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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。
《水声学习题集参考答案》水声工程学院水声学课程组编哈尔滨工程大学目录绪论 (1)第1章声学基础 (2)第2章海洋声学特性 (2)第3章海洋中的声传播理论 (3)第4章典型传播条件下的声场 (6)第5章声波在目标上的反射和散射 (10)第6章海洋中的混响 (14)第7章水下噪声 (17)第8章声传播起伏 (20)第9章声纳方程的应用 (20)绪 论1 略2 略3 略4 略5 环境噪声和海洋混响都是主动声呐的干扰，在实际工作中如何确定哪种干扰是主要的？解：根据水文条件及声呐使用场合，画出回声信号级、混响掩蔽级和噪声掩蔽级随距离变化的曲线，如下图，然后由回声信号曲线与混响掩蔽级、噪声掩蔽级曲线的交点所对应的距离来确定混响是主要干扰，还是噪声为主要干扰，如下图，r R <r n ，所以混响是主要干扰。
声信号级噪声掩蔽级R6 工作中的主动声呐会受到哪些干扰？若工作频率为1000Hz ，且探测沉底目标，则该声呐将会受到哪些干扰源的干扰。
解：工作中的主动声呐受到的干扰是：海洋环境噪声、海洋混响和自噪声，若工作频率为1000Hz ，干扰来自：风成噪声、海底混响、螺旋桨引起的自噪声及水动力噪声。
7 已知混响是某主动声呐的主要干扰，现将该声呐的声源级增加10dB ，问声呐作用距离能提高多少？又，在其余条件不变的情况下，将该声呐发射功率增加一倍，问作用距离如何变化。
（海水吸收不计，声呐工作于开阔水域） 解：对于受混响干扰的主动声呐，提高声源级并不能增加作用距离，因为此时信混比并不改变。
在声呐发射声功率增加一倍，其余条件不变的情况下，作用距离变为原距离的42倍，即R R 412 。
第1章声学基础1什么条件下发生海底全反射，此时反射系数有什么特点，说明其物理意义。
解：发生全反射的条件是：掠时角小于等于全反射临界角，界面下方介质的声速大于界面上方介质的声速。
发生全反射时，反射系数是复数，其模等于1，虚部和实部的比值给出相位跳变角的正切，即全反射时，会产生相位跳变。
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。
一、声在海洋中的传播众所周知，理想的传输信道是无损均匀媒质构成的无限空间，声信号在其间传播将不产生任何畸变。
在无限均匀的理想媒质中，声源发出的声波以球面波形式向周围扩展，声强随距离的平方衰减。
当声波传播到足够远距离时，球面波波阵面的曲率变得越来越小，可近似看作平面波波阵面，于是球面波动方程可简化为平面波动方程。
用平面波描述声在媒质中的传播，可使声的传播和各种声学量之间的关系变得比较简单。
在远场情况下，这种简化假设大多是近似正确的。
当媒质具有平行平面的上下边界时，由于声波不能穿过平面边界，声波在一定距离以后将按柱面规律扩展，即声强随距离线性衰减。
但实际海洋空间是有损的非均勻媒质的有限空间，声信号在海洋中传播时将产生扩展和衰减效应、折射、反射和散射效应、波导效应、多途效应以及起伏效应等多种物理效应。
这些效应使声信号能量产生衰减，波形发生畸变，导致水下通信、目标探测和识别的性能下降。
声波在海洋中的传输通道称为声信道。
声信道的特性对海洋中的声场具有重大影响。
在大多数情况下，海中声信道可看作是缓慢时变、空变的相干多途信道，而在另外一些场合，则必须计及它的随机特性，声传播的各种随机现象与声信道的随机特性密切相关。
由于海洋中声传播非常复杂，通常为了便于讨论，往往对海洋环境条件作某些假设，使问题得以简化。
在水声学中，经常使用两种方法来研究水声信号的传播问题。
第一种方法是波动理论，按波动声学观点，分层媒质中的声场可以用一系列简正波之和来描述，研究声场归结为求解适合边界条件的波动方程。
波动理论的优点是适用于所有频率，特别适用于低频浅海中的声传播。
第二种方法是射线理论，射线声学的基本假是：声能沿着一定的方向线（称为声线）传递，声线与等相位面（称为波阵面）相垂直；由声线围成的管状空间称为声线束管，声线不能穿过声线束壁管。
射线声学是一种近似的理论，但它具有直观和简便的优点，它适用于声传播与球面波、平面波传播规律相差不太大的情况，或者声场的空间变化不是很急剧的区域以及高频波的声场。
海洋声学原理今天来聊聊海洋声学原理的相关知识。
你们有没有在海边听到过那种低沉又深远的声音，就像是大海在诉说着什么秘密一样？其实这就和海洋声学原理有关系。
我最初对海洋声学原理感兴趣，是因为看了一部关于海洋探险的纪录片。
在纪录片里，那些科考人员通过一些仪器在海洋里探测各种东西，看起来特别神奇。
海洋可以看作是一个巨大而复杂的声学空间。
声音在海洋中传播就像汽车在各种各样的道路上行驶一样。
首先呢，我们得知道声音在海洋中的传播速度跟在空气中不太一样。
在海水中，声音的传播速度主要受海水的温度、盐度和压力等因素的影响。
我把这个原理打个比方，就好像你在不同材质的管道里送水，水的流速会不一样。
海水温度高一些的时候，声音就传得快一些；盐度高的地方和盐度低的地方，声音传播速度也有差异；压力呢，就像水深的潭底会和浅滩的水压不同一样，越深的地方压力越大，也会对声速产生一定影响。
说到这里，你可能会问，了解这个有什么用呢？这用处可大了！比如说海洋科考，科学家们可以利用声学原理来找寻海底的宝藏、研究海底的地形地貌或者寻找那些神秘的深海生物。
曾经我自己也很困惑，为什么有时候在海洋里声音传播会突然改变方向呢？后来我才知道这是因为海洋中的声速剖面不是均匀的，当声音遇到声速不同的水层时就会发生折射现象。
这个折射现象也很有趣。
就好比光线通过一块三棱镜会改变方向一样，声音在海洋里从一个水层进入到另一个声速不一样的水层时也会发生类似的转向。
从实用价值上来说，利用这种声音折射的特性，军方可以使用声呐来探测到躲在特殊位置（像那些可以造成声音折射区域）的潜艇等目标。
还有一个很重要的概念叫海洋噪声。
海里也不是完全安静的，像一些海洋生物发出的声音、海浪的声音，甚至船舶航行的声音等等都构成了海洋噪声。
海洋生物发出声音有时候是为了求偶，比如说一些鲸鱼的叫声能传得很远很远。
这就像我们人类唱歌吸引异性注意一样。
不过呢，这个海洋声学原理，我还不能说自己完全明白了。
海洋声学基础——水声学原理-吴立新海洋声学基础——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，T olstor 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。
