第2章 海洋中声场的基本理论
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《水声学》部分习题答案
《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。
华北理工水声学讲义02海洋的声学特性
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。
海洋声场建模与仿真技术研究
海洋声场建模与仿真技术研究一、引言海洋，占据着地球表面的约 71%，是一个充满神秘和未知的领域。
在海洋研究中，海洋声场建模与仿真技术作为一种重要的手段，为我们深入了解海洋的声学特性和物理过程提供了有力的支持。
海洋声场是指海洋中声波传播所形成的物理场，它受到海洋环境的多种因素影响，如海洋的深度、温度、盐度、海底地形、海洋生物等。
因此，准确地建模和仿真海洋声场对于海洋声学研究、海洋资源开发、海洋环境保护以及军事应用等领域都具有重要的意义。
二、海洋声场建模的基本原理海洋声场建模的核心是基于声波传播的物理规律。
声波在海洋中的传播可以用波动方程来描述，常见的有亥姆霍兹方程和抛物方程。
亥姆霍兹方程适用于描述小范围、高频的声波传播，而抛物方程则更适合处理大范围、低频的情况。
在建模过程中，需要考虑海洋介质的物理特性，如声速分布。
声速在海洋中并非均匀分布，而是受到温度、盐度和压力等因素的影响。
通常通过经验公式或者现场测量来获取声速的分布情况。
另外，海底地形也是影响海洋声场的重要因素。
海底的粗糙度、坡度和地质结构都会对声波的反射、折射和散射产生影响。
三、海洋声场仿真的方法（一）有限元法有限元法是一种将连续的求解域离散为有限个单元的数值方法。
通过对每个单元进行分析，然后将结果组合起来得到整个求解域的近似解。
在海洋声场仿真中，有限元法可以有效地处理复杂的边界条件和介质特性。
（二）边界元法边界元法是基于边界积分方程的数值方法，它只需要对边界进行离散化，从而减少了计算量。
对于具有规则边界的问题，边界元法具有较高的计算效率。
（三）射线理论法射线理论法将声波传播视为射线的传播，通过追踪射线的路径来计算声场。
这种方法在处理长距离传播和高频问题时具有一定的优势，但对于复杂的介质和边界条件适应性较差。
四、海洋声场建模与仿真中的关键技术（一）海洋环境数据的获取与处理准确的海洋环境数据是建模与仿真的基础。
这包括海洋的温度、盐度、深度、海底地形等数据的测量和收集。
第2章海洋的声学特性
声速梯度。
在主跃变层（负）和深海 等温层（正）之间，有一 声速极小值—声道轴。
水声学 第2章 海洋的声学特性 18
2.1 海水中的声速
请解释一下深海声速梯度分布？
水声学
第2章 海洋的声学特性
19
2.1 海水中的声速
2）海水中声速的基本结构
温度的季节变化、日变化和纬度变化：
（1）季节变化： 百慕大海区温度随月份的变化情况，夏季既有表面 等温层，又有表面负梯度层；冬季有很深的表面混合 层。季节变化对海洋深处的温度影响较小。
水声学 第2章 海洋的声学特性
dB
33
2.2 海水中的声吸收
2）球面波的扩展损失
在理想介质中，沿r方向传播简谐球面波声压：
p0 p expit kx r
2 I p0 r2
传播损失为：
TL1 10lg I r I 1 20lg r
dB
水声学
第2章 海洋的声学特性
水声学
c0
Zm
c
c0
c
Zm
Z
Z
第2章 海洋的声学特性
26
2.1 海水中的声速
4）声速垂直分布分类 表面声道（混合层声道）声速分布： 特点：在某深度处有一声速极大值。 形成原因：在秋冬季节，水面温度较 低，加上风浪搅拌，海表面层温度均 匀分布，在层内形成正声速梯度分布。
Z
Zm
ch c
水声学
第2章 海洋的声学特性
2.1 海水中的声速
3、海水中声速变化
1）海水中声速的垂直分层性质 实测海洋等温线和等盐度线几乎是水平平行的， 在不同深度上取不同的值。温度、盐度和静压力均
具有水平分层和随深度变化的特性，所以声速具有
海洋中的声传播理论详解课件
THANKS
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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
水声学-海洋中的声传播理论2
N
2
均为实数时， 当 Z n 和 ζ n 均为实数时，上式等于 N 2π 2 2 TL = −10 lg ∑ Z n (z0 )Z n ( z ) + ζ r n =1 n
n≠ m
∑r
N
4π
ζ nζ m
Z n (z0 )Z n ( z )Z m ( z0 )Z m ( z )e
− j (ζ n −ζ m )r
∑
n =1
N
− j ζ nr − 2π sin (k zn z )sin (k zn z0 )e 4 ζ nr
π
College of Underwater Acoustic Engineering HEU
4
一、波动声学基础
硬底均匀浅海声场 截止频率： 截止频率： 临界频率： 临界频率：最高阶非衰减简正波的传播频率
nπ k zn = , n = 0,1, L H
College of Underwater Acoustic Engineering HEU 6
0≤ z≤H
一、波动声学基础
硬底均匀浅海声场 相速和群速： 相速和群速： 相速： 相速：等相位面的传播速度 等相位面： 等相位面：ζ n r − ωt = const
College of Underwater Acoustic Engineering HEU 5
1 πc0 ωN = N − 2 H
一、波动声学基础
硬底均匀浅海声场 截止频率： 截止频率： 对于上下界面均为绝对硬界面的平面波导 绝对硬界面的平面波导， 对于上下界面均为绝对硬界面的平面波导，最低阶 简正波为零阶简正波，截止频率为零 简正波为零阶简正波，截止频率为零，任何频率的 声波均能在波导中传播； 声波均能在波导中传播； 若声波频率小于一阶简正波的截止频率， 一阶简正波的截止频率 若声波频率小于一阶简正波的截止频率，则波导中 只有均匀平面波 均匀平面波一种行波 只有均匀平面波一种行波 Z n ( z ) = An sin (k zn z ) + Bn cos(k zn z )
2
均为实数时， 当 Z n 和 ζ n 均为实数时，上式等于 N 2π 2 2 TL = −10 lg ∑ Z n (z0 )Z n ( z ) + ζ r n =1 n
n≠ m
∑r
N
4π
ζ nζ m
Z n (z0 )Z n ( z )Z m ( z0 )Z m ( z )e
− j (ζ n −ζ m )r
∑
n =1
N
− j ζ nr − 2π sin (k zn z )sin (k zn z0 )e 4 ζ nr
π
College of Underwater Acoustic Engineering HEU
4
一、波动声学基础
硬底均匀浅海声场 截止频率： 截止频率： 临界频率： 临界频率：最高阶非衰减简正波的传播频率
nπ k zn = , n = 0,1, L H
College of Underwater Acoustic Engineering HEU 6
0≤ z≤H
一、波动声学基础
硬底均匀浅海声场 相速和群速： 相速和群速： 相速： 相速：等相位面的传播速度 等相位面： 等相位面：ζ n r − ωt = const
College of Underwater Acoustic Engineering HEU 5
1 πc0 ωN = N − 2 H
一、波动声学基础
硬底均匀浅海声场 截止频率： 截止频率： 对于上下界面均为绝对硬界面的平面波导 绝对硬界面的平面波导， 对于上下界面均为绝对硬界面的平面波导，最低阶 简正波为零阶简正波，截止频率为零 简正波为零阶简正波，截止频率为零，任何频率的 声波均能在波导中传播； 声波均能在波导中传播； 若声波频率小于一阶简正波的截止频率， 一阶简正波的截止频率 若声波频率小于一阶简正波的截止频率，则波导中 只有均匀平面波 均匀平面波一种行波 只有均匀平面波一种行波 Z n ( z ) = An sin (k zn z ) + Bn cos(k zn z )
海洋技术专业声学基础知识点总结
海洋技术专业声学基础知识点总结示例文章篇一：《海洋技术专业声学基础知识点总结》嘿，大家好呀！今天我想和大家聊聊海洋技术专业里超级有趣的声学基础知识点。
我呀，就像一个在知识海洋里探险的小水手，在这个声学的小岛上发现了好多宝藏呢。
声学在海洋技术里那可是相当重要的。
就好比在一个超级大的黑暗森林里，声学就是我们的眼睛和耳朵。
海洋那么大，又那么深，黑乎乎的海底世界，要是没有声学，我们就像盲人摸象一样，啥都搞不清楚。
咱们先来说说声音在海洋里是怎么传播的吧。
声音在海洋里传播就像小水滴在荷叶上滚动一样，不过要复杂得多。
海水可不是均匀的，它有温度、盐度还有压力的变化。
这些变化就像路上的小石子，会让声音这个小皮球弹来弹去。
比如说，温度高的海水，声音跑起来就像小兔子一样快；温度低的呢，声音就慢悠悠的，像个小蜗牛。
盐度也会影响声音传播的速度，就像不同的赛道对小赛车的速度有影响一样。
压力也来捣乱，越深的地方压力越大，声音传播速度又不一样啦。
在海洋里，还有一种很神奇的现象叫声道轴。
这就像海洋里的一条秘密通道。
在这个声道轴附近，声音可以传播得特别远。
我就想啊，这声道轴是不是海洋给声音开的一条特殊的高速公路呢？在这条高速公路上，声音就可以欢快地奔跑，把信息带到很远很远的地方。
然后咱们再讲讲海洋里的那些声学设备。
有一个很厉害的东西叫水听器。
水听器就像是海洋的小耳朵，它静静地待在海里，专门听那些声音的小秘密。
我想象水听器就像一个超级灵敏的小侦探，任何一点声音都逃不过它的耳朵。
比如说鲸鱼唱歌的声音，海豚互相聊天的声音，还有那些神秘的海底火山爆发的声音，水听器都能把它们捕捉到。
还有声呐呢，声呐可就更酷了。
它就像海洋里的手电筒，不过这个手电筒不是照亮黑暗，而是用声音来探测周围的东西。
声呐发射出声音，然后等着声音碰到东西反射回来。
就像我们在一个黑暗的大房间里，扔出一个小皮球，然后根据小皮球弹回来的方向和时间，就能知道房间里有什么东西啦。
有一次我在书上看到，科学家们用声呐发现了一艘超级古老的沉船，哇，那一刻我觉得声呐就像一个魔法棒，一下子把隐藏在海底的宝藏给找出来了。
《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
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，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。
华北理工水声学课件02海洋的声学特性-2海底海面声学特性和海洋内部不均匀性
湍流
描述：流体流经固体表面或是流体内部出现的一种 不规则运动。它是一种随机运动的旋转流。
它形成海水中温度和盐度的细微结构变化，引起声 速的微结构变化。
内波
描述：两种不同密度液体在其叠合界面上所产生的 波动。
波长可达几十公里到几百公里，波高从10米到100 米。
对低频、远距离的声传播信号有重大影响。
12
注意：实际海底存在吸收，可将海底声速视为复数，此 时不会发生全内反射。按照书上的方法计算：
ln
V
1 2
ln VV*
1 2
V
/ V * V
V2
V *
/
Re
V
V
/ V
2
*
又
V
2imcos cos2 n2 sin2 / msin2 i cos2 n2
cos2 n2
2
13
令：
1 n2 M1 iM2
V
V*
0
2imM1 iM2
M1 iM2 2
Q
Re
V
V
/
2
V
*
2mM2
0
M12
M
2 2
与书上结果：Q
2mM 2
M
2 1
M
2 2
略有不同！
注意：三参数模型可用于分析海洋中声场的平均结构
14
2、海面声学特性
海面波浪
周期性——周期、波长、波 速和波高等量描述其特征；
18
海流
描述：海水从一个地方向另一个地方作连续流动的 现象。基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：流体流经固体表面或是流体内部出现的一种 不规则运动。它是一种随机运动的旋转流。
它形成海水中温度和盐度的细微结构变化，引起声 速的微结构变化。
内波
描述：两种不同密度液体在其叠合界面上所产生的 波动。
波长可达几十公里到几百公里，波高从10米到100 米。
对低频、远距离的声传播信号有重大影响。
12
注意：实际海底存在吸收，可将海底声速视为复数，此 时不会发生全内反射。按照书上的方法计算：
ln
V
1 2
ln VV*
1 2
V
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V2
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2imcos cos2 n2 sin2 / msin2 i cos2 n2
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13
令：
1 n2 M1 iM2
V
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V
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0
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M
2 2
与书上结果：Q
2mM 2
M
2 1
M
2 2
略有不同！
注意：三参数模型可用于分析海洋中声场的平均结构
14
2、海面声学特性
海面波浪
周期性——周期、波长、波 速和波高等量描述其特征；
18
海流
描述：海水从一个地方向另一个地方作连续流动的 现象。基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
第2章 海洋中声场的基本理论
dR / ds e
并且
ds
dR
W ne
R
R dR
将上式对 s 求导有：
哈尔滨工程大学 硕士学位课程 水声学原理 16
2.1 海洋中声场的射线理论
• 三维折射
– 程函方程：
R0
R
s
d ne d W e W n 1 W W ds ds 1 2 1 2n W 2n n 2 n
e cos , 0, sin
d n cos n ds x
d n sin n ds z
对上式沿着声线轨迹积分有
哈尔滨工程大学 硕士学位课程
n cos
s 0
n cos cos 0 水声学原理
s
0
n ds x
21
2.1 海洋中声场的射线理论
– 此时声场也能够用声波速度势函数来表示 ：
v
– 将上式代入欧拉方程有：
p / t
哈尔滨工程大学 硕士学位课程 水声学原理 6
2.1 海洋中声场的射线理论
• 密度均匀介质中的波动方程
– 对于简谐波，由波动方程可得到Helmholtz方程 ：
2 p k 2 p 0
dS 2r r sin d1 1
水声学原理 10
哈尔滨工程大学 硕士学位课程
2.1 海洋中声场的射线理论
• 声强、聚焦因子和焦散
– 声源辐射声功率为W，则管束中传播的声功率为
dW W / 2cos 1d1
– 声强为：
dW I dS
W cos 1 r 4r sin 1
• 声强、聚焦因子和焦散
– 两条声线在某一点相交，声场出现振荡现象，这是声 线干涉引起的结果，对应t<0。 – 在焦散线的下方，这类声线都无法到达，形成声场的 影区，对应t>0。
水声学基础第二章
2021/2/21
Z
27
2.1 海水中的声速
声速垂直分布分类 浅海常见声速分布:
c
特点: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。
反声道声速分布与浅海常见 Z
声速分布有何不同？
2021/2/21
28
2.2 海水中的声吸收
1、传播损失概述
声波传播的强度衰减（传播损失）原因:
海洋中声速的基本结构 浅海声速剖面:
浅海声速剖面分 布具有明显的季节特 征。在冬季,大多属于 等温层的声速剖面,夏 季为负跃变层声速梯 度剖面。
2021/2/21
22
2.1 海水中的声速
海水温度起伏变化
• 描述海洋声速变化粗略近似:将温度和声速看成不随 时间变化,只随深度变化; • 等温层是宏观而言,微观而言温度随时间起伏变化。 • 温度起伏在下午和靠近海面最大。 • 温度起伏原因多种多样:湍流、海面波浪、涡旋和海 中内波等因素。
2021/2/21
23
2.1 海水中的声速
声速描述 在水声学中,经常将声速表示成为确定性的声速垂
直分布与随机不均匀声速起伏的线性组合:
cczc
2021/2/21
24
2.1 海水中的声速
声速垂直分布分类 深海声道声速分布:
特点:在某一深度
处有一声速最小
Zm
值。
c0 c
Zm
Z
Z
2021/2/21
c0 c
吸收系数
在介质中,声吸收和声散射引起的声传播损失经常
同时存在,很难区分开来。
假设平面波传播距离dx后，由于声吸收而引起声
强降低dI，则
dI2Idx
IxI0e2x
海洋声学基础讲义-吴立新精编版
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。
水声场
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。
海洋的声学特性课件
声呐技术有多种类型，包括主 动声呐和被动声呐，以及用于 不同探测目的的特殊声呐。
声学多普勒测流技术
声学多普勒测流技术是一种利用声波测量水流速度和方向的无损测量技术 。
该技术基于多普勒效应原理，通过测量声波在水流中的频率变化来推算水 流的速度和方向。
声学多普勒测流技术广泛应用于海洋学、河流水文学等领域，为研究水流 动力学和环境变化提供了重要手段。
声学温度测量技术
声学温度测量技术是一种利用声 波测量水下温度场的方法。
该技术通过测量声波在水中传播 的速度，结合已知的声速与温度 之间的关系，推算出水下的温度
分布。
声学温度测量技术对于研究海洋 热力学、气候变化等领域具有重
要意义。
海洋声学测量技术的发展趋势
海洋声学测量技术不断发展，未来将朝 着高精度、高分辨率、高效率的方向发 展。
在海洋考古研究中的应用
声波成像
利用声波成像技术探测海底沉船、古迹等文化遗产，为海洋考古研究提供新的 方法和手段。
声学测年
通过测量海底沉积物的声学特性，确定沉积物的年代和历史，为海洋历史和考 古研究提供重要依据。
05
未来展望与挑战
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
20世纪初
声呐技术开始应用于军事领域。
20世纪中叶
声学在海洋资源探测和环境监测方面 的应用逐渐普及。
21世纪
高分辨率和高灵敏度声学技术的发展 ，推动了海洋声学研究的深入。
海洋声学的研究意义
促进海洋科学的发展
声学技术为海洋科学研究提供 了重要的工具和方法。
保障国家安全
军事应用领域的声呐技术对于 国家安全具有重要意义。
在海洋环境监测中的应用
第二章 声波在海水中传播损失
海底也存在声波的反射和散射现象，有跟海面相似的因素，但由于海底不同的成分和多层结构，其作用更加复杂。海底的成分存在岩石、泥砂等各种物质，各种物质对声波作用差别很大。海底的密度可以逐渐变化，也可以发生突变，所有这些都是海底具备而海面可以不加考虑的因素，所以海底的反射损失比海面更加难以估计。
2.3声波在海水中传播衰耗计算
根据前面的介绍，浅海信道损耗包括：扩展损耗、吸收损耗、边界损耗、还有一些附加损耗像海洋背景噪声等。因此计算总损耗的公式一定要包括上面几项：
信道损耗=扩展损耗+吸收损耗+边界损耗+附加损耗。
定义距离
， (2.2.12)
其中H为海水深度，为浅海表面的混合层深度(m)。则有：
(2.1.2)
如果只考虑介质空间中某确定两点间的传输损耗，计算公式一般采用：
(2.1.3)
式中、分别表示声波经过1、2两点时的声强。
对于信号传播损失的瞬时度量，一般采用能流密度之比，即
(2.1.4)
利用这些度量标准就可以计算出传播一定距离能量的损耗。在海水中声波的损耗要比电磁波、光波小2~3个数量级，这也就是为目前的水下通信只能采用频率不高的声波作为信息载体的原因。
(2.2.11)
声波：在30kHz频率上，=5dB/km
电磁波：在30kHz频率上，=7500dB/km
因此，即使在这样低的频率下(30kHz对于电磁辐射而言已经相当低了)，电磁波也存在剧烈的衰减，这就使得"水下雷达"在高传导性的海水中，根本无法与以声学为基础的"声纳系统"相提并论。
下面简单推倒一下柱面模型的损耗计算公式。同球面模型思路一样，以能量守恒为基础，对于球面模型，不同波阵面上功率相同，即
2.3声波在海水中传播衰耗计算
根据前面的介绍，浅海信道损耗包括：扩展损耗、吸收损耗、边界损耗、还有一些附加损耗像海洋背景噪声等。因此计算总损耗的公式一定要包括上面几项：
信道损耗=扩展损耗+吸收损耗+边界损耗+附加损耗。
定义距离
， (2.2.12)
其中H为海水深度，为浅海表面的混合层深度(m)。则有：
(2.1.2)
如果只考虑介质空间中某确定两点间的传输损耗，计算公式一般采用：
(2.1.3)
式中、分别表示声波经过1、2两点时的声强。
对于信号传播损失的瞬时度量，一般采用能流密度之比，即
(2.1.4)
利用这些度量标准就可以计算出传播一定距离能量的损耗。在海水中声波的损耗要比电磁波、光波小2~3个数量级，这也就是为目前的水下通信只能采用频率不高的声波作为信息载体的原因。
(2.2.11)
声波：在30kHz频率上，=5dB/km
电磁波：在30kHz频率上，=7500dB/km
因此，即使在这样低的频率下(30kHz对于电磁辐射而言已经相当低了)，电磁波也存在剧烈的衰减，这就使得"水下雷达"在高传导性的海水中，根本无法与以声学为基础的"声纳系统"相提并论。
下面简单推倒一下柱面模型的损耗计算公式。同球面模型思路一样，以能量守恒为基础，对于球面模型，不同波阵面上功率相同，即
海洋中的声传播理论
——也称为索末菲尔德（Sommerfeld）条件。
16
3.1 波动方程和定解条件
（3）奇性条件 对于声源辐射的球面波，在声源处存在奇异 点，即
r 0
p
不满足波动方程；如果引入狄拉克函数，它满足 非齐次波动方程
2 1 p 2 p 2 2 4 r Ae jt c t
12
3.1 波动方程和定解条件
③混合边界条件：压力和振速线性组合
p ap f s n s
——若a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
注意负号的物理含义。
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
College of Underwater Acoustic Engineering，2007
声场常用分析方法
•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， 它适用低频，数学上复杂、物理意义不直观的 声场分析方法。
•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，但数学上简单、 物理上直观的声场分析方法。
①绝对软边界条件：声压为零 界面方程： z x , y , t 界面声压： px , y , z , t 0 z x , y , t ——第一类齐次边界条件
如果已知边界面上的压力分布，则有：
px , y , , t z x , y , t ps
1 c0 fN N 2 2H
声源激发频率 N 时，波导中不存在第N阶及 以上各阶简正波的传播。
33
3.2 波动声学基础
（2）截止频率 截止频率：
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2.1 海洋中声场的射线理论
• 声线折射
– 首先考虑声速仅是深度的函数以及海面、海底为平面 这种水平分层海洋。即使在这种简单的假定下，波动 方程也只有在某些特例情况下才能获得已知解（水声 学）。
– 射线声学近似经常被采纳，其应用的必要条件为相对 声速梯度与波长之积远小于1：
dc 1
c dz
– 且该点不能位于影区或影区边缘，以及焦散线或焦散 线边缘。
• 密度非均匀介质中的波动方程
– 欧拉方程：
Hale Waihona Puke dv 1 p 0dt
– 连续性方程： d v 0
dt
– 状态方程：
dp c2 d
dt
dt
c p / S
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2.1 海洋中声场的射线理论
• 密度非均匀介质中的波动方程
– 在声波扰动下：p p0 p 0
如果 R 表示声线上某一点的矢径，s 表示沿着声线的距
离，那么沿着声线的单位向量可用下式进行表示
dR / ds e
ds
dR
并且
W ne
R
R dR
将上式对 s 求导有：
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2.1 海洋中声场s 的射线理论
(2A • W
A 2W
)
k
2 0
A[n 2
(W )2 ]
0
– 当声波频率足够高时，由上式可得程函方程和输运方 程（transport equation）
(W )2 n2
2A • W A2W 0
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2.1 海洋中声场的射线理论
• 三维折射
– 程函方程：
• 定义了声线几何坐标，声线垂直于等相位面
• 声强、聚焦因子和焦散
– 聚焦因子趋于无穷大时对应的轨迹为焦散线，方程为
r(1, z) 0 1
– 在焦散线及其附近区域，射线声学需要用Airy函数进行 修正，此时聚焦因子为：
f
25 / 3 cos1 (k1 sin 1 )1/ 3
r
2r
2 / 3
v2 (t)
sin
12
t
21/ 3
2r
12
1/ 3
• 声强、聚焦因子和焦散
– 声源辐射声功率为W，则管束中传播的声功率为
dW W / 2cos 1d1
– 声强为：
I dW W cos1
dS 4r r sin
– 聚焦因子：
1
f I r cos1 I0 r sin 1
I0
W
4r 2
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2.1 海洋中声场的射线理论
2 p 1 2 p 0 c 2 t 2
– 此时声场也能够用声波速度势函数来表示 ：
v
– 将上式代入欧拉方程有：
p / t
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2.1 海洋中声场的射线理论
• 密度均匀介质中的波动方程
– 对于简谐波，由波动方程可得到Helmholtz方程 ：
2 p k2 p 0
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2.1 海洋中声场的射线理论
• 三维折射
– 当介质的折射率是三维坐标的函数时，声线将不能保 持在同一个平面内。
– 在海洋声学中，当分析内波对声场的影响时将会遇到 三维折射的情形。
– 在研究距离有关（Range-dependent）海洋中声波远 距离传播时也会遇到相同情况。
(k1 sin 1 )2 / 3 (r r0 )
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2.1 海洋中声场的射线理论
• 声强、聚焦因子和焦散
– 两条声线在某一点相交，声场出现振荡现象，这是声 线干涉引起的结果，对应t<0。
– 在焦散线的下方，这类声线都无法到达，形成声场的 影区，对应t>0。
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– 在寒冷的冰山附近的淡水区以及定义明确的洋流边界 处也可观测到三维折射现象。
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2.1 海洋中声场的射线理论
• 三维折射
– 声压表示为如下形式
p(R) A(R) exp[ ik0W (R)]
R x, y, z
– 将上式代入Helmholtz方程中有
2
A
ik0
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2.1 海洋中声场的射线理论
• 声线折射
– 当射线理论所有应用条件得到满足时，则可以根据声 线管束扩展规律应用射线理论计算任意一点的声强。
cos c1 / c2
– c1和 c2 近似相同，掠射角近似表示为：
2c / c2 1/ 2
c c2 c1
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p p0
0
– 假设压力和密度的扰动量为 v / c 的一阶小量，忽略三个
方程中的二阶及高阶项：
v 1 p t 0
t
0
v
0
1 c2
p t
t
v0
– 当介质均匀时，v0 可消去。将第二式对时间求偏导
2
t 2
0
v t
0
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2.1 海洋中声场的射线理论
• 密度非均匀介质中的波动方程
–将
0
v t
用声压表示：
2 2 p
t 2
– 对状态方程求时间偏导数：
1 c2
2 p t 2
2
t 2
v t
0
– 结合上式，非均匀介质中的波动方程为：
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1 c2
2 p t 2
2 p
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1
0
0
• p
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2.1 海洋中声场的射线理论
• 密度均匀介质中的波动方程
– 忽略物理量的上下脚标，介质密度均匀时：
第2章 海洋中声场的基本理论
2.1 海洋中声场的射线理论
• 主要内容
– 介质中的波动方程 – 声线折射 – 声强、聚焦因子和焦散 – 三维折射 – 距离有关波导的Snell定律 – 海洋声层析
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2.1 海洋中声场的射线理论
• 射线理论尽管存在近似，但仍然是非均匀介质中研究频率 足够高的声波传播的有效方法
p ~ exp it
– 均匀介质中Helmholtz方程的两种简单解
（1）球面波解：
p iV0 exp(ikR) 4R
V0 4a2v0 ：声源的体积速度； v0 ：球面振速振幅。
（2）平面波解：
p A exp[ i(k x x k y y k z z)]
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2.1 海洋中声场的射线理论
• 声强、聚焦因子和焦散
– 在射线声学中，声能沿着声线管束传播，不会透出管 束侧壁。
– 由于假定声源是各向同性的，因此声场具有柱对称性。 右图中波阵面的面积为
dS
2r
r
1
sin d1
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