海洋声学特征

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 22.391 10 1T 9.286 10 10T 21.745 10 10 P 3T上式适用范围：-3C <T<30 C 、33%<S<37%。

、1.013 105N /m 2 1 个大气压 注意I ：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 1449.22c TC sCPc STPc T4.6233T5.4585 10 2T 2 2.822 10 4T 3 5.07 10仃4C s 1.391 S 35 7.8 10 2 S 35 2c P1.60518 10 1P 1.0279 10 5P 2 3.451 10 9 P 3 3.503 10 12 P 4式中,52P 980 105N/m 2。

海底声学特性海底对从海水入射的声波的反射和散射海底声学特性，海底对从海水入射的声波的反射和散射，以及声波在海底沉积物中的传播速度和衰减等特性。

中文名：海底声学特性本质：声音在传播介质中的不同相关概念：声波传播速度和衰减分类：低声速海底，高声速海底介绍海底对声波在海中的传播，特别是对声波在浅海中的传播影响很大。

声波在海底沉积物中的传播速度，通常与频率没有明显的关系。

在平均粒径极小而孔隙率很大的稀薄沉积物中的声速，接近或低于海水中的声速。

在较密实的沉积物中的声速，随粒径的增加和孔隙率的减小而单调增加，且大于海水中的声速。

在固化程度较高的沉积层中，声波除纵波外，还有横波传播。

海底沉积物中的声衰减,主要由沉积物的粘滞性和摩擦产生,与沉积物的粒径和孔隙率也有关系。

在海底沉积物中，细砂、砂质粉砂和粉砂质砂的声衰减最大。

在同一沉积物中，声衰减随声波频率的增加而增加，在某个频率范围内，这种增加近似于线性关系。

海底的声反射和散射，主要和沉积物的分层结构有关，也与海底表面的粗糙程度有关。

若海底表层中的声速底于其上海水中的声速,这种海底称为低声速海底;反之，则称为高声速海底。

一般说来，前者的反射本领低于后者。

海底的声反射损失，一般随声波频率的增加而增加，它和声波入射角的关系与海底类型有关，对于低声速海底，有一个全透射角，声波在此角度下入射，多数声能透射入海底；若为高声速海底，则存在一个全反射角。

根据海底的声学特性，可以对海底沉积物进行声遥测分类。

例如，浅地层剖面仪就是利用沉积物各层的声学特性不同而引起的声波反射各异的特点，来测定海底地层的分层结构。

声遥测方法在近代海洋工程如海港和海上钻井采油等工程的地质勘探中，有很重要的作用。

海底声信号特性分析与识别研究随着人类对海洋资源的开发和利用越来越深入，对海底的探测和观测越来越重要。

与此同时，海底声信号的特性分析和识别也成为了研究的重点之一。

一、海底声信号海底声波是指由海洋中的声源产生并传递的声波。

海底声波具有以下几个特点：1.传播速度慢：海底声波在海水中的传播速度约为1500米/秒，比空气中的声速要慢得多。

2.传播距离远：海底声波在海水中传播的距离远比在空气中传播的距离长得多，海洋中的声源可以传播数百甚至数千公里之远。

3.可穿透程度高：与电磁波和光波不同，海底声波所经过的海水深度和海水温度、盐度等因素会影响声波的传播速度和路径，但海洋中的声波可以穿透很深的海底，漫反射和折射现象少。

4.能量强度大：海底声波能量强度很大，能够对水下生物甚至深部土壤造成影响。

二、海底声信号特性分析对于海底声信号特性的分析，需要从以下几个方面进行研究：1.频谱特性：频谱特性是指海底声信号分布在不同频率下所呈现的特征。

不同声源所产生的声音频率不同，对于同一种声源，不同声场条件下产生的声音频率也会不同。

2.时域特性：时域特性是指声波在不同时间下所呈现的特征。

海底声信号具有许多的时域特征，包括持续时间、振幅、振荡周期、波形等。

3.空间特性：空间特性是指声波在不同空间下所呈现的特征。

由于海洋中水温、盐度、压强等因素的不同，声波的传播路径可能存在折射、反射、漫射等现象，这些因素会影响声波在空间中的分布方式。

三、海底声信号识别研究海底声信号的识别是指通过分析信号特性，确定信号来源和类型的研究。

海底声信号识别主要有以下几种方法：1.频谱分析法：频谱分析法是利用信号在频域分布的特性，对信号进行分析和识别的方法。

通过对频率特征、频率带宽、频率分布等参数的分析，可以确定信号的类型和来源。

2.短时傅里叶变换法：短时傅里叶变换法是一种将信号在时间上分段处理，并在每个时间段内进行傅里叶变换的方法。

通过对各段频率特征等参数的分析，可以得出较为准确的信号识别结果。

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。

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。

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。

海洋中的声学污染问题海洋是地球上最为广阔的生态系统之一，拥有丰富的生物多样性和复杂的生态平衡。

然而，随着人类活动的不断扩大和深入，海洋环境也面临着越来越严重的威胁，其中之一就是声学污染。

声学污染是指人类活动产生的各种噪音对海洋生物和生态系统造成的负面影响。

本文将探讨海洋中的声学污染问题，分析其影响和应对措施。

一、声音的传播特点声音是一种通过介质传播的机械波，而海水是一种极好的传声介质，声音在海水中的传播速度比空气中要快约四倍。

这就意味着海洋中的声音传播范围更广，更容易对海洋生物产生影响。

此外，海水中的声音传播还受到水温、盐度、压力等因素的影响，使得声音在海洋中的传播路径更加复杂和多变。

二、海洋中的声源海洋中的声源主要来自人类活动，包括商船、军舰、渔船的引擎声、螺旋桨声、船体噪音，以及海底勘探、海洋工程施工、爆炸作业等活动产生的声音。

此外，还有海洋生物自身的声音，如鲸鱼的歌声、海豚的鸣叫等。

这些声源在海洋中不断产生，形成了复杂的声学环境。

三、声学污染对海洋生物的影响声学污染对海洋生物的影响主要体现在以下几个方面：1. 鱼类和海洋哺乳动物：声音对鱼类和海洋哺乳动物的生存、繁殖、迁徙等行为产生影响。

强烈的噪音会使它们的生存空间受到限制，导致生态系统的破坏。

2. 海洋无脊椎动物：一些海洋无脊椎动物对声音非常敏感，噪音会干扰它们的正常生理活动，影响它们的生长和繁殖。

3. 海洋鸟类：声音会影响海洋鸟类的觅食和交流行为，使它们难以适应海洋环境，甚至导致数量减少。

4. 海洋生态系统：声学污染会扰乱海洋生态系统的平衡，影响海洋生物之间的相互关系，导致生物多样性下降，生态链条断裂。

四、应对声学污染的措施为了减轻海洋中的声学污染问题，需要采取以下措施：1. 控制人类活动产生的噪音：限制商船、军舰、渔船等船只的噪音排放，规范海底勘探、海洋工程等活动的施工噪音。

2. 增加声学监测和研究：建立海洋声学监测网络，对海洋中的声音进行实时监测和分析，深入研究声学污染对海洋生物的影响机制。

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。