海洋的声学特性

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：式中，密度 和绝热压缩系数都是温度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 BathyThermograph5、海洋中的声速变化❑ 海洋中声速的垂直分层性质❑ 声速梯度1）温度变化1度，声速变化约4m/s2）盐度变化1‰ ，声速变化约1m/ssc ρβ1=s β()P S T T c 175.03514.1037.021.414502+-+-+=()()z c z y x c =,,P P S S T T c g a g a g a dz dcg ++==ρ3）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。

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：s c ρβ1=式中，密度ρ和绝热压缩系数s β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 （℃）、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：STP P S T c c c c c ∆∆∆∆++++=22.1449式中，4734221007.510822.2104585.56233.4T T T T c T ---⨯-⨯+⨯-=∆()()2235108.735391.1-⨯--=-S S c S ∆4123925110503.310451.3100279.11060518.1P P P P c P ----⨯-⨯+⨯+⨯=∆()[][][]TP T T P T T T P PTP P T S c STP 31021012382546214310745.110286.910391.210644.6103302.110796.21009.21096.11061.210197.135----------⨯-⨯+⨯-+⨯-⨯+⨯-+⨯-⨯-⨯+⨯--=∆上式适用范围：-3℃<T<30℃、33‰<S<37‰、()2525/109801/10013.1m N P m N ⨯<<⨯个大气压。

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。

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。

一：声波情况声波类型：弹性波，在弹性介质中传播，属纵波。

水中声速为1500m/s，空气中为330m/s。

声场：声波作用的空间范围。

声波频率：声源每秒振动次数，单位赫兹(Hz)。

人耳可听到的最高频率为20KHz，因此该频率以上的声波称为超声波(ultrasonic)；可听到的最低频率为20Hz，低于此的称为次声波(infrasound)。

折射(refraction)、反射(reflection)定律：声线总是向声速小的方向弯曲。

声波在海洋中的传播分为波导型，反波导型，分裂型二：海洋声学特性海水的声吸收：将声能变为不可逆的海水分子内能海面波浪的声散射：因不平整性、气泡和浮游生物的散射，声能弥散到其他方向而损失海底声学特性：声波经过海底不仅有纵波也产生横波。

反射和吸收是海底声学的重要物理量。

与海底的密度和其中的声速度有关。

海底岩石组成、表面粗糙度、密度及孔隙率有关海洋内部不均匀性对声波影响：气泡、冷暖水体、湍流、内波和深水声散射层等，都可引起声场起伏三：应用水下声道和Sofar系统水下声道(sofar channel)：声波在海水中反射或者折射时，从声源发出的声线束将向声速极小值所在的水层弯曲，此时声能大部分限制在此水层间，没经过海面和海底的反射、散射和吸收，声能损失很少。

物理噪声：来自海洋介质本身运动，波浪、海流、湍流及冰层破裂等产生的噪声。

生物噪声：动物噪声，鲸、海豚、虾群碰撞等引起的噪声。

海洋噪声源在空间的分布是无规则的、运动随时间无规则变化。

海洋噪声可应用到声纳探鱼。

声纳技术对目前军事，渔业等各领域有着重要的应用价值。

海水中的声速海水中的声速是海洋环境重要的声学参数之一，也是水声物理实验研究中必须测量的环境参数。

它随时间和空间而变化，对声波的传播有重要影响。

该案例给出了水声物理实验研究中海水中声速获取的常用设备及测量结果，用实验数据证明了声速分布的不同结构及时变空变特性。

目前常用的测量设备有CTD（电导率-温度-深度仪）、SVP（声速剖面仪）、XBT（消耗式温深传感器）、温度链（温度传感器阵）四类。

其中CTD和SVP需要人工改变设备的深度以测量不同深度的声速，所以测量速度缓慢，不能同时刻长时间进行海水中声速剖面的观测；XBT可以测量获得海水温度剖面，但获得的温度也不是同时刻海水的温度，且该传感器是一次性的；为了同时刻长时间对海水介质的声速剖面进行测量，为海洋内波的研究提供环境参数，实验中将采用高精度温度传感器组成的垂直阵进行测量。

图1给出了几种仪器设备的实物图。

图1 左：CTD 中：SVP 右：XBT图2给出了CTD实验吊放方法及海上实验中声速剖面的测量结果。

不同地理位置的声速不一致性表明了声速的空间变化特性。

图3给出了同一地理位置海水温度剖面随时间的变化。

根据温度剖面数据和乌德公式计算得到声速剖面。

计算过程中盐度选取35‰。

跃变层附近声速的随机起伏特性表明了声速的时间变化特性。

图中声速剖面曲线与温度剖面曲线结构的相似性表明了海水介质的声速主要由温度控制。

图2 左： 201验海域，声速0.0175s 乌德公式如下式所示：CTD 吊放方法右：不同地理位置的声速剖面图3 海上实验温度链测量数据1年，海上实验测量的声速剖面如图4所示。

实验之前台风刚刚经过实海水受到风浪的充分搅拌，形成了等温层，因此在压力的作用下，随着深度线性缓慢增大。

对实验测量的声速数据进行拟合，得到声速梯度为-1，该梯度与乌德公式中声速随着压力的变化梯度完全吻合。

()P S T T c 175.03514.1037.021.414502+−+−+=图4 浅海混合层声道声速分布。

海洋生物的生物声学与声纳通信声音在海洋中传播速度快，能够穿透水层，因此声音成为海洋生物重要的交流方式。

海洋生物的声学特性和声纳通信机制受到了科学家们广泛的关注和研究。

本文将介绍海洋生物的生物声学和声纳通信的基本原理，并探讨其在生态学、行为学和保护学等领域的应用。

一、生物声学的基本原理生物声学是研究生物体产生、接收和解读声音的学科。

海洋中的生物体通过声音来交流信息、找寻伴侣、寻找食物、警示危险等。

海洋生物可以产生多种类型的声音，如鸣叫、鸣笛、鸣啸等。

这些声音有着不同的频率、时长和波形，可以传达不同的信息。

海洋生物产生声音主要通过生物体内的特殊器官和机制。

例如，鲸类通过鲸腔和声门产生强大的低频声音；虾类和鱼类则通过摩擦和振动产生高频声音。

海洋中的声音还受到水温、盐度和压力等环境因素的影响，这些因素会改变声音的传播速度和频率分布。

二、声纳通信的原理与应用声纳通信是利用声音进行信息交流和定位的技术。

在海洋生物中，一些物种通过自身特有的声纳机制进行通信。

最著名的例子是鲸类和海豚，它们通过鼻孔发出声音，利用声音的回声来判断周围环境和搜索食物。

声纳通信在海洋科学研究和资源开发中具有广泛的应用价值。

科学家们利用声纳设备来研究海洋生物的行为习性、迁徙路径和栖息地选择等。

同时，在海洋资源勘探和海底地质勘测方面，声纳技术也起到了重要的作用。

三、海洋生物声学的保护与管理海洋生物声学的研究对于保护海洋生态系统和管理海洋资源具有重要意义。

随着人类活动的增加，包括船舶噪音、声纳探测和海底爆破等，海洋生物面临着威胁。

这些人为声音会对海洋生物的行为、迁徙和繁殖产生不利影响。

为了保护海洋生物，国际社会采取了一系列的保护措施。

包括限制声纳设备的使用、建立海洋保护区、控制船舶噪音等。

此外，科学家们还在研发新的声纳技术，以减少对海洋生物的干扰。

这些举措旨在维护海洋生态系统的平衡和可持续发展。

结语海洋生物的生物声学与声纳通信是一个复杂而精彩的研究领域。

声学基础知识：海洋中的混响海洋中存在⼤量的散射体，⽐如海洋⽣物、泥沙粒⼦、⽓泡、⽔团等。

当声波投射到散射体上会产⽣散射，散射声波在接收点处叠加形成混响。

混响的特点有：紧跟在发射信号之后随时间衰减1. 混响的分类体积混响：海⽔中流砂粒⼦、海洋⽣物，海⽔本⾝的不均匀性等，对声波散射所形成的混响。

海⾯混响：海⾯的不平整性和波浪形成的⽓泡层对声波散射所形成的混响。

海底混响：海底及其附近散射体形成的混响。

海⾯混响和海底混响统称为界⾯混响（散射体分布是⼆维的）。

2. 散射强度定义：参考距离1⽶处被单位⾯积或体积所散射的声强度与⼊射平⾯波强度⽐值的分贝数。

散射强度也是在远场测量后再归算到单位距离处的。

应⽤如下：散射强度是表征混响的⼀个基本⽐值，可利⽤它计算各类混响的等效平⾯波混响级或进⾏混响预报；体积混响的反向散射强度值为-70dB~-100dB，远⼩于海⾯和海底值。

3. 等效平⾯波混响级若接收器接收来⾃声轴⽅向⼊射的强度为I的平⾯波输出端电压为V，如将接收器放置在混响声场，声轴对着⽬标，接收器输出端电压也为V，则混响场的等效平⾯波混响级RL 为：混响是随时间指数衰减的，因此，它对接收信号⼲扰的⼤⼩与信号到达时间有关。

4. 计算等效平⾯波混响级的基本假定直线传播，计及球⾯衰减和海⽔吸收：散射体分布是随机均匀的，且每个散射体贡献相同；散射体数量极多，单位体积元和⾯元有⼤量散射体：Ssv =常数；不考虑多次反射，只考虑⼀次散射；脉冲时间⾜够短，忽略体积元和⾯元尺度范围内的传播效应。

⼆、体积混响1. 对混响有贡献的区域海洋中存在⼤量散射体，它们距离声源和接收器的远近不⼀样，⼊射声波照射到散射体的时刻有先后。

某时刻的混响是该时刻所有到达接收器的散射波的总和。

考虑收发合置情况，声源、接收器位于O点，发射脉冲宽度为τ，根据球⾯扩展假设，该脉冲在海⽔中形成⼀个厚度为cτ的扰动球壳层，发射脉冲结束后的t/2时刻，该扰动球的内外半径为：球壳内的散射体在t/2时刻的散射波，不能在同⼀时刻传到接收器。

第2章 海洋的声学特性第二讲 海底和海面的声学特性2.3 海底海底结构、地形和沉积层是影响声波传播的重要因素，它对声波的吸收、散射和反射等声学特性，关系到水声设备作用距离底远近。

实验研究表明，海底声波反射系数与海底地形有明显的依赖关系。

对于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。

右图给出不同频率，深海平原的反向散射强度与入射角的关系。

反向散射强度s m ：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。

注意：朝声源方向上的声散射。

规律：✧在小入射角θ时，散射强度随θ的减小而增加。

✧在入射角 5>θ时，散射强度s m lg 10近似与θ2cos 成正比。

✧在小入射角时，散射强度一般与频率无关；✧在大入射角时，散射强度可能与频率的四次方乘正比。

右图为非常粗糙海底上的反向散射强度与入射角的关系：✧反向散射强度基本上与入射角和频率无关。

1、海底沉积层海底沉积层：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。

下面介绍海底沉积层的物理性质：沉积物密度（质饱和容积密度）等于：()sw n n ρρρ-+=1式中，孔隙度n 是指沉积物体积中含有水分体积的百分数；w ρ为孔隙水密度，也可认为与海底的海水密度相等，取3/024.1cm g w =ρ；s ρ为无机物固体密度。

孔隙度n 大小有许多因素决定，如无机物的大小、形状和分布，矿物成分，沉积物构造和固体颗粒的紧密程度等。

常识：深海平原和丘陵，粉砂粘土是主要沉积物类型，深海平原3/333.1cm g ≈ρ，深海丘陵3/344.1cm g ≈ρ。

沉积层中有压缩波速度（声速）c 和切变波速度s c 两种：ρG E c 34+= ρG c s =式中，E 和G 为沉积层的弹性模量和刚性（切变）模量。

孔隙度是可以测量和计算的量，因此可以预报声速值。

ρ与n 呈线性关系，因此声速和ρ之间关系与声速和n 之间关系相同。

Hamilton 给出三种不同类型沉积物的声速、密度和孔隙度的实验值。