水声学-海洋中的声传播理论2
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海洋中的声学传播特性研究进展声学传播特性是指声波在特定介质中传播的特点和规律。
海洋中的声学传播特性研究对于理解海洋环境、探测海洋资源、进行海洋观测和保护海洋生态环境等方面都具有重要意义。
本文将从声波传播机理、声学传感技术以及海洋声学研究中的应用等方面,对海洋中的声学传播特性研究进展进行概述。
一、声波传播机理声波在海洋中传播的机理主要包括直达传播、散射传播和衍射传播等。
直达传播是指声波直接从声源传播到接收器,散射传播是指声波在遇到不均匀介质时被反射或折射导致的传播,而衍射传播则是指声波在遇到障碍物时绕过障碍物进行传播。
海洋中的声波传播受到海水声速、温度、盐度、声衰减等因素的影响。
海水中的声速和密度随深度变化,形成了声速剖面。
此外,海水中的溶解氧浓度和微生物浓度也会影响声波传播。
二、声学传感技术声学传感技术是一种利用声波传播特性进行信息传输、探测和测量的技术。
在海洋环境中,声学传感技术被广泛应用于海洋观测、洋底地震监测、水声通信等领域。
海洋观测方面,声学传感器可以用于测量海洋中的水温、盐度、压力、流速等参数,对海洋环境进行实时监测和预警。
洋底地震监测中,声学传感器可以记录地震产生的声波信号,帮助科学家研究地震的发生和演化过程。
水声通信则利用声波传播的特性进行远距离通信,用于海底油气田监测、海上救援等领域。
三、海洋声学研究中的应用海洋声学研究在海洋科学研究、资源勘探和环境保护等方面有着广泛应用。
在海洋科学研究中,通过对海洋中声波传播特性的研究,可以获取海底地质、海洋生态系统和海洋动力学等方面的信息。
同时,声学观测还可用于研究鱼类迁徙、海洋哺乳动物行为等生物学现象。
在海洋资源勘探方面,声学方法已成为一种重要的探测手段。
通过声波在海洋中的传播特性,可以实现海洋石油、天然气等资源的探测与勘探。
此外,声学方法还可以应用于海洋矿产资源的勘探和开发。
在海洋环境保护方面,声学技术可以用于监测和评估海洋环境的变化和污染状况。
2.1.2海洋的声学特性-海⽔的声速第2章海洋的声学特性第⼀讲海⽔的声速2.1 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:sc 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:STPP 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 PT P P T S c STP31021012382546214310745.110286.910391.210644.6103302.110796.21009.21096.11061.210197.135----------?-?+?-+?-? +?-+?-?-?+?--=?上式适⽤范围:-3℃注意: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。
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:()PS T T c 175.03514.1037.021.414502+-+-+=式中,压⼒P 单位是⼤⽓压, 25/10013.11m N atm ?=。
水声学underwater acoustics简史水声换能器和参量阵水声换能器水声换能器的进展水声参量阵声波在海洋中的传播和声场数值预报传播损失水下声道理论方法深海中的声传播浅海中的声传播声场数值预报水声场的背景干扰噪声海洋中的混响信号场的起伏和散射海面波浪引起的声起伏湍流引起的声起伏内波引起的声起伏目标反射和舰船辐射噪声水下目标反射舰船辐射噪声水声信号处理-声学的一个分支学科。
它主要研究声波在水下的产生、传播和接收,用以解决与水下目标探测和信息传输过程有关的声学问题。
声波是已知的唯一能够在水中远距离传播的波动,在这方面远比电磁波(如无线电波、光波等)好,水声学随着海洋的开发和利用发展起来,并得到了广泛的应用。
简史1827年左右,瑞士和法国的科学家首次相当精确地测量了水中声速。
1912年“巨人”号客轮同冰山相撞而沉没,促使一些科学家研究对冰山回声定位,这标志了水声学的诞生。
美国的R.A.费森登设计制造了电动式水声换能器(500~1000Hz),1914年就能探测到2海里远的冰山。
1918年,P.朗之万制成压电式换能器,产生了超声波,并应用了当时刚出现的真空管放大技术,进行水中远程目标的探测,第一次收到了潜艇的回波,开创了近代水声学,也由此发明了声呐。
随后,水声换能器的革新,关于温度梯度影响声传播路径的机理、声吸收系数随频率变化等水声学研究的成就,使声呐得以不断改进,并在第二次世界大战期间反德国潜艇的大西洋战役中起了重要作用。
第二次世界大战以后,为提高探测远距离目标(如潜艇)的能力,水声学研究的重点转向低频、大功率、深海和信号处理等方面。
同时,水声学应用的领域也越加广泛,出现了许多新装置,例如:水声制导鱼雷,音响水雷,主、被动扫描声呐,水声通信仪,声浮标,声航速仪,回声探测仪,鱼群探测仪,声导航信标,地貌仪,深、浅海底地层剖面仪,水声释放器以及水声遥测、控制器等。
水声作为遥测海洋的积分探头,在长时间内大面积连续监测海洋的运动过程以及海洋资源概念也已初步形成。
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。
第四章 海洋中的声传播理论水声传播常用的方法:波动理论(简正波方法)——研究声信号的振幅和相位在声场中的变化;射线理论(射线声学)——研究声场中声强随射线束的变化,它是近似处理方法,且适用于高频,但它能有效、清晰地解决海洋中地声场问题。
4.1 波动方程和定解条件1、波动方程当介质声学特性是空间坐标的函数,则可得小振幅波的运动方程、连续性方程和状态方程:p t u -∇=∂∂ρ 0=⋅∇+∂∂u tρρρd c dp 2= 状态方程可写为:tc t p ∂∂=∂∂ρ2由状态方程和连续性方程可得:012=⋅∇+∂∂u tp c ρ 利用运动方程从上式中消去u可得0112222=∇⋅∇-∂∂-∇ρρp tp c p当介质密度是空间坐标的函数时,波动方程的形式和密度均匀介质中波动方程的形式不同。
引入新的从变量:ρϕp=,则可得0432********=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∇-∇+∂∂-∇ρρρρϕϕt c 对于简谐波,222ω-=∂∂t ,则上式可写为:()0,,22=+∇ϕϕz y x K式中,2224321⎪⎪⎭⎫⎝⎛∇-∇+=ρρρρk K 。
ϕ不是声场势函数,K 也不是波数。
在海水中,与声速相比密度变化很小,可将其视为常数,则()z y x c k K ,,ω==,于是()0,,22=+∇ϕϕz y x k ()0,,22=+∇p z y x k p如果介质中有外力作用F,例如有声源情况,则有()ρϕϕFz y x K ⋅∇=+∇,,22在密度等于常数时,有()ρϕϕFz y x k ⋅∇=+∇,,22()F p z y x k p⋅∇=+∇,,22上述赫姆霍茨方程是变系数的偏微分方程——泛定方程。
2、定解条件满足物理问题的具体条件——定解条件。
物理量在介质边界上必须满足的条件。
(1)绝对软边界绝对软边界条件:声压为零界面方程表示为()t y x z ,,η=,()()0,,,,,==t y x z t y x p ηη——不平整海面 也称为第一类齐次边界条件如果已知边界面上的压力分布,则()()s t y x z p t y x p ==,,,,,ηη,称为第一类非齐次边界条件。
海洋声学基础——水声学原理绪论各种能量形式中,声传播性能最好。
在海水中,电磁波衰减极大,传播距离有限,无法满足海洋活动中的水下目标探测、通讯、导航等需要。
声传播性能最好,水声声道可以传播上千公里,使其在人类海洋活动中广泛应用,随海洋需求增大,应用会更广。
§0-1节水声学简史01490年,意大利达芬奇利用插入水中长管而听到航船声记载。
11827年,瑞士物理学家D.colladon法国数学家c.starm于日内瓦湖测声速为1435米每秒。
21840年焦耳发现磁致伸缩效应1880年居里发现压电效应31912年泰坦尼克号事件后,L.F.Richardson提出回声探测方案。
4第一次世界大战,郎之万等利用真空管放大,首次实现了回波探测,表示换能器和弱信号放大电子技术是水声学发展成为可能。
(200米外装甲板,1500米远潜艇)5第二次世界大战主被动声呐,水声制导鱼雷,音响水雷,扫描声呐等出现,对目标强度、辐射噪声级、混响级有初步认识。
(二战中被击沉潜艇,60%靠的是声呐设备)6二、三十年代——午后效应,强迫人们对声音在海洋中的传播规律进行了大量研究,并建立起相关理论。
对海中声传播机理的认识是二次大战间取得的最大成就。
7二战后随着信息科学发展,声呐设备向低频、大功率、大基阵及综合信号处理方向发展,同时逐步形成了声在海洋中传播规律研究的理论体系。
81、1945年,Ewing发现声道现象,使远程传播成为可能,建立了一些介质影响声传播的介质模型。
2、1946年,Bergman提出声场求解的射线理论。
3、1948年,Perkeris应用简正波理论解声波导传播问题。
4、50-60年代,完善了上述模型(利用计算技术)。
5、1966年,Tolstor和Clay提出声场计算中在确定性背景结构中应计入随机海洋介质的必要性。
§0-2 节水声学的研究对象及任务1、水声学:它是声学的一个重要分支,它基于四十年代反潜战争的需要,在经典声学的基础上吸收雷达技术及其它科学成就而发展起来的综合性尖端科学技术。
海洋声学基础——水声学原理绪论各种能量形式中,声传播性能最好。
在海水中,电磁波衰减极大,传播距离有限,无法满足海洋活动中的水下目标探测、通讯、导航等需要。
声传播性能最好,水声声道可以传播上千公里,使其在人类海洋活动中广泛应用,随海洋需求增大,应用会更广。
§0-1节水声学简史01490年,意大利达芬奇利用插入水中长管而听到航船声记载。
11827年,瑞士物理学家D.colladon法国数学家c.starm于日内瓦湖测声速为1435米每秒。
21840年焦耳发现磁致伸缩效应1880年居里发现压电效应31912年泰坦尼克号事件后,L.F.Richardson提出回声探测方案。
4第一次世界大战,郎之万等利用真空管放大,首次实现了回波探测,表示换能器和弱信号放大电子技术是水声学发展成为可能。
(200米外装甲板,1500米远潜艇)5第二次世界大战主被动声呐,水声制导鱼雷,音响水雷,扫描声呐等出现,对目标强度、辐射噪声级、混响级有初步认识。
(二战中被击沉潜艇,60%靠的是声呐设备)6二、三十年代——午后效应,强迫人们对声音在海洋中的传播规律进行了大量研究,并建立起相关理论。
对海中声传播机理的认识是二次大战间取得的最大成就。
7二战后随着信息科学发展,声呐设备向低频、大功率、大基阵及综合信号处理方向发展,同时逐步形成了声在海洋中传播规律研究的理论体系。
81、1945年,Ewing发现声道现象,使远程传播成为可能,建立了一些介质影响声传播的介质模型。
2、1946年,Bergman提出声场求解的射线理论。
3、1948年,Perkeris应用简正波理论解声波导传播问题。
4、50-60年代,完善了上述模型(利用计算技术)。
5、1966年,Tolstor 和Clay 提出声场计算中在确定性背景结构中应计入随机海洋介质的必要性。
§0-2 节 水声学的研究对象及任务1、 水声学:它是声学的一个重要分支,它基于四十年代反潜战争的需要,在经典声学的基础上吸收雷达技术及其它科学成就而发展起来的综合性尖端科学技术。