线形成会聚区；2）反转声线不能到达的区域形成声影区：3）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。远距离射线声学平均声强平均声场声场1焦散线声场+近距离声场
说明：会聚区宽度随序号增加而变宽，影区宽度随序号增加变窄。 3、会聚区内平均声强 1）会聚区内平均声强 设无指向性声源的发射功率为 W，形成会聚区的声源掠射角范围为 ( ) m m − , ，空间会聚区内的总声功率： 假设水平距离 r 处的声线平均掠射角 = m 2 ，则垂直声线方向的环形截 面积等于 2 sin( 2) m rr 。声功率均匀分布在环面上，则会聚区的平均声 强： 2）会聚增益：会聚区声强与球面扩展声强之比： r r W r I G 4 4 2 = = 3）声强异常：会聚增益的分贝值 注：声强异常为球面波损失高于会聚区损失的分贝数。 4、波动理论解释： 1）会聚现象是焦散线上大量同相简正波的叠加结果； 2）同相叠加的简正波数目越多，会聚增益越大； 3）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。 5、声道基本特征 1）反转声线的包络线形成会聚区； 2）反转声线不能到达的区域形成声影区； 3）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。 W W m m 2 2 = 4
四、深海声道中的平均声场和传播损失1、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：rcosXF(r,z)arCOS Xsinx1(r,z)ax)arsinx(xiI=1/r2当水平距离r较大时，在一个跨度D(z)范围内，可认为有四个地方声强取同一个1(r，=)值，声线在每一处声线水平方向波束宽度等于or_dxdr=0xD(x)平均声强为：I(r,2(r.z)=4声源处声D(x)线掠射角cosxidxr.zD(x)sinx接收处声线掠射角如果声源和接收点的声速接近相等，则声强近似等于：dxI(r.D(x)tgx假设声速分布为线性模型，令x1声线为等声速层内声线掠射角。Htgxo2tgx一H+a2 tgxoaD(xo)水平跨度为：
四、深海声道中的平均声场和传播损失 1、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： 当水平距离 r 较大时，在一个跨度 ( ) 1 D 范围内，可认为有四个地方声强取 同一个 I(r , z) 值，声线在每一处声线水平方向波束宽度等于 1 1 d r dr = 平均声强为： 如果声源和接收点的声速接近相等，则声强近似等于： ( ) ( ) D tg d r I r z 1 4 1 , 假设声速分布为线性模型，令 1 声线为等声速层内声线掠射角。 水平跨度为：
2a,a24H4tg%oD(x)3(a +az2)gtgxo=ag=aa =α2对于对称线性声速分布：声强：tgXodxi1(r,2)=8[tgx(gH+tgxo)若接收点也位于等声速层内，则：dxig1=9X=XogH+tgXo根据折射定律，则可推得：cos?xidxi1=8[J (c /co)-(1- gH)cos xi若X的积分上限取到最大值元/2，则：CiTg2r(1-gH))co/c/co)+gH-1平均声强不仅是接收点（r，z）的函数，也是声源深度z的函数。假设声源也位于等声速层内，则：1TgI =Ci= Co2r(1-gH)VgH一般情况下，有球面扩展向柱面扩展的距离2儿gH<<1> I=/g/H/H/grr2r元I心8注：推导过程对声源和接收点位置进行了限定。若考虑海水介质声吸收引起的衰减，声道的传播损失为：TL = 101g r + 10lg r + ar ×10-32JH/gro =T
( ) g tg tg H D 0 0 1 4 4 = + ( ) 1 2 2 1 2 a a a a g + = 对于对称线性声速分布： 声强： ( ) ( ) + = 0 2 0 1 , tg gH tg tg d r g I r z 若接收点也位于等声速层内，则： = 0 + = 0 2 1 gH tg d r g I 根据折射定律，则可推得： ( ) ( ) − − = 1 2 2 1 0 1 1 2 1 cos cos c c gH d r g I 若 1 的积分上限取到最大值 2 ，则： ( ) ( ) − + − − = 1 1 2 1 2 0 1 0 1 c c c g H c r g H g I 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。 假设声源也位于等声速层内，则： 1 0 c = c ( ) − − = 1 1 2r 1 gH gH g I 一般情况下，有 注：推导过程对声源和接收点位置进行了限定。 若考虑海水介质声吸收引起的衰减，声道的传播损失为： 3 10lg 10lg 0 10− TL = r + r +r r H g 2 0 = gH 1 g H r I 2 = r H g 2 0 = g H r I I 2 0 =