第3章海洋中的声传播理论详解
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声波在海洋的传输原理
声波在海洋的传输原理
声波在海洋中的传输原理是海洋声学研究的重要内容之一。
海洋中的声波传播与陆地上的声波传播存在很大的不同，海洋环境的复杂性使得声波在海洋中的传输过程更加复杂和多变。
声波在海洋中的传输受到水的物理特性的影响。
海水是一种复杂的介质，它具有密度、速度、温度、盐度等参数的空间和时间变化。
这些参数的变化会影响声波在海水中的传播速度和路径，从而影响声波的传输。
海洋中存在各种声源，包括动物的声音、水下爆炸声、海浪声等。
这些声源在海洋中产生的声波会通过水传播到远处。
海洋中的声波传播距离较远，可以达到几百甚至上千公里。
这种远距离传播的主要原因是海水的传播损失较小，声波的能量损失较小。
海洋中的声波传输还受到海底地形的影响。
海底地形的起伏、沉积物的分布等会对声波的传播路径产生影响。
海底地形的复杂性使得声波在海洋中传播时会发生折射、散射、反射等现象，从而改变声波的传播方向和强度。
海洋中的声波传输还受到海洋中的生物因素的影响。
海洋中存在大量的海洋生物，它们会产生各种声音，包括鱼类的鳍声、鲸鱼的歌声等。
这些声音会干扰声波的传输，从而影响声波的传播距离和清晰度。
声波在海洋中的传输原理是一个复杂而多变的过程。
海洋环境的特殊性使得声波的传输受到水的物理特性、海洋中的声源、海底地形以及海洋中的生物因素的影响。
深入研究声波在海洋中的传输原理，对于理解海洋环境、海洋生物以及海洋资源的利用具有重要意义。
海洋中的声波传播与物理特性分析
海洋中的声波传播与物理特性分析声波是在介质中传播的压力波，海洋作为一种重要的介质，对声波的传播和物理特性具有着独特的影响。
本文将针对海洋中的声波传播与物理特性进行分析，探讨其在海洋科学研究和海洋工程领域的应用。
一、声波传播的基本原理声波在海洋中的传播受到多种因素的影响，包括声源特性、传播路径、海洋环境等。
在海洋中，声波的传播速度较空气中快约4.3倍，主要是由于海水的高压缩性和高密度。
同时，海洋中存在各种声学反射、折射、散射等传播现象，这些现象导致声波传播路径的复杂性。
海洋中的传播路径包括水平传播和垂直传播。
水平传播主要受海洋底部、地形等因素的影响，海底反射和散射会导致传播路径的扩散和延迟。
垂直传播则受到海洋的声敏层（SOFAR层）的影响，该层具有较低的声速，能够使得声波在层内进行远距离传播。
二、海洋中声波的物理特性1. 开普勒效应在海洋中，声源和接收器相对于海水的相对运动会导致声频的频率变化，即开普勒效应。
开普勒效应在海洋生物学中具有重要意义，因为生物在声音频率的感知和定位中可能受到这种变化的影响。
2. 声衰减声波在传播过程中会受到水中溶解气体、盐度、温度等因素的影响，导致声波信号衰减。
海洋中的声波衰减比空气中要大，这也是为什么水下通信需要使用较低频率的声波信号的原因之一。
3. 声速剖面海洋中的声速剖面是指声速随深度的变化规律。
在海洋中，声速剖面是不规则的，与海洋的温度、盐度及压力等因素有关。
海洋中通常存在表层和中层两个相对较稳定的层次，其声速分布呈现特定的特性。
三、海洋中声波的应用1. 海洋科学研究声波在海洋科学研究中具有广泛的应用，如海洋温度、盐度等物理参数的测量，海洋动力学研究以及海洋生物学等方面。
通过声学技术，可以实时监测海洋环境变化，研究海洋中的生物种类及数量。
此外，声学技术还可用于海底地形勘测、海浪监测等领域。
2. 海洋工程声波在海洋工程领域的应用非常广泛。
比如，声纳技术可用于海底管道、深海油气勘探及矿产资源调查；声呐技术可用于水下通信和声纳导航；声学声纳也是水下定位以及障碍物避免的重要手段。
海洋中的声学传播特性研究进展
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。
海洋声学特征
第3章 海洋的声学特性
07:06
本章目的
• 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。
07:06
3.1 海水中的声速
1、声速（ Sound Speed ） 海洋中的重要声学参数，也是海洋中声传
播的基本物理参数。
07:06
3.1 海水中的声速
2、声速测量
测量仪器设备：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，可以转 换给出声速。
07:06
3.1 海水中的声速
2、声速测量
声速仪是声学装置： •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。 •声速：c=fL。
c 1449.22 cT cS cP cSTP
上式适用范围：-3℃<T<30℃、33‰<S<37‰
1.013 105 N / m2 1个大气压 P 980 105 N / m2
07:06
3.1 海水中的声速
声速经验公式
• 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； • 1℃＝（1oF-32）5/9。
07:06
3.1 海水中的声速
海洋中声速的基本结构 典型深海声速剖面： 温度分布“三层结构”： （1）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。
07:06
3.1 海水中的声速
海洋中声速的基本结构
07:06
本章目的
• 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。
07:06
3.1 海水中的声速
1、声速（ Sound Speed ） 海洋中的重要声学参数，也是海洋中声传
播的基本物理参数。
07:06
3.1 海水中的声速
2、声速测量
测量仪器设备：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，可以转 换给出声速。
07:06
3.1 海水中的声速
2、声速测量
声速仪是声学装置： •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。 •声速：c=fL。
c 1449.22 cT cS cP cSTP
上式适用范围：-3℃<T<30℃、33‰<S<37‰
1.013 105 N / m2 1个大气压 P 980 105 N / m2
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3.1 海水中的声速
声速经验公式
• 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； • 1℃＝（1oF-32）5/9。
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3.1 海水中的声速
海洋中声速的基本结构 典型深海声速剖面： 温度分布“三层结构”： （1）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。
07:06
3.1 海水中的声速
海洋中声速的基本结构
海洋声学原理
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。
第3章 海洋中的声传播理论
第3章 海洋中的声传播理论 29
2
2
3.2 波动声学基础
（3）函数Rn(r) 由零阶贝塞尔方程，可得 Rn r 的解：
Rn r jZ n z0 H 0 n r
2
2 2 j sin k zn z0 H 0 n r H
水声学
第3章 海洋中的声传播理论
①平面波情况
x =f t c
水声学
1 0 x c t
第3章 海洋中的声传播理论
jk 0 x
15
3.1 波动方程和定解条件
②柱面波情况
lim r jk 0 r r
③球面波情况
注意负号的物理含义。
水声学 第3章 海洋中的声传播理论 13
3.1 波动方程和定解条件
④边界上密度或声速有限间断
边界上压力和法向质点振速连续：
p s0 p s0
1 p 1 p n n s 0 s 0
若压力不连续，压力突变或质量加速度趋于无穷；
水声学
第3章 海洋中的声传播理论
24
3.2 波动声学基础
（1）波动方程
d 2 Rn 1 dRn d 2 Zn 2 2 Zn 2 Rn 2 k0 Z n r z z0 r dr r n dz dr
——第二类非齐次边界条件
水声学 第3章 海洋中的声传播理论 12
3.1 波动方程和定解条件
③混合边界条件：声压和振速线性组合
p a bp f s n s
——若a和b为常数，则为第三类边界条件 若 f s 0 ，则为阻抗边界条件： p Z un
2
2
3.2 波动声学基础
（3）函数Rn(r) 由零阶贝塞尔方程，可得 Rn r 的解：
Rn r jZ n z0 H 0 n r
2
2 2 j sin k zn z0 H 0 n r H
水声学
第3章 海洋中的声传播理论
①平面波情况
x =f t c
水声学
1 0 x c t
第3章 海洋中的声传播理论
jk 0 x
15
3.1 波动方程和定解条件
②柱面波情况
lim r jk 0 r r
③球面波情况
注意负号的物理含义。
水声学 第3章 海洋中的声传播理论 13
3.1 波动方程和定解条件
④边界上密度或声速有限间断
边界上压力和法向质点振速连续：
p s0 p s0
1 p 1 p n n s 0 s 0
若压力不连续，压力突变或质量加速度趋于无穷；
水声学
第3章 海洋中的声传播理论
24
3.2 波动声学基础
（1）波动方程
d 2 Rn 1 dRn d 2 Zn 2 2 Zn 2 Rn 2 k0 Z n r z z0 r dr r n dz dr
——第二类非齐次边界条件
水声学 第3章 海洋中的声传播理论 12
3.1 波动方程和定解条件
③混合边界条件：声压和振速线性组合
p a bp f s n s
——若a和b为常数，则为第三类边界条件 若 f s 0 ，则为阻抗边界条件： p Z un
(完整版)第三章海洋的声学特性
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。
海洋中的声传播理论详解课件
THANKS
感谢观看
声波在海洋中的散射和吸收导致信号强度衰减，使得远程通信和探测的可靠性降低 。
高分辨率声传播模型的发展
针对声传播的复杂性和不确定 性，发展高分辨率声传播模型 是重要的研究方向。
高分辨率模型能够更准确地模 拟声波在海洋中的传播路径和 能量衰减，提高预测精度。
通过引入更多的环境参数和改 进模型算法，可以更好地模拟 声传播过程，为实际应用提供 更可靠的依据。
当声波从一种介质传播到另一种介质时，由于介质密度的变化，声波的传播方 向会发生改变。在海洋中，声波从海水传播到空气时会产生折射现象。
声波反射
当声波遇到不同介质的界面时，部分或全部声波能量会返回原介质。在海洋中 ，声波遇到海底或海面时会产生反射现象。
声波的散射与吸收
声波散射
在海洋中，由于海水的密度、温度和盐度等分布不均匀，声波在传播过程中会发 生散射现象，导致声能分散。
02
海洋声学基础
海洋的物理特性
温度
海水温度随深度增加而 降低，影响声波传播速
度和衰减。
盐度
海水中盐分浓度影响声 波传播速度和衰减。
压力
深海压力大，影响声波 传播速度和衰减。
混浊度
海水中悬浮颗粒物和浮 游生物影响声波传播。
声波在海水中的传播速度
低频声波传播速度高 于高频声波。
深海声道现象：在一 定深度以下，声波传 播速度随深度增加而 增加。
海洋中的声传播理论详解课件
contents
目录
• 声波的基本理论 • 海洋声学基础 • 海洋中的声传播现象 • 海洋声传播的应用 • 海洋声传播的挑战与展望
01
声波的基本理论
声波的产生与传播
声波的产生
第3章海洋中的声传播理论详解
方程②：
d 2 Rn 1 dRn 2 (r ) Z n ( z0 ) 2 n Rn 2 dr r dr r
方程①的通解——本征函数 ：
Z n z An sink zn z Bn cosk zn z
对应的 k zn ——本征值
College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University
n
c pn n
群速度：波形包络的传播速度
d cgn d n
说明：浅海水层属于频散介质。
College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University 22
硬底均匀浅海声场
相速和群速与声波频率的关系
2 2
阶数最大取值:
H 1 N c 2 0
结论：当简正波阶数 n N 时， n 为虚数，此 时简正波随距离增大指数衰减
College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University
本征函数(Eigen Function)
Z n z An sin k zn z , 0 z H
College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University 15
根据正交归一化条件 ：
H
0
Z m z Z n z dz 1
混合边界条件——压力和振速线性组合 边界上密度或声速的有限间断——压力和法向质 点振速连续 关于连续的解释： 若压力不连续，质量加速度趋于无穷的不合理 现象； 若法向振速不连续，边界上出现介质“真空” 或“聚集”的不合理现象。
深海中声波传播的特性理论分析
深海中声波传播的特性理论分析深海是地球上最神秘的领域之一，其深邃的海底世界隐藏着许多未知和谜团，吸引了众多科学家的关注。
在深海中，声波传播的特性具有独特的地理和物理属性，对于我们理解地球演化、海洋生物和气候变化等方面具有重要意义。
本文将对深海中声波传播的特性进行理论分析，以期增进对深海世界的认识。
一、深海中的声波传播速度深海中的水体较浅海和陆地的水体密度较高，因此声波的传播速度会有所不同。
根据声学理论，声波在水中的传播速度与水的密度和温度相关。
深海中的水温通常较低，这会导致声波传播速度较慢。
另外，深海中的水压也较大，这会对声波传播速度产生影响。
因此，深海中声波传播速度相对较低，一般在1500米/秒左右。
二、深海中声波传播的远距离特性深海中由于水深较深，声波传播的距离相对较长，远距离传播的特性也有所不同。
首先，深海中声波传播的进程中会发生折射和反射现象。
由于深海中水层之间的密度差异较大，声波会在密度发生变化的地方发生折射，导致传播路径的改变。
同时，声波在海底反射时会产生回音现象，这也会影响声波的传播路径和传播速度。
另外，在深海中声波传播距离较长时，会出现传播损失。
随着传播距离的增加，声波会在传播过程中逐渐衰减，这与水分子的吸收和散射有关。
深海中的水分子和悬浮物具有吸收声波能量的特性，这会导致声波传播过程中产生能量损失。
因此，深海中的声波传播距离相对有限，大约在几百公里左右。
三、深海中声波传播与生物响应深海中的生物环境特殊，声波传播对于深海生物的生存和繁殖具有重要影响。
深海中的生物往往依赖声波进行定位、交流和繁殖。
例如，许多鲸类通过发出低频声波进行通信，这种声波可以在深海中传播数百甚至上千公里，从而使它们能够在广阔的深海空间中进行相互交流。
然而，深海中的声波传播也可能对生物产生干扰和伤害。
一些人类活动，如海洋资源勘探、船只运输和军事活动等，会产生噪声，这种噪声可能会对深海生物的交流和生存造成不利影响。
华北理工水声学课件03海洋中的声传播理论-4分层介质中的射线声学
R1 1
x 1
z
z
声线轨迹
声线水平传播距离
③当梯度为恒定值时，声线轨迹为圆弧，则水平距离：
x
R1
sin 1
sinz
cz1
cos1
g
sin 1
sinz
通常情况下已知的是声线
O
x
z
经过的垂直距离，因此，
z
④水平距离的另一种形式为：
z1
1 x
1
1
(
2
(1
2
))
R1 1
x
(
z1
z)
/
tg
声线传播时间
传播时间的另一种表达式③：
1 d
t
g 1 cos
① 式为求传播时间的基本公式 ② 式是对深度进行积分的求解公式 ③ 式是对掠射角进行积分的求解公式
线性分层介质中的声线图
线性声速分层近似下的声线图
c0
c
x
0
ci (z) gi z
i zi
xi
i1
x
线性分层介质中的声线图
x2
z
1 a
2
1 a2
O(x0 , z0 ) z
声线轨迹
声线轨迹方程 ②声线在海面处以任意掠射角1 出射，声线的轨迹方程：
x O
1
x
tg1
a
2
z
1 a
2
a
1
cos 1
2
R
1
O(x1, z1) z
声线轨迹
声线水平传播距离 ①任意声速分布下声线经过的水平距离：
c(z) O
计算复杂；
不能处理影区和焦散区附 近的声场；
海洋生物的声音世界他们如何用声音沟通
海洋生物的声音世界他们如何用声音沟通海洋生物的声音世界：他们如何用声音沟通近年来，对海洋生物的研究不断深入，追踪设备的进步使得科学家们能够窥探海洋深处的奥秘。
其中一个引人注目的领域就是海洋生物的声音沟通。
本文将探讨海洋生物的声音沟通方式以及它们在这个声音世界中扮演的角色。
一、声音在海洋中的传播海洋是一个噪音繁杂的环境，水的声速高于空气，声波在水中的传播速度约为1500米/秒。
而由于海洋存在各种生物以及自然和人为的噪音来源，声音在海洋中传播受到很大的干扰。
然而，海洋生物已经适应了这样的环境，发展出了独特的沟通方式。
二、海洋生物的声音沟通形式1. 声音的产生方式大部分海洋生物通过声带或气囊等器官产生声音。
例如，鲸鱼通过身体振动和吐气来制造强大的声波，形成他们标志性的鲸鸣声。
其他一些生物则以颤音、摩擦或肌肉收缩等方式产生声音。
2. 声音的特点海洋生物的声音在频率、强度和时长等方面有很大的差异。
其中，频率尤其重要，不同频率的声音在水中传播的距离和速度不同，因此海洋生物可以通过调整频率来实现远程沟通或近距离交流。
3. 声音的功能海洋生物利用声音进行多种多样的沟通和交流活动。
以下是几个常见的功能：- 警示和威慑：许多鱼类和海洋哺乳动物通过发出威胁性的声音来向潜在的威胁表示警告。
- 求偶和繁殖：海豚和鲸鱼等物种通过特定的鸣叫来吸引配偶或宣示繁殖权益。
- 社交和定位：一些鱼类和海洋无脊椎动物通过声音来维持社群联系，例如，珊瑚礁鱼类利用声音标识自己的领地。
- 捕食和捕猎：一些海洋生物会发出声音来吸引猎物或迷惑竞争者。
三、海洋生物声音沟通的进化和挑战声音沟通是海洋生物适应海洋环境的重要进化方式之一，然而，现代人类活动对海洋中的声音环境产生了越来越大的干扰。
商船的引擎声、海底油气勘探的爆破声以及军事活动等都会干扰海洋生物的正常沟通活动，对其生存和繁殖产生负面影响。
四、保护海洋生物的声音世界为了保护海洋生物的声音世界，我们需要采取一系列措施：1. 控制人为噪音：减少商业、工业和军事活动对海洋的干扰，采用环保技术和设备，降低噪音污染。
海洋的声学特性
系
海底反射损失简化模型-三参数模型
Q
,0
20ln V
ln V0
const,
2
42
三参数： 、 ln V0 、 Q
参数计算
1） 的计算
arccos n
n c1 / c2
2）V0的计算
V0
mn mn
3）Q的计算
m 2 1
Q
ln V
0
V m cosi i sin 2 i n2 m cosi i sin 2 i n2
21
扩展损失
简谐平面波声压 p p0 expit kx
没有扩展损失
TL
10
lg
I 1 I x
0
dB
简谐球面波声压 p p0 expit kr
r
扩展损失
TL
10
lg
I 1 I r
20
lg
r
dB
22
扩展损失的一般形式
TL n 10lg r dB
n=0：适用管道中的声传播，平面波传播， TL=0；
1
2
H
0.25H1 3 0.20H1 10
47
波浪的统计特征
波浪的概率密度分布 常识：在水声学中经常将波面的概率分布视为高斯分 布。 充分成长的海浪谱
Pierson-Moskowitz谱（P-M谱）
48
海面表面层内的气泡层
声波的吸收体 声波的散射体
海面对声传播的影响简介
镜反射 漫散射：形成散射场。随着海面粗糙度增加，漫散
•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。
Z
第三类 反声道声速分布
19
海底反射损失简化模型-三参数模型
Q
,0
20ln V
ln V0
const,
2
42
三参数： 、 ln V0 、 Q
参数计算
1） 的计算
arccos n
n c1 / c2
2）V0的计算
V0
mn mn
3）Q的计算
m 2 1
Q
ln V
0
V m cosi i sin 2 i n2 m cosi i sin 2 i n2
21
扩展损失
简谐平面波声压 p p0 expit kx
没有扩展损失
TL
10
lg
I 1 I x
0
dB
简谐球面波声压 p p0 expit kr
r
扩展损失
TL
10
lg
I 1 I r
20
lg
r
dB
22
扩展损失的一般形式
TL n 10lg r dB
n=0：适用管道中的声传播，平面波传播， TL=0；
1
2
H
0.25H1 3 0.20H1 10
47
波浪的统计特征
波浪的概率密度分布 常识：在水声学中经常将波面的概率分布视为高斯分 布。 充分成长的海浪谱
Pierson-Moskowitz谱（P-M谱）
48
海面表面层内的气泡层
声波的吸收体 声波的散射体
海面对声传播的影响简介
镜反射 漫散射：形成散射场。随着海面粗糙度增加，漫散
•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。
Z
第三类 反声道声速分布
19
第三章 海洋的声学特性
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。
第3章海洋中的声传播理论2
代表声线的方向，处处与等相位面垂直。
将形式解代入波动方程：
2 A A
k02
k
2
j
k0
2A A
2
0
8
射线声学的基本方程
2 A
A
k02
k2
0
2
2 A
A
0
当 2 A A k 2 时，
2
k k0
2
n2 x
,
y
,
z
强度方程 程函方程
9
射线声学的基本方程
两个基本方程
2 n2
2
2 A
x
x
x
x s
y
y s
z
z s
n cos2 n cos2 n cos2 n
x
x
15
射线声学的基本方程
d ncos n
ds
x
第（3）种表示式： d n cos n
ds
y
d ncos n
ds
z
矢量方程形式：
d n
ds
16
射线声学的基本方程
应用举例
c 声速 为常数
1x nzcos
x
2 z nzcos
z
因此，
1x nzcosdx
2z nzcosdz
22
射线声学的基本方程
求解程函的显式
O
根据Snell定律
x
1x cos0 x C1
nzcos n sin
n2 cos2 0
2 z
z z0
n2 cos2 0 dz C2
程函：x , z cos0 x
定条件限制下波动方程的近似解。
2
射线声学的基本方程
将形式解代入波动方程：
2 A A
k02
k
2
j
k0
2A A
2
0
8
射线声学的基本方程
2 A
A
k02
k2
0
2
2 A
A
0
当 2 A A k 2 时，
2
k k0
2
n2 x
,
y
,
z
强度方程 程函方程
9
射线声学的基本方程
两个基本方程
2 n2
2
2 A
x
x
x
x s
y
y s
z
z s
n cos2 n cos2 n cos2 n
x
x
15
射线声学的基本方程
d ncos n
ds
x
第（3）种表示式： d n cos n
ds
y
d ncos n
ds
z
矢量方程形式：
d n
ds
16
射线声学的基本方程
应用举例
c 声速 为常数
1x nzcos
x
2 z nzcos
z
因此，
1x nzcosdx
2z nzcosdz
22
射线声学的基本方程
求解程函的显式
O
根据Snell定律
x
1x cos0 x C1
nzcos n sin
n2 cos2 0
2 z
z z0
n2 cos2 0 dz C2
程函：x , z cos0 x
定条件限制下波动方程的近似解。
2
射线声学的基本方程
海洋生物的生物声学与声纳通信
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。
海洋的声学特性
温度起伏的原因多种多样： ➢ 湍流 ➢ 海面波浪 ➢ 涡旋 ➢ 内波等因素
——声传播起伏的原因之一
16
声速分布分类（分成四类 ）
右图为深海声道典型声速 分布，特点：
•在某一深度处有一声速最 小值。
Zm
•两图不同之处：
•左图表面声速小于海底声
速；
•右图表面声速大于海底声
速。
Z
c0 c
Zm
c0 c
21
扩展损失
简谐平面波声压 p p0 expit kx
没有扩展损失
TL
10
lg
I 1 I x
0
dB
简谐球面波声压 p p0 expit kr
r
扩展损失
TL
10
lg
I 1 I r
20
lg
r
dB
22
扩展损失的一般形式
TL n 10lg r dB
n=0：适用管道中的声传播，平面波传播， TL=0；
第四类
浅海常见声速分布
20
2．海水中的声吸收
传播衰减概述
声波传播的强度衰减（传播损失）原因：
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。
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。
散射：介质的不均匀性引起的声波散射导致声强衰 减 不均匀性包括：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。
•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。
Z
第三类 反声道声速分布
19
声速分布分类
右图为浅海常见声速分布，特点：
——声传播起伏的原因之一
16
声速分布分类（分成四类 ）
右图为深海声道典型声速 分布，特点：
•在某一深度处有一声速最 小值。
Zm
•两图不同之处：
•左图表面声速小于海底声
速；
•右图表面声速大于海底声
速。
Z
c0 c
Zm
c0 c
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扩展损失
简谐平面波声压 p p0 expit kx
没有扩展损失
TL
10
lg
I 1 I x
0
dB
简谐球面波声压 p p0 expit kr
r
扩展损失
TL
10
lg
I 1 I r
20
lg
r
dB
22
扩展损失的一般形式
TL n 10lg r dB
n=0：适用管道中的声传播，平面波传播， TL=0；
第四类
浅海常见声速分布
20
2．海水中的声吸收
传播衰减概述
声波传播的强度衰减（传播损失）原因：
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。
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。
散射：介质的不均匀性引起的声波散射导致声强衰 减 不均匀性包括：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。
•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。
Z
第三类 反声道声速分布
19
声速分布分类
右图为浅海常见声速分布，特点：
水声学第三章 海洋的声学特性幻灯片PPT
lnV12lnVV*
12V/V*V2VV*/ ReV V/2V*
又
V 2 im coc s2 o n s 2 s2 i/ nc2 o n s 2
2
m s2 i n ic2 o n s 2
13
令：
1n2 M1iM2
V V*02iM m 1M 1iM i2M 22
QReV V/2V* 0M 212m M M 222 与书上结果：Q 2 m 2M M 1 2 M 2 2略有不同！
7
海底沉积层
描述：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。
声切速变：波c沉速s 积度层中两有种压。缩波速度〔声速c〕 和
衰减系数〔dB/m〕 Kf m
K为常数；f为频率，单位kHz；m为指数，
通常取1
海底声反射损B失L20lgpr 20lgV 定义：反射声振幅相对p入i 射声振幅减小的分贝
动的现象。根本在水平方向上流动，流速较快， 呈长带状。其边缘将海洋分成物理性质差异很 大的水团的锋区，对声波传播影响较大。 深水散射层 描述：海洋中某些深度上水平聚居的生物群。 随着昼夜上下移动，同时也随纬度和季节变化。 由于气囊的共振散射，它会产生很大的混响背 景〔体积混响的主要来源之一〕。
Q
,0
20lnV
lnV0
con,s t
2
11三参数： 、 lnV0 Nhomakorabea、 Q参数计算
1〕 的计算
arccnos
nc1/c2
2〕V0的计算
V0
mn mn
3〕Q的计算
m 2 1
Q
lnV
0
Vmcosi i sin2i n2 mcosi i sin2i n2
海洋中的声光传播
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2.2海-气交界面的光学性质
入射到海水表面的光，一部分被反射回空气中，一部分 折射到海中。光在海面的反射和折射遵从光的反射定律 和折射定律。
海面受到风作用时产生随机起伏，这种风生的海面 斜率的随机分布属于高斯分布，故海面的均方斜率 和风速成正比。在太阳高度较小或观察角较大的情 况下，当风速增加时，海面均方斜率的增加使海面 平均入射角减小，导致海面平均反射系数减小。在 太阳高度较大或观察角较小的情况下，当风速增加 时，海面均方斜率虽然增加，但平均入射角变化不 大，因此海面平均反射系数几乎不随风速而变。
1 海洋声学
1.1 水声学与海洋声学的发展
水中的各种能量辐射形式中，以声波的传播性能为最好，在含有盐、气泡和浮游生物的海水中， 光波和电磁波的衰减都非常大。它们的传播距离较短，远不能满足人类在海洋活动中的需要。因 此，在水下目标探测、通讯、导航等方面均以声波做为水下唯一有效的辐射能。
发现过程： 第一次大战期间，由于德国的潜艇活动，约4000多艘同盟国舰船被击沉，这个数目相
根据弹性理论，纵向应力由切变和压缩应力组成，声 波对介质状态的扰动直接由压力变化引起；或者是由 于体积变化时相伴生的温度升、降所致。流体介质存 在粘滞性与导热性，介质因压缩变形而引起声能耗散 称为机械能耗散。动态压缩时，分子间的非弹性碰撞 使部分声能转变为热能，通常称这部分声吸收为由分 子过程引起的声吸收。
当于同盟国拥有舰船的三分之一，从而迫使同盟国集中很大力量去研究同潜艇做斗争的 手段。 1914年郎之万、康斯坦丁首先做成了电容(静电式)发射器和碳粒微音接收器。 1918年利用这样的发射和接收器，接收到来自海底的回波和于200m深处一块甲板的 回波。 同时，郎之万等人用石英晶体做成压电式发射器和接收器，并采用了刚研制成的真空管
2.2海-气交界面的光学性质
入射到海水表面的光，一部分被反射回空气中，一部分 折射到海中。光在海面的反射和折射遵从光的反射定律 和折射定律。
海面受到风作用时产生随机起伏，这种风生的海面 斜率的随机分布属于高斯分布，故海面的均方斜率 和风速成正比。在太阳高度较小或观察角较大的情 况下，当风速增加时，海面均方斜率的增加使海面 平均入射角减小，导致海面平均反射系数减小。在 太阳高度较大或观察角较小的情况下，当风速增加 时，海面均方斜率虽然增加，但平均入射角变化不 大，因此海面平均反射系数几乎不随风速而变。
1 海洋声学
1.1 水声学与海洋声学的发展
水中的各种能量辐射形式中，以声波的传播性能为最好，在含有盐、气泡和浮游生物的海水中， 光波和电磁波的衰减都非常大。它们的传播距离较短，远不能满足人类在海洋活动中的需要。因 此，在水下目标探测、通讯、导航等方面均以声波做为水下唯一有效的辐射能。
发现过程： 第一次大战期间，由于德国的潜艇活动，约4000多艘同盟国舰船被击沉，这个数目相
根据弹性理论，纵向应力由切变和压缩应力组成，声 波对介质状态的扰动直接由压力变化引起；或者是由 于体积变化时相伴生的温度升、降所致。流体介质存 在粘滞性与导热性，介质因压缩变形而引起声能耗散 称为机械能耗散。动态压缩时，分子间的非弹性碰撞 使部分声能转变为热能，通常称这部分声吸收为由分 子过程引起的声吸收。
当于同盟国拥有舰船的三分之一，从而迫使同盟国集中很大力量去研究同潜艇做斗争的 手段。 1914年郎之万、康斯坦丁首先做成了电容(静电式)发射器和碳粒微音接收器。 1918年利用这样的发射和接收器，接收到来自海底的回波和于200m深处一块甲板的 回波。 同时，郎之万等人用石英晶体做成压电式发射器和接收器，并采用了刚研制成的真空管
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辐射条件
描述：无穷远处没有声源存在时，其声场应具有 扩散波的性质——辐射条件
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9
奇性条件
均匀发散球面波在声源处存在奇异点，不满足波动 方程； 处理方法：引入狄拉克函数。 结论：非齐次波动方程包含奇性定解条件。
2 p 1 p 2 p 2 2 2 k 0 p r z z 0 2 r r z r r
应用分离变量法，令：
pr , z Rn r Z n z
n
College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University 13
6
2、定解条件
边界条件
绝对软边界(声压释放边界)——声压为零 不平整海面：
z x , y , t
1）第一类齐次边界条件：
px , y , , t z x , y , t 0
2）边界面上有压力分布：
px , y , , t z x , y , t ps
研究水下声传播的常用方法 波动理论 研究声信号的振幅和相位在声场中的变化 简正波(NM)模型、绝热简正波(Adiabatic)模型、耦 合简正波(Couple)模型 Kraken、Couple 射线理论 研究声场中声强随射线束的变化 BELLHOP、HARPO&EIGEN、RTPO（自研） PE、FFP、Multipath Extension WKB
混合边界条件——压力和振速线性组合 边界上密度或声速的有限间断——压力和法向质 点振速连续 关于连续的解释： 若压力不连续，质量加速度趋于无穷的不合理 现象； 若法向振速不连续，边界上出现介质“真空” 或“聚集”的不合理现象。
注意：上述边界条件只限制波动方程一般解（通解） 在边界上的取值
2、定解条件
定解条件 波动方程：给出声波传播所遵循的普遍规律 定解条件：声波传播所满足的具体条件 类型： 边界条件 辐射条件 奇性条件 初始条件
College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University
——第一类非齐次边界条件
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绝对硬边界——法向质点振速为零 1）平整硬质海底：
p z 0
z 0
2）不平整硬质海底：z x , y , t
College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University 4
1、波动方程
波动方程
由连续性方程、运动方程、状态方程得到波动方程
2 1 p 1 2 p 2 2 p 0 c t
2
本章主要内容
Snell折射定律和声线弯曲 声线轨迹 声线传播时间 线性分层介质中的声线图 聚焦因子 波动理论与射线理论的比较
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3
1、波动方程
波导模型
12
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简正波
由于声场的圆柱对称性，水层中声场满足柱坐标系下 的波动方程：
即：
1 p 2 p 2 r 2 k0 p 4A r r0 r r r z
密度均匀介质中的Helmholtz方程：
2 p k 2 x , y , z p 0
说明：上述赫姆霍茨方程是变系数的偏微分方程 ——泛定方程
College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University 5
经分离变量得到
d 2 Rn 1 dRn d 2Zn 2 2 k0 Z n (r ) ( z z0 ) Zn Rn 2 2 r dr r n dr dz
第3章 海洋中的声传播理论
波动方程和定解条件 波动声学基础
本章主要内容
波动方程和定解条件 波动声学基础 硬底均匀浅海声场 液态海底均匀浅海声场 射线声学的基本方程 射线理论的应用条件
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当求远离初始时刻的稳态解时，可不考虑初始条件
初始条件
College of Underwater Acoustic Engineering Harbin Engineering University
10
第四章 海洋中的声传播理论
波动声学基础
3、波动声学基础
硬底均匀浅海声场
声源 点源 r0 (0, z0 ) 水深：H 声速：c0 密度： 0 边界 自由海面 硬质平整海底
n u u x u y u z 0 x y
——第二类齐次边界条件 3）界面上有质点振速分布
ux u y u z us x y
——第二类非齐次边界条件
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