2.1.13海洋的声学特性 - 声速剖面插值仿真程序说明文档

《海洋声学导论》阅读笔记目录一、海洋声学概述 (2)1. 海洋声学定义与背景知识介绍 (3)2. 海洋声学的重要性及研究领域 (5)二、声学基础知识 (6)1. 声学基本概念及原理 (7)（1）声音的产生与传播原理 (8)（2）声波的特性及参数描述 (9)2. 声学在海洋环境中的应用特点 (10)三、海洋声场的物理特性 (12)1. 海洋声场的组成及结构特征 (13)（1）表层声场与深层声场 (14)（2）海洋声场的空间分布特点 (15)2. 海洋声场的物理过程与影响因素 (16)（1）潮汐流对声场的影响 (18)（2）温度、盐度等环境因素对声场的影响 (20)四、海洋声学现象与实验研究 (20)1. 海洋声学现象介绍 (22)（1）水下声音的传播现象 (23)（2）声波的折射、反射和散射现象 (24)2. 海洋声学实验方法与案例分析 (25)（1）实验设备与方法介绍 (26)（2）案例分析 (28)五、海洋声学技术的应用与发展趋势 (29)一、海洋声学概述海洋声学是研究海洋中声波传播规律、声源特性和接收特性的科学。

它涉及到声波在海洋中的传播、反射、折射、衍射等现象，以及声源与接收器之间的相互关系。

海洋声学在现代科学技术中具有重要的地位，它在海洋勘探、海洋生物研究、海洋环境保护、海洋通信等方面都发挥着重要作用。

海洋声学的研究方法主要包括理论分析和实验观测，理论分析主要基于波动方程和海底地形等信息，通过计算求解声波在海洋中的传播特性；实验观测则通过实际测量声波的传播速度、频率、振幅等参数，以验证理论分析的结果。

随着海洋科技的发展，海洋声学研究已经从传统的实验室研究转向了实际应用，如深海探测、水下通信、海洋生物监测等领域。

海洋声波物理：研究声波在海洋中的传播规律，包括声波的衰减、散射、衍射等现象。

海洋声源与接收器：研究声源的特性(如频率、振幅、形状)以及接收器的特性(如灵敏度、方向性)对声波传输的影响。

海底地形测量图的插值模型_海底地形海底地形测量图的插值模型摘要：随着全球经济一体化和信息技术的发展，企业之间的合作日益加强，跨地区甚至跨国合作制造的趋势日益明显。

国际上越来越多的制造企业不断地将大量常规业务“外包”（outsourcing）出去给发展中国家，而只保留最为核心的业务（如市场、关键系统设计和系统集成、总装配以及销售）。

在这些合作生产的过程中，大量的物资和信息在更为广阔的地域间转移、储存和交换，国际物流活动将日益频繁，港口作为国际物流活动主要的载体，在国际贸易与国际经济合作中愈来愈发挥着极其重要的作用。

但是海底的地形是十分复杂的，它不仅分布有巍峨的海底山脉、平缓的海底平原，而且还有许多陡峭的海底深沟。

为使轮船进出港口安全，就需要了解港口航道的海底地形。

所以我们就要对海底地形有足够的了解，预测出哪些区域是船只的禁入点，避免船只在危险区域搁浅。

为了研究此问题，我们利用低潮时测得14组数据，并进行了6个基本假设，在此基础上我们便利用插入与拟合的思想来利用光滑曲面来模拟海底曲面。

但考虑到保凸性及光滑性的要求，我们采用双三次样条函数来模拟海底曲面。

首先利用测量的14个随机点的深度，以随机点的坐标将待测矩形区域划分成1414的网格。

然后我们通过某种加权平均来逼近未知网格接点上的深度，采用距离的倒数作权重反映出距离越小影响越大。

求出所有14×14个网格点上的深度后，调用IMST中的双三次样条子程序，通过插值得到海底曲面，然后再加细网格，划分成50×50的网格，计算这加细网格接点上的深度;最后找出两个危险区域分别在深度为4Ft的两个点的周围，并借助于Matlab中的绘图程序，绘出海底的二维、三维网格图及等高线图。

以不同的颜色将水深小于船只的吃水深度标示出来，作为船只的避免进入区域，并作出水深小于船只吃水深度的海域范围,并绘出等高线。

在找几个近似大小的海底拓扑地图，每个随即取14个数据点，把我们的模型应用上去，通过比较实际地图及由模型画出地图比较接近。

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27卷第1期2009年1月海洋科学进展ADVANCES IN MA RIN E SCIENCEVol.27　No.1January,2009 K raken海洋声学模型及其声传播与衰减的数值试验3李佳讯1,张　韧1,3,王彦磊2,黄志松1,张丽华3(1.解放军理工大学气象学院,江苏南京211101;2.解放军61741部队,北京100081;3.空军上海指挥所气象中心,上海200433)摘　要:针对射线、简正波、PE、FFP等传播模型的算法原理及其适用的海洋环境,建立了以Kraken声学模型计算软件为基础的海洋声场数值预报系统。

应用该预报系统对4组典型的海洋声场进行了数值试验,结果表明:在相同的海面和海底边界条件下,声场分布是由声速剖面和声源位置决定的。

在负梯度声场中,所有声线都折向海底,在极限声线外产生阴影区。

声源位于声道轴附近的温跃层中会产生波导传播。

用射线理论解释了上述现象的成因,指出了其实际应用价值。

关键词:Kraken模型;传播损失;声场预报;声纳探测中图分类号:P733.21 文献标识码:A 文章编号:167126647(2009)0120051208海水是一种导电介质。

辐射向海洋的电磁波会被海水介质本身所屏蔽,极大部分的能量以涡流损耗的形式被海水吸收,使电磁波在海水中的传播距离有限。

而声波在海水中传播时的损耗要比电磁波小得多,因而声波是能够在海水介质中进行远距离信息传输的有效载体。

研究声波在海洋中的传播,是理解和预测所有其他水声现象的基础。

而海洋声场的数值计算和预报是进行海洋混响、噪声、反演、匹配场处理、声层析等研究的基础,是现代声纳设计使用中的重要课题。

根据海洋环境因素对声场的制约,可以建立物理模型和数学模型,把可测得的海洋环境参数值代入计算机程序完成数值计算和有关场值的预报[1]。

目前所发展的声场数值预报方法主要有射线算法、简正波算法、抛物方程(PE)算法和快速声场程序法(FFP)等[2,3]。

海洋声场模型概述海洋声场模型是研究海洋中声波传播规律的数学模型。

海洋声场模型的研究对于海洋环境监测、海洋资源勘探以及军事防御等领域具有重要意义。

本文将概述海洋声场模型的基本原理和应用。

海洋声场模型的基本原理是基于声学波动方程和海洋介质的声学特性。

声学波动方程描述了声波在介质中的传播行为，而海洋介质的声学特性则包括声速、吸声系数和散射系数等参数。

通过建立合适的边界条件和初始条件，可以求解声学波动方程，得到声波在海洋中的传播路径和传播特性。

海洋声场模型的建立需要考虑多个因素，如海洋底床的形状、海洋中的障碍物、海洋中的声源等。

底床的形状对声波的传播路径和传播速度有很大影响，不同形状的底床会导致声波的反射、折射和散射等现象。

障碍物如海山、海岛和海洋生物等也会对声波的传播产生影响，它们会散射和吸收声波，改变声波的能量和传播方向。

海洋中的声源如海洋动物和人类活动也是海洋声场模型的重要组成部分，它们产生的声波会在海洋中传播并与其他声波相互作用。

海洋声场模型的应用非常广泛。

在海洋环境监测方面，海洋声场模型可以用于监测海洋中的声源活动和海洋底床的变化。

例如，通过监测海洋中的声源活动，可以判断海洋中是否存在潜在的地震活动或火山喷发等自然灾害。

通过监测海洋底床的变化，可以预测海洋中的沉积物运动和海底地形的演化。

在海洋资源勘探方面，海洋声场模型可以用于定位海底油气资源和矿产资源。

通过分析海洋中的声波传播路径和传播特性，可以确定资源的位置和分布情况。

在军事防御方面，海洋声场模型可以用于监测敌方潜艇的活动和判断敌方声纳系统的性能。

通过分析海洋中的声波传播路径和传播特性，可以预测潜艇的位置和行动轨迹，提前采取相应的防御措施。

海洋声场模型是研究海洋中声波传播规律的重要工具。

通过建立合适的数学模型，可以模拟和预测海洋中的声波传播路径和传播特性。

海洋声场模型的研究对于海洋环境监测、海洋资源勘探和军事防御等领域具有重要意义。

希望本文的概述能够为读者对海洋声场模型的理解和应用提供一定的帮助。

1多阵元水平分置海底混响建模及仿真海洋混响的仿真方法比较多，用得比较普遍的是模拟混响信号的强度。

本文以散射波形信号为参量，介绍射线声学理论基础下的多阵元水平分置海底混响建模与仿真方法。

1．海底混响信号模型本文依据射线声学理论建立海底混响单元散射模型，不考虑海面散射和多途效应，不考虑海底散射单元间的散射影响，认为海水为均匀性介质，不考虑声吸收，声速分布为恒定声速[8]。

发射阵元和接收阵元无指向性，入射声波按球面波形式扩展，海底为各向同性海底，每个散射单元的散射声信号按球面波形式衰减。

图1.1 海底混响散射模型示意图散射单元的选取，依据海底散射系数相关半径划分。

海底散射系数是空间的函数，它是声压的传递函数，我们将该函数的自相关半径定义为海底散射系数相关半径。

可以认为在这一相关半径内，海底散射系数可近似取一个值，该数值为复数变量，当散射单元足够多时，由大数定理可知，散射单元的海底散射系数幅值近似服从高斯分布，通常认为其相位服从均匀分布。

于是，若发射阵元辐射声信号为()s t ，则在接收阵元R 处接收到的第i 个散射单元的散射声信号()i P t 可表示为：P i (t )=S i 'P 0Rr i i Rt ii s (t −t i )i ΔS i （1.1）式中： 0P ——沿声传播方向距声源等效声中心1m 处的入射声压幅值；'i S ——第i 个散射单元的声压散射系数。

它定义为在参考距离1m 处被散射单元所散射的声压与入射声压的比； i S Δ——第i 个散射单元的面积；i Rt ，i Rr ——第i 个散射单元的入射声程和散射声程；i t ——第i 个散射单元的声传播时延，()i i i t Rr Rt c =+；c ——海洋介质声速，1500c =m/s 。

由于混响是存在于海洋中的大量无规则散射体对入射信号产生的散射波信号在接收点迭加而形成的，则对于海底混响信号()P t 可以表示为：P (t )=P i (t )i =−∞+∞∑=P 0S i 'Rr i i Rt ii s (t −t i )i ΔS i i =−∞+∞∑ （1.2）2. 多阵元水平分置海底混响信号仿真方法当发射单元与接收阵在同一水平面上时，我们称之为水平分置。

目录1背景和研究意义当前，世界各军事强国将制海权放在相当重要的位置，他们投入了大量的人力物力财力研究海洋环境信息的获取方法，以充分保证其政治、经济和军事利益。

而且，大约70%的地球表面被海洋覆盖。

声波可以行驶穿越海洋的距离超过数百公里。

因为它的相对易于传播，水下声音已被应用于各种用途的海洋的使用与探索[1]，如声场预报、声纳作用距离估算及目标定位等。

因此，通过对海底沉积物的各种实验、观测手段，开展现场调查和实验、理论研究，建立起在不同区域适用的海底地声学模型，并确定海底沉积物声学参数和力学参数以及其他物理参数之间的内在关系，从而实现用声学方法对海底沉积物的地质构造及地质属性进行测绘和分类识别具有重大意义。

其中，由于海底的作用，浅海声场相比深海声场更加复杂，海底中的各类声学参数，如密度、声速与衰减等变化都将改变上层流体中声场的分布[2]，进而影响到水下声音的应用，所以研究海底参数是十分必要的。

而我国的大部分海域为浅海，所以研究浅海声场参数具有重要的战略意义。

传统的海底表层参数测量方法多为采用海底采样实验室分析或将高频声学测量设备插入海底直接测量海底声速、衰减系数的原位测量方法。

但是，一般情况下这两种方法获得的海底声学参数只能是局地的，而且起伏较大，不易确定沉积层的厚度，[3]并且要耗费大量的人力和物力，而且采集到的样品由于脱离了原生态的海底，它的压力、温度等物理力学等参数会发生变化。

另一类常用的海底声学参数获取方法为地声反演，反演即是根据假设的模型，从测量得到的声场分布情况反推海底分层介质的特征。

[4]通常是利用一艘船发射声信号、另一艘船吊放接收阵接收声信号的双船实验，或一艘船发射、浮潜标接收的方式实验，两者距离数公里到数十公里，通过比对理论计算与实验测量的声场传播损失、简正波模态、垂直阵或水平阵声场空间结构、混响信号、脉冲波形等方法确定海底声学参数[3]。

反演获取的海底参数可以反映大距离尺度上的海底特征，是一个方便、经济、高效的途径 [5]。

声学海洋学声学海洋学是研究声波在海洋中的传播、回声以及与海洋生物相互作用的学科。

声学海洋学涵盖了多个学科，包括声学、水声学、地球物理学、海洋学和生物学等。

声学海洋学通过利用声音进行海洋观测和监测，广泛应用于海洋石油、渔业、海底地质勘探、海洋气象、海洋环境监测等领域。

声学海洋学的研究对象包括声波的传播特性、海洋中的声速分布、声柱的形成和传播、声波的散射和吸收等。

声波在海洋中的传播受到海洋环境的影响。

海洋中的温盐分布、海洋流动、海底地形等因素都会对声波的传播产生影响。

海洋中的声速剖面分布对声波的传播有重要影响，因为声速的变化会改变声波的传播路径、折射角和传播速度。

声速分布的研究可以帮助我们理解海洋内部的运动规律和水文结构。

回声是声学海洋学的重要研究内容之一。

当声波在海洋中遇到不同的物体时，会发生散射、反射和吸收等现象，一部分声波会回到发射源，形成回声。

通过分析回声的特征，可以获取有关海洋中存在的物体的信息，如海洋底质的类型、深海生物的分布、水下地形等。

回声的研究对于海洋气候、物种分布、生态系统保护等有重要意义。

声学海洋学还研究声波与海洋生物相互作用的过程。

声波在海洋中的传播和回声对于海洋生物起着重要的影响。

海洋生物可以利用声波进行通信、导航、捕食和避敌等活动，同时海洋生物的活动也会对声波的传播和回声产生影响。

研究声波与海洋生物的相互作用可以帮助我们更好地理解海洋生态系统的结构和功能。

声学海洋学在海洋资源开发和环境保护中也发挥着重要作用。

通过利用声波进行海洋勘探，可以查找潜在的石油和天然气资源。

声学海洋学还可以监测水下的地震活动、火山喷发和海啸等自然灾害，为相关的预警和防护工作提供依据。

此外，声学海洋学也可以监测海洋污染、测量海洋鱼群的分布和数量，为渔业资源管理和生态环境保护提供支持。

综上所述，声学海洋学是研究声波在海洋中的传播、回声以及与海洋生物相互作用的学科。

它在海洋资源开发、环境保护及海洋科学研究等领域发挥着重要的作用。