第三章海洋的声学特性
本章从声学角度讨论海洋、海洋的不均匀性和多变性，弄清声信号传播的环境，有助于海中 目标探测、声信号识别、通讯和环境监测等问题的解决。
3.1海水中的声速
声速：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。 海洋中声波为弹性纵波，声速为：
1 c ----------
s
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 T 、S 、
P 的函数。
1、声速经验公式
海洋中的声速c (m/s )随温度T (C)、盐度S (%。)、压力P (kg/cm 2)的增加而增加。 经验公式是许多海上测量实验的总结得到的，常用的经验公式为： 较为准确的经验公式：
c ST p S 35 1.197 10 3T 2.61 10 4P 1.96 10 1P 2 2.09 10 6 PT P 2.796 10 4T 1.3302 10 5T 2 6.644 10 8T 3 P 2
2.391 10 1T 9.286 10 10T 2
1.745 10 10 P 3T
上式适用范围：-3C 1个大气压的压力。 声速c 的数值变化虽然微小，但它对长距离传播声线的分布、射程、传播时间等量的影响很 大，因此需要有准确的声速数值。但上式计算比较繁琐，在精度要求不太高时，可使用比较简单 的经验公式。许多文献资料，都给出较为简单的声速经验公式，这里介绍 |乌德公式|: 式中，压力P 单位是大气压， 1atm 1.013 105N/m 2 。 c 1449.22 c T C s C P c STP c T 4.6233T 5.4585 10 2T 2 2.822 10 4T 3 5.07 10仃4 C s 1.391 S 35 7.8 10 2 S 35 2 c P 1.60518 10 1P 1.0279 10 5P 2 3.451 10 9 P 3 3.503 10 12 P 4 式中, 5 2 P 980 105 N/m 2 。 10m 水深近似增加 2、声速测量 常用的测量仪器设备为：温度深度记录仪和声速仪。 温度深度记录仪通过热敏探头测量水中温度，同时通过压力传感器给出深度信息，这样就可以转换给出声速。 声速仪是声学装置，它是通过测量发射高频短脉冲次数。它用“声循环”原理工作：前一个 脉冲到达接收器，触发后一个脉冲从发射器发出，记录每秒钟脉冲的发射次数f，发射器和接收器的距离L已知，则声速为：c=fL。 3、海洋中的声速变化 （一）海洋中声速的垂直分层性质和声速梯度 实测海洋的等温线和等盐度线几乎是水平平行的，也就是说，声速近似为水平分层变化。因 此，在海洋中声速cx,y,z c z ，z为垂直坐标，x、y为水平坐标。声速梯度： dc g c a T g T a s g s a p g P dz 式中，g T、g s、g p分别为温度梯度、盐度梯度和压力梯度；a T、a s、a p分别为声速对温度、 盐度和压力的变化率（偏微分）； 根据乌德公式，则得： 4.21 0.0074T (m/s) /C a T 1.14 (m/s) /%o a s 0.175 (m/s) /atm a P 声速梯度：g c 4.12 0.0074T g T 1.14g S 0.175g （二）海中声速得基本结构 （1）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，特征是负的温度梯度或声速 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。 注意：在主跃变层（负）和深海等温层（正）之间，有一声速极 小值。解释一下深海的温度分布。 (2) 温度的季节变化、日变化和纬度变化 温度的季节变化和日变化主要发生在海洋上层。 图为近百慕大海区温度随月份的变化情况，夏季既有表面等温层，又有表面负梯度层；冬季 有很深的表面混合层。季节变化对海洋深处的温度影响较小。 日变化：高风速一一中午表面温度，受高风速的作用，出现明显的混合层；低风速一一表面 呈现负温度梯度，在早晨，可能出现正温度梯度。 在低纬度海域，主跃变层的深度较深；在高纬度海域，声速正梯度一直延伸到接近海洋表面。 (3) 浅海声速剖面 浅海声速剖面分布具有明显的季节特征。在冬季， 大多属于等温层的声速剖面，夏季为负跃变层声速梯度 剖面。 前面，我们将温度和声速看成不遂时间变化，只随 深度变化，这是海洋描述声速变化的粗略近似，等温层 是宏观而言，微观而言温度随时间起伏变化的。一般，温度起伏在下午和靠近海面到达最大。 温度起伏的原因多种多样：湍流、海面波浪、涡旋和海中内波等因素。在水声学中，经常将 声速表示称为确定性的声速垂直分布与随机不均匀声速起伏的线性组合： * ￥ ' r O I * i R 1 1117269 口 26 II 朗 IK 31 17 U 3 松 17 折骂? 三月凹月祝月 六月 七片 入月九月+衣H 用—月二目 (三)海水温度的起伏变化 I f 南圭百东经 、网 Q 0帥0 10W) 口00 J4(M 1300 宏观而言，声速分布分成四类: （1）深海声道声速分布 图中（玄）和（b）为深海声道典型声速分布，在某一深度z m处有一声速最小值。而这不同 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。 （2）表面声道声速分布 图中（C）为表面声道声速分布，在某一深度Z m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。 （3）反声道声速分布 图中（d）为反声道声速分布，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。 （4）浅海常见声速分布 图中（e）为浅海常见声速分布，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（e）与图（d）不同之处：前者是浅海中的负速度分布，需计入海底对声传播的影响。 3.2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。 （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。 （3）散射：介质的不均匀性引起的声波散射和声强衰减。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。 （一）扩展损失 在理想介质中，沿x轴方向传播的简谐平面波声压可写成为: p p o exp i t kx 平面波声压幅值 P 0和声强I P 2均不随距离x 变化的常数，因而，平面波波阵面不随距离扩展, 没有扩展损失。传播损失表示声传播衰减： I 1 TL 10lg 0 dB I x 即在理想介质中，平面波的 TL 等于0dB 。 在理想介质中，沿r 方向传播的简谐球面波声压可写成为: p exp i t kx r 平面波声压幅值 P 0「r 和声强I 一般，可以把扩展损失写成: TL n 10lgr dB 根据不同的传播条件，n 取不同的数值： （1） n 0 适用管道中的声传播，平面波传播， TL 0。 （2） n 1 适用表面声道和深海声道，柱面波传播， TL 10lg r ，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。 （3） n 3 2 适用计及海底声吸收时的浅海声传播， TL 15lg r ，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。 （4） n 2 适用于开阔水域（自由场），球面波传播，TL 20lgr 。 （5） n 3 声波通过浅海声速负跃变层后的声传播， TL 30lgr 。 （6） n 4 适用偶极子声源或计及平整海面虚源干涉的远场声传播， TL 40lg r ，相当于 计入声波干涉后，对球面波传播损失的修正。 （二）吸收系数 在介质中，声吸收和声散射引起的声传播损失经常同时存在，很难区分开来。 假设平面波传播距离 dx 后，由于声吸收而引起声强降低 dI ，贝U dI 2 Idx 式中， 0是比例常数，负号表示 dI 是声强的负标量（dI 0）。积分得声强: l °e 2 对上式取自然对数得 也可表示为: P 2. r 2均随距离r 变化，因而，球面波 TL : I 1 TL 10lg 20lgr dB I x 丄In 2x I x 丄In P 0 P x 声压振幅的自然对数衰减为无量纲量，称为奈贝（Neper）。上式为单位距离的奈贝数，Neper/m。 实际上，经常将声强写成下式： I x l01O x10 则有 l°|g 上20lg x I x x p x 式中，称为吸收系数。声强之比的以10为底的对数为贝尔（Bel），贝尔值的10倍称为分贝（dB ）。 吸收系数单位是单位距离的分贝数，dB/m。 20lg e In 匹20 lg e 8.68 x p x 即1Neper=8.68dB。声吸收引起的传播损失为（吸收系数乘上传播距离）： I 1 TL 10lg x 1 x x 1 I x 总传播损失（扩散加吸收）等于 TL n 10lg r r 均匀介质的经典声吸收：k，其中为介质切变粘滞的声吸收系数；k为介质热传导声吸收系数。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。 2、纯水和海水的超吸收 （一）纯水的超吸收 1947年，Hall提出了水的结构驰豫理论，成功解释了水介质的超吸收原因。理论计算 曲线）和B （经典声吸收）垂直坐标之差为纯水的超吸收。 注意：详细理论见何祚镛编著《声学基础》（P378- 380） （二）海水的超吸收 海水声吸收系数随频率变化的测量值见下图，海水超吸收原因：海水中含有溶解度较小的 图中曲线A （Hall t PklbenoMl 弾兀19 曲） 7CQ MgS04，它的化学反应的驰豫过程引起超吸收。 式中，T 为摄氏温度（C ）。驰豫频率随温度升高而增加（ 疑问： 主要是MgSO 4驰豫现象引起的吗？实验结果： 海水中含有溶解 度很大的 NaCI , NaCI 的存在 使得海水超吸收反而下降。这是由于NaCI 对水的分子结构变化产生影响所致。 在高频，NaCI 浓度越大，吸收越小。 在5kHz 频率以下低频，声吸收又明显增加，比 S-M 公式所给的结果更大，为什么？这是由 于海水还存在包括硼酸在内的其它化学驰豫现象。 Thorp 给出了低频段（驰豫频率约为 1kHz ）吸收系数的经验公式: 上式适用4C 温度附近的吸收系数。在低频，若计入纯水的粘滞系数，则吸收系数为: 吸收系数与压力的关系：随压力的增加而减小： 1 6.67 10 5H 式中，0为水面吸收系数值； H 为水深（m ）。深度每增加1km 其吸收系数减小 6.7%。 注意：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; 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、非均匀液体中的声衰减 常识：在海中声波作用下,MgSO 4的化学反应的平衡被破 坏，达到新的动态平衡，这种化学的驰豫过程，导致声波的 吸收。 Schulkin 和Marsh 根据2~25kHz 频率范围内所作的大量 测量结果，归纳的半经验公式： Sf r f 2 f 2 f T dB/km 式中，A 1.89 10 2 ; B 2.72 10 2 ; S 为盐度（％o ）; 为声波频率（kHz ）; f T 为驰豫频率（kHz ）： 1520 6 --------- f T 21.9 10 T 273 3 C ~30 C, 73kHz~206kHz ）） 0.102f 40.7f 2 1 f 2 4100 f 2 dB/km 0.102f 2 1 f 2 40.7 f 2 4100 f 2 3.06 10 4 f 2 dB/km 对于 10 LOO 100（1 ? H io m lo
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