第十三讲第4章典型传播条件下的声场84.4深海负梯度、深海负跃层和浅海表面声道本讲主要内容：1、深海负梯度（重点）2、深海负跃层（重点）3、浅海平均声强（重点、难点）1）硬底、声速均匀浅海2）海底有吸收的均匀浅海3）3/2次方衰减律的适用距离4）r>时的声强衰减规律5）传播损失传播损失的分段表示浅海传播的Mash和Schulkin半经验公式6）浅海声场的虚源表示式7）从虚源表示式求传播损失一、深海负梯度1、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。·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）。0200Range (km)
第十三讲 第 4 章 典型传播条件下的声场 §4.4 深海负梯度、深海负跃层和浅海表面声道 本讲主要内容： 1、深海负梯度（重点） 2、深海负跃层（重点） 3、浅海平均声强（重点、难点） 1）硬底、声速均匀浅海 2）海底有吸收的均匀浅海 3）3/2 次方衰减律的适用距离 4） 时的声强衰减规律 5）传播损失 传播损失的分段表示 浅海传播的 Mash 和 Schulkin 半经验公式 6）浅海声场的虚源表示式 7）从虚源表示式求传播损失 一、深海负梯度 1、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。 • 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）。 m r r
2、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α，则几何作用距离：()"-(-z) +()-(-2)D=r+r=1222z, +V2z02zVaa说明：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。二、深海负跃层1、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，对声呐作用距离影响很大。2、声道模型负跃层上方介质声速为C1，下方介质声速为C2，且Ci>C2，负跃层较薄。声线经过负跃层折射后，波阵面展宽，声强减弱。设声源位于层上方Hi，则可求得传播至层下方H2水平距离r：H,H2r=r+rtgxotgxorH,Hc, sin Xoxo(sin’xoC, sin'xCIr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：Wcos" XoLrisin xr, sin Xorsin%orsinx若接收点位于负跃层的下方邻近：Wcos?XosinXo下r2~0r~r1.2sin x若接收点位于负跃层的上方邻近，声线未形成折射：
2、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： 说明：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。 二、深海负跃层 1、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，对声呐作 用距离影响很大。 2、声道模型 负跃层上方介质声速为 C1，下方介质声速为 C2，且 C1>C2，负跃层较薄。 声线经过负跃层折射后，波阵面展宽，声强减弱。 设声源位于层上方 H1，则可求得传播至层下方 H2水平距离 r： tg H tg H r r r 2 0 1 = 1 + 2 = + 1 2 2 0 2 3 0 0 1 sin sin sin r H H c c = − + 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： + = sin sin sin sin cos 2 0 0 2 1 0 2 r r r r r W I 若接收点位于负跃层的下方邻近： r2 0 1 r r sin cos sin 0 2 0 2 r W I下 = 若接收点位于负跃层的上方邻近，声线未形成折射：
WcosXo2=0IEr=rX= Xor2经跃变层的传播损失为：1上=10lgsin xTL=10lg1Fsin%osin Xo <sin x C>C2..TL>0声波经过负跃层引起声能损失当C2/C/=0.97（相当水温有10℃以上变化）时，声源掠射角。~2°，则TL=8.5dB；声源掠射角X~30°，则TL=0.35dB。三、均匀浅海声场1、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。2、浅海声场：直达声和海底、海面反射声叠加，比深海声场复杂。3、浅海平均声强声线经过多次海面、海底反射，考虑海面、海底反射引入的损失，同时也计入海水介质声吸收，引入衰减因子：E =[V(xh)-V2(x)PN e-2prβ为海水介质的吸收系数；N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；N~r/D(x)V(xh)为海底反射系数；Vz(α)为海面反射系数。平均声强：4cosxEdxI(r,z)=JD(x)sinx1(r, )- e- (z)(z,)"D os odzoD(xo)sin x1）硬底、声速均匀浅海声速均匀×=X==Xh绝对反射=12=1D=2Hctg%s平均跨度：
r2 = 0 1 r = r = 0 2 0 2 cos r W I 上 = 经跃变层的传播损失为： 0 sin sin 10lg 10lg = = 下 上 I I TL 1 2 c c sin 0 sin 当 C2/C1=0.97（相当水温有 10℃以上变化）时，声源掠射角 2 0 ，则 TL=8.5dB；声源掠射角 0 30 ，则 TL=0.35dB。 三、均匀浅海声场 1、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。 2、浅海声场：直达声和海底、海面反射声叠加，比深海声场复杂。 3、浅海平均声强 声线经过多次海面、海底反射，考虑海面、海底反射引入的损失，同时也计 入海水介质声吸收，引入衰减因子： ( ) ( ) N r h s E V V e 2 2 1 2 − = 为海水介质的吸收系数； N 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； ( ) D 0 N r ( ) V1 h 为海底反射系数； ( ) V2 s 为海面反射系数。 平均声强： 1）硬底、声速均匀浅海 平均跨度： D = 2Hctg s ( ) ( ) 1 1 1 4 cos , sin Ed I r z r D = ( ) ( ) ( ) ( ) 2 1 2 0 0 2 0 4 cos , sin r D h s r V V d I r z e r D − =
元~2B1(r,z)平均声强：rH2）海底有吸收的均匀浅海海底反射系数：msin x-/n? -cos* xV.=msin x+/n?-cos? xV(xh)~ e-Xh =e-rxo@aInlyCax海底三参数模型中的Q考虑海底声吸收，海底声速为复数，则可求得：可由试验my=2Re数据求得[Vn?-1平均声强：ryxorYXo22-2Br-2 βrHetgxodXoI(r,2)=HdxoI1(r,z)=eOrHrHr/H >>1e2m,%元3/2次方I(r,z)=V元H规律衰减23）3/2次方衰减率的适用距离掠射角Xo的最大有效值量级为：1/2Xm元/2Yy传播简正波的总数：mXm12Hcf, :n2HC21m=Xm2H00JL000元/2元根据计算平均声强的要求：m>>1最大距离满足：16H3m<<元2？
平均声强： ( ) r e rH I r z 2 , − = 2）海底有吸收的均匀浅海 海底反射系数： 2 2 2 2 1 sin cos sin cos + − − − = m n m n V ( ) 0 1 − − V e = e h h 考虑海底声吸收，海底声速为复数，则可求得： 平均声强： ( ) − − = 0 2 0 0 2 , e e d rH I r z Hctg r r ( ) − − = 0 2 2 0 2 , e e d rH I r z H r r 3）3/2 次方衰减率的适用距离 掠射角 0 的最大有效值量级为： 1 2 r H m 传播简正波的总数： H n n H c f n 2 2 1 2 = = − H m m 2 2 = 根据计算平均声强的要求：m>>1 最大距离满足： 2 2 3 16 H rm
Hry/H>>1L<rmY16H3H元2Y4）r>rm时声强衰减率规律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：y24-2BI(r,X16H3kH2,若考虑海面反射损失，则有：[αn()+~n(V(x)VLaxax-4、传播损失1）声强随距离衰减平均规律①球面扩展HsTL = 20lg ry②3/2次方衰减率+介质吸收yHH<r<16HTL=15lgr+5lg?+20βrlge元元Y③柱面扩展+介质吸收+界面吸收YRkH?16H3TL=101gr+101g20rlge432H3元2）传播损失半经验公式海水深度m混合层厚度m距离参数km①近距离<RTL=201gr+ar+60-k,近场异常衰减dB海水吸收系数dB/km②中等距离R<r<8R
4）r>rm时声强衰减率规律 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： ( ) = − − r H e k H r I r z r 3 2 2 2 16 exp 4 , 若考虑海面反射损失，则有： ( ) ( ) 0 1 2 ln ln = + = − V V 4、传播损失 1）声强随距离衰减平均规律 ①球面扩展 H r TL = 20lg r ②3/2 次方衰减率+介质吸收 2 2 3 16 H r H r e H TL 15lg r 5lg 20 lg = + + ③柱面扩展+介质吸收+界面吸收 2 2 3 16 H r r e H k H TL r lg 32 20 4 10lg 10lg 3 2 2 = + + + 2）传播损失 半经验公式 ①近距离 r<R ②中等距离 R<r<8R