海洋中的声传播理论

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。

声波在水中传播特性研究声波是一种机械波，是由物体振动引起的。

声波在不同介质中传播时，会受到介质性质的影响。

本文将探讨声波在水中传播的特性。

一、声波传播的基本原理声波是由物体振动产生的机械波，它通过介质的分子之间的相互作用传播。

在水中，声波的传播速度相对较快，约为1500米/秒。

声波在水中的传播是通过分子的相互碰撞和传递振动能量来实现的。

二、声波在水中的传播特性1. 衰减特性声波在水中传播时，会受到衰减的影响。

这是因为水分子之间的摩擦和分子的散射会使声波逐渐减弱。

随着传播距离的增加，声波的振幅会逐渐减小，直到消失。

2. 折射特性当声波从一种介质传播到另一种介质时，会发生折射现象。

在水中传播的声波遇到水面时，会发生折射，改变传播的方向。

这是因为水的密度和声速与空气不同，导致声波传播速度发生变化。

3. 反射特性声波在水中传播时，遇到障碍物或水面时会发生反射。

反射使声波的传播方向改变，并且一部分能量被反射回来。

这种特性在声纳和声波测深仪等水下设备中得到广泛应用。

4. 散射特性声波在水中传播时，会遇到水分子、悬浮物等障碍物。

这些障碍物会使声波发生散射，即改变传播方向。

散射现象对于声纳成像和水下通信等应用具有重要意义。

三、声波在水中的应用声波在水中的传播特性使其在许多领域得到广泛应用。

1. 声纳成像声波在水中传播时，可以通过反射和散射现象实现对水下物体的成像。

声纳成像技术在海洋勘探、水下考古等领域有着重要的应用。

2. 水下通信声波在水中传播时，可以作为一种有效的通信手段。

声波通信可以在水下传输声音、数据等信息，广泛应用于水下无线通信、水下测距等领域。

3. 声波测深声波在水中传播的速度是已知的，因此可以利用声波的传播时间来测量水深。

声波测深仪是一种常用的测量水深的设备，广泛应用于海洋测量和水下建筑等领域。

4. 生物声学研究声波在水中传播时，会对水中生物产生影响。

生物声学研究利用声波的传播特性来研究水中生物的行为、迁徙等现象，对于生态环境保护和生物资源开发具有重要意义。

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。