水声学-典型条件下的声场
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水声学原理 (2)
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4章典型传播条件下声传播
水声学
第4章 典型传播条件下声传播
22
4.2 表面声道（混合层声道）
1）声线和参数
跨度D：声线在海面相邻两次反射点之间的水平距离。
Dmax
c
Dmin
r
sm
s min
0m
z0
0 0
zm
0
H
z
D
水声学
第4章 典型传播条件下声传播
23
4.2 表面声道（混合层声道）
1）声线和参数
声线传播水平距离公式: sin s sin r a cos s 海面掠射角 s 声线的跨度D：
信号持续时间与距离成正比。
水声学 第4章 典型传播条件下声传播 31
4.2 表面声道（混合层声道）
2、表面声道截止频率
在表面声道中，入射平面波为从
海表面向下传播的声波，反射平面 波为经过反转点后由深度H向上传 播的波。 反射波与入射波之间的相移：
kzz1 TL 20lg R 20lg sin R
TL 60 lg R
kzz1 R M
R 2kzz1
M 1 , 2 ,
TL 40 lg R
( Fraunhofer 区)
水声学
第4章 典型传播条件下声传播
10
4.1 邻近海面的水下点源声场
r
sm
s min
0m
0 0
zm
最小跨度： Dmin
8z0 a
z0
0
H
z
D
水声学
第4章 典型传播条件下声传播
25
4.2 表面声道（混合层声道）
1）声线和参数
水声学复习提要
rR rn
距离r
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17
作业点评
第一章
给定水下声压 p 为100Pa，那么声强 I 是多大， 与参考声强 I r 比较，以分贝表示的声强级是多少？ （取声速C=1500m/s，密度为1000kg/m3）
解：声强：
被动声纳方程
SL - TL -（NL - DI）=DT
SL—噪声源 无TS 背景干扰为环境噪声和舰船自噪声
声纳方程的应用
基本应用
声纳设备性能预报 声纳设备设计
College of Underwater Acoustic Engineering HEU 5
第二章 海洋的声学特性
可以解得声场的解析解； 不易处理复杂边界条件； 易于加入源函数； 计算复杂；
射线理论
只能解得声场的近似解； 易于处理复杂边界条件； 物理意义简单直观； 不能处理影区、焦散区；
适用于低频远距离浅海。
适用于高频近距离深海。
15
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16
作业点评
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 曲线，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 rR rn 要干扰。如下图， 所以混响是主要干扰。
声信号级 回声信号级 混响掩蔽级 噪声掩蔽级
作业点评
第一章
什么是声纳？声纳可以完成哪些任务？ 请写出主动声纳方程和被动声纳方程？在声纳方程 中各项参数的物理意义是什么？ 声纳方程的两个基本用途是什么？ 环境噪声和海洋混响都是主动声纳的干扰，在实际 工作中如何确定哪种干扰是主要的？
第4章典型传播条件下声传播
z12 1 2 R
zz1 1 2 R
水声学
2 zz1 zz1 zz1 jkR p 2 cos k j sin k e R R R R
2 zz1 p sin k R R
第4章 典型传播条件下声传播 6
4.1 邻近海面的水下点源声场
2、声压振幅随距离的变化
（1 ）
kzz1 RN 1 N 2
N 0 ,1, 2 ,
2 声压取极大值 p ，且是单个点源的两倍。直 RN
达声与海面反射声同相叠加。
水声学
第4章 典型传播条件下声传播
7
4.1 邻近海面的水下点源声场
2、声压振幅随距离的变化
S1 (0,-z1) o S (0,z1) z R x R2
根据镜反射原理引入虚
源S1。P点接收声压：
1 jkR1 1 jkR2 p e e R1 R2
水声学
R1
P(x,y,z)
第4章 典型传播条件下声传播
3
4.1 邻近海面的水下点源声场
1、波动表示方法
从射线声学的角度来讲，接收点是由直达声线 和海面反射系数为-1的反射声线叠加。
第4章 典型传播条件下声传播 28
4.2 表面声道（混合层声道）
2）传播时间
跨度
D s 的传播时间：
1 sin s 2 s 1 2 1 4 1 t ln s 1 s c0 a 1 sin s c0 a 6 24
假设声源与接收器靠近海面，则由源到接收器N 次循环的声线的总传播时间近似为：
a cos s
一般来说在表面声道传播的声线掠射角都是小量， 近似可得：
水声学
鱼雷和水雷
• 是目前水下作战的主要兵器
• 鱼雷多种多样
• • • • 制导方式 投放方式 爆炸方式 超高速
• 水雷多种多样
• • • • 引爆引信 布放方式 主动攻击水雷 水鱼雷
• 水下作战的主要手段
• 潜艇、鱼雷、水雷、蛙人等
• 水下战的主要内容
• 潜艇战与反潜战 • 鱼雷攻击与防护 • 水雷战与反水雷
?拥有常规潜艇数量最多的国家在我们亚洲朝鲜拥有60艘?二战期间潜艇共击沉作战舰艇381艘其中战列舰3艘航空母舰17艘巡洋舰32艘驱逐舰122艘还有其它作战舰艇207艘击沉各种运输船5000余艘?二战中各种舰艇共击沉航空母舰38艘仅潜艇就击沉17艘就击沉艘?被潜艇击沉的潜艇80艘?在第二次世界大战中德国u47号潜艇于1939年10月潜入英国位于苏格兰北部的海军基地在港内击沉了英国的排水量达33000多吨的大型战列舰皇家橡树号创造了军事史上的奇迹?美国是世界上潜艇技术领先数量最多的国家共拥有潜艇70余艘全部为核部为核动力潜艇其中战略导弹核潜艇近20艘攻击型核潜艇50余艘美国美国最新核动力攻击潜艇海狼号俄罗斯?俄罗斯的弹道导弹核潜艇共发展了四代分别为台风级didiidiv级目前在役的有17艘台风级弹道导弹核潜艇是世界上排水量最大的核潜艇其水下排水量26500吨航水下航速26节可携带1620枚ssn23或ssn20型弹道核导弹每枚可携载10个分弹头射程可达900010000公里俄罗斯d级弹道导弹核潜艇英国个拥有核武器的国家英国的核力量全部为海基目前拥有战略导弹核潜导弹核潜艇4艘每艘可携带16枚三叉戟弹道核导弹每枚可携载14枚分弹头射程达12000公里?英国是世界上第三英国最新战略核潜艇警戒号法国?法国海军的战略导弹核潜艇有三代第一代无畏级第二代不屈级第三代胜利级
南海深海典型海深环境下声场分析
式中，c 为声速，f为温度，s 为盐度，A 为深度。 数 据 选 取 2003~2007年 1 月 份 （冬 季 ）的历史
数据平均值，三个位置处的声速剖面（Sound Speed Profile，SSP)如图2〜4所示，分 别 代 表 了 约 1500 m 、 2500 m 和 4500 m 的典型海深情况。从声速剖面看， 三处声速剖面结构较为相似，主 要 包括以下几点：
Y
CQp/Y/运
7O 8o
荦
把
9o
S0
30 60 90 120 150 180
扑 离 /k m
( a ) 位置①
昨 與 /k m
( b ) 声源 300 m 图 7 传 播 损 失 二 维 图 （位 置 ③ ）
对 比 图 7 (a) 和 图 6 (a ) 可以发现，位置③处 己经初具会聚区现象，海表面附近会聚信号区宽度 较大，可利用性提高；对 比 图 7 (b ) 和 图 6 (b ) 可以发现，位 置 ③ 处 300 m 深声源信号可形成较完 整的会聚区，从而其声影区结构也较为明显。
4 总结
围越小。 (4) 海 深 2500 m 情况下，近场探测范围较小，
第 一 会 聚 区 （声线反转与海底反射同时存在）可探 测范围很大，可 达 20 k m 以上；
( 5 ) 海 深 4000 m 以上时，近场探测范围较小， 第 一 会 聚 区 探 测 范 围 也 不 大 ，对装备探测深度提出 了较高的要求。
图 4 位 置 ③ 的 SSP
2 声场分析
利用声场射线模型，对三处典型海深环境进行声传 播分析，并总结其声场特征规律。仿真频率取1000 H z 。 2. 1 海 深 1500 m
针 对 深 海 水 下 目 标 ，其 工 作 深 度 通 常 较 大 ，本 文 以 100 m 、300 m 作为典型目标深度进行分析， 分别仿真不同深度下的传播损失结构，如 图 5 所示， S S P 见 图 2 。从仿真结果看，在位置①，当声源较 浅 时 （S l O O m 的情况），表面声道作用明显，声信 号 除 了 与 海 底 海 面 反 射 外 ，存 在 一 部 分 沿 表 面 声 道 传 播 的 声 能 量 。仿 真 结 果 表 明 ，表面声道 的 传播距 离较远，若 以 80 d B 的传播损失为参考，表面声道 传 播 距 离 可 达 20 k m 以上。深海表面声道传播可用 30
水声学第一章 绪论
水声学的学习方法一点建议
• 与海洋学紧密结合 • 深入掌握声纳方程 • 注重理论联系实践
第一章 绪论 下半部
第一章 绪论 下半部
声纳及其工作方式（了解） 声纳参数（重点） 声纳方程（重点） 组合声纳参数（了解） 声纳方程的工程应用及限制（了解）
1 声纳及其工作方式
声纳（Sonar—Sound Navigation and Ranging）： 利用水下声信息进行探测、识别、定位、导航和通讯 的系统。
ATOC-海洋气候声层析
ATOC实验-低频声源
ATOC实验-声波传播路径
2、水声学发展简史
2.1 水声学发展历史
• 水声学起源 1490年，达.芬奇摘记中提出用长管听远处
航船
• 水声学第一次定量测量 1827年，瑞士物理学家
D.Colladon 和法国数学家 C.Sturm合作，在日内瓦湖测
量了水中的声速。
2.1 水声学发展历史
The first working sonar system was designed and built in the United States by Canadian Reginald Fessenden in 1914. The Fessenden sonar was an electromagnetic moving-coil oscillator that emitted a lowfrequency noise and then switched to a receiver to listen for echoes. It was able to detect an iceberg underwater from 2 miles away, although with the low frequency, it could not precisely resolve its direction.
水声学原理第五章3
七、深海负跃层
声线折射后，介质中的声强如何变化？ 经跃变层的传播损失：
TL 10 lg
I上 sin 10 lg I下 sin 0
TL 0
分析：
c1 c2
sin 0 sin
结论：声波经过负跃层引起声能损失。 举例：当 c2 c1 0.97 （相当水温有10℃以上变化），声 源处掠射角 0 2 时，传播衰减 相当于声
二、深海声道的典型声速分布
线性声速分布模型
H zH c0 cz c0 1 a2 z H z H c 1 a z H z H 1 0
c0 1 a2 z z 0 c z c0 1 a1 z z 0
4
一、深海声道概述
SOFAR：SOund Fixing And Ranging——声学定位和 测距。利用深海声道效应可以有效地定位和测距。通常利 用若干水声接收基阵来测量爆炸声信号的到达时间，来确 定爆炸点的位置和距离。例如进行大地测量、确定导弹溅 落点的位置。
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•会聚区宽度 •与会聚区序号有关
会聚增益：会聚区声强与球面扩展声强之比
G I 4r W 4r 2 r
声强异常：会聚增益的分贝值，即
A 10 lg G
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三、声道信号的基本特征
会聚区和声影区 声强异常：为球面波损失高于会聚区损失的分贝数。
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《水声学》部分习题答案
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，
rR<rn，所以混响是主要干扰。
声信号级
回声信号级
混响掩蔽级
噪声掩蔽级
rR rn
距离r
6 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
水声工程学院
8
水声学课程组
哈尔滨工程大学国家级精品课程——《水声学习题集参考答案》
解：早晨时声呐作用距离远，因为此时可能存在表面声道，而下午一般不会形成 表面声道。即使不出现表面声道时，早晨的负梯度也小于下午的负梯度，所以早 晨的作用距离远于下午，这就是下午效应。 9 画出深海声道声速分布，应用射线理论说明声波在深海声道中远距离传播的
7
水声学课程组
哈尔滨工程大学国家级精品课程——《水声学习题集参考答案》
第 4 章 典型传播条件下的声场
1 邻近海面的水下点源声场中的声压振幅随距离变化具有哪些规律？ 2 表面声道的混合层中的声线传播具有那些特点？ 3 什么是反转深度？什么是临界声线和跨度？ 4 什么是会聚区和声影区？二者之间声强大小如何？会聚增益是如何定义的？
声线曲率半径 R = c0 ，所以水平传播距离 g
x = R 2 − (R − d )2 = 2Rd − d 2
水声工程学院
6
水声学课程组
哈尔滨工程大学国家级精品课程——《水声学习题集参考答案》
一般情况下，声速垂直梯度 g 为远小于 1 的量 所以曲率半径较水深大得多 x ≈ 2Rd = (2c0d / g)1/ 2
解：1）声速绝对梯度 g = dc = 1500 −1450 = −0.5s −1
(整理)《水声学》课程配套习题参考答案.
《水声学》部分习题参考答案绪论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 。
第一章 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。
2 略3 略第二章 海洋声学特性1 海水中的声速与哪些因素有关？画出三种常见的海水声速分布。
解：海水中的声速与海水温度、密度和静压力（深度）有关，它们之间的关系难以用解析式表达。
CCC2 略3 略4 略5 略6 声波在海水中传播时其声强会逐渐减少。
（1）说明原因；（2）解释什么叫物理衰减？什么叫几何衰减？（3）写出海洋中声传播损失的常用TL 表达式，并指明哪项反映的主要是几何衰减，哪项反映的主要是物理衰减；（4）试给出三种不同海洋环境下的几何衰减的TL 表达式。
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p min 2zz1 / RM3 ：直达声与海面反射声反相叠加。
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Acoustic Engineering
HEU
一、邻近海面的水下点源声场
• 解的表示
• 声压振幅随距离的变化
p
2 R
zz1 R2
cospk
zz1 2 sjisninkk R R
zzRzRz11e jkR
R College of Underwater
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Acoustic Engineering
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二、表面声道
• 表面声道声线参数 ：表面声道如何形成？有何特征？
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Acoustic Engineering
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二、表面声道
• 声道的“线性”模型和声传播 • 声速模型
0、第四章小结
• 射线声学 • 恒定声速梯度下声线水平传播距离求解 • 曲率半径和平面几何法 • 已知掠射角时的传播距离公式 • 已知深度时的传播距离公式 • 声线图绘制 • 聚焦因子物理意义
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Acoustic Engineering
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一、邻近海面的水下点源声场
cz cs 1 az , 0 z H , a 0
由Snell定律知：
csc0 cH c
c0 cs 1 az0
cH cs 1 aH
z0
z0
cos 0 cos s cos cos H
c0
cs
c
c CollegHe of Underwater z
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Acoustic Engineering
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一、邻近海面的水下点源声场
• 解的表示
• 声压振幅随距离的变化
p
2 R
zz1 R2
cospk
zz1 2 sjisninkk R R
zzRzRz11e jkR
•
当
RM
k zz1， M
M
时，声压取极小值
1, 2,
• 解的表示 • 声压振幅随距离的变化
R0
2k zz1
：
菲涅耳区 夫朗和费区
• 近场菲涅耳区声压振幅起伏变化，远场夫朗和费区 声压振幅单调变化；
• 对于非均匀声速分布，上述干涉现象仍然存在。
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Acoustic Engineering
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一、邻近海面的水下点源声场
• 第二类齐次边界条件（绝对硬）
• 边界上密度或声速的有限间断（压力和法向振速连续 ）
• 波动声学
• 简正波临界频率
• 波导截止频率
• 简正波的特征
• 简正波相速度
• 简正波群速度
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Acoustic Engineering
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0、第四章小结
• 射线声学
• 基本物理量的描述
• 解的表示 • 声压振幅随距离的变化
p
1 R
1
z12 2R2
zz1 R2
e jkzz1
R
1
z12 2R2
zz1 R2
e jkzz1
R
e
jk
Re
j
z12
2R
则：
p
2 R
zz1 R2
cos k
zz1 R
j sin k
zz1 R
e jkR
声压振幅近似为：
p 2 sin k zz1 R R
HEU
一、邻近海面的水下点源声场
• 非绝对反射海面下的声场 • 解的表示
此处不是1而是
p
1
jk R zz1
e R
jk R zz1
e R
R
R
• •
声压振幅：
p
传播ห้องสมุดไป่ตู้失：
1 R
1
2
2
cos
2kzz1 R
1
2
TL
20 lg
R
10 lg
1
2 2 cos 2kzz1
第五章 典型传播条件下的声
场
第十一讲 邻近海面的水下点源声场及表面声 道
本讲主要内容
• 第四章小结 • 邻近海面的水下点源声场 • 表面声道声线参数
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0、第四章小结
• 定解条件
• 第一类齐次边界条件（绝对软）
• 射线声学
• 声线、声线的传播时间、传播距离、声能量
• 平面波、球面波的声线图
• 程函方程
• 声线声学的应用条件
• Snell折射定律
• 恒定声速梯度下声线轨迹方程求解
• 一般采用曲率半径，结Co合lleg平e of面Un几derw何ate的r 方法
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Acoustic Engineering
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• 解的表示
靠近海面有一点源在S点，接收点在P点，求接收点P
处的声压。将海面视为绝对软的平面，根据镜反射原理引
入一个虚源S1
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Acoustic Engineering
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一、邻近海面的水下点源声场
• 解的表示
p 1 e jkR1 1 e jkR2
：这里利用平面声波R1 的反射R系2 数代替球面波的反射系 数，对于平整海面来说是正确的。
• 声压振幅随距离的变化
R1
R2
z z12
R1
z12 2R2
zz1 R2
R2
R2
z
z1 2
R1
z12 2R2
zz1 R2
(1 z) 1z ( 1)( n 1) zn
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Acoustic Engineering
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一、邻近海面的水下点源声场
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Acoustic Engineering
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一、邻近海面的水下点源声场
• 解的表示
• 声压振幅随距离的变化
p 2 sin k zz1
•
当
RN
kzz1 ， N 1
时，声压R取极大 R
N 0,1, 2,
2
值，且幅度为单个点源的两倍。
：直达声与海面反p射m声ax 同2相/ R叠N 加。
• 传播损失
• 定义： • 近场
TL
20
lg
R
20
lg
s
in
kzz1 R
• •
当
R 当
k zz1
/ ( N
1 )时：
2 时：
• 远场 R kzz1 /(M )
TL 20lg R TL 60lg R
R 2k zz1
TL 40lg R
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Acoustic Engineering
• 近场菲涅耳（Fresnel）干涉区向远场夫朗和费（Fr
aunhofer）区过渡点，即
：
max( RN , RM )
• 当 R 2k zz1时，声R0压振2k幅zz1为
p 2kzz1
R2
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一、邻近海面的水下点源声场