大气和海洋中的声光电现象.ppt

大气和海洋中的声光电现象现在学习的是第1页，共44页 1.声声波波在在大大气气 和和海海洋洋中中的的传传播播 现在学习的是第2页，共44页 一一 声波在大气和海洋中的传播速度声波在大气和海洋中的传播速度 声波是一种纵波，它在介质中的传播速度为：声波是一种纵波，它在介质中的传播速度为：-过程的指数过程的指数 讨论大气和海水中绝热声速，讨论大气和海水中绝热声速，=Cp/Cv.)1.5(2ddpC现在学习的是第3页，共44页1 声波在大气中的传播速度对于大气（干空气）中的声速，(5.1)式可变为：pC 现在学习的是第4页，共44页或 即大气中的声速随温度的增加而变大，温度每变化 1，声速约变化0.61m/s。)/(1.20smTTRCd现在学习的是第5页，共44页风对声速的影响风对声速的影响 如以 C表示有风的情况下的声速,u 是风速，是风向与声音传播方向的夹角。在顺风方向（=0），声速最大，在逆风方向（=180），声速最小。cosuCC现在学习的是第6页，共44页2.声波在海洋中的传播速度 对于大气和海水中的声速，因为介质的绝热压缩系数为 其中 为比容。代入（5.1）式得：)(1)(1dpddpd12C现在学习的是第7页，共44页在绝热过程中 绝热压缩系数与等温压缩系数（T）有如下关系：所以(5.1)式又可变为：TTC2现在学习的是第8页，共44页 把常温下的、和T代入得：空气中 C 340 m/s，纯水中 C 1450 m/s，纯水中的声速比空气中的声速大得多。海水的、和T随温度、盐度和压强而变，因此海水中的声速随海洋的温度、盐度和深度而变。现在学习的是第9页，共44页（1）海水中的声速与海水的温度的关系：水温增加时，变小，T也变小，使 C 增大。T 每增加 1，声速约增加 0.35%。在常温下：T 每增加 1，C 增加约 5 5m/sm/s.现在学习的是第10页，共44页（2）海水中的声速与海水盐度的关系：盐度增大时有两个作用：(一）使变大，C 变小.(二）使T变小，C 增大。总的效果是总的效果是盐度增加盐度增加使使 C 增大增大。盐度每增加 1，C 增大 1.14 m/s。现在学习的是第11页，共44页（3）海水中的声速与海洋深度 的关系：深度的增加（即压强的增加）也有两个作用：(一)使变大，C 变小。(二)使T变小，C 增大。总的效果是总的效果是深度增加使深度增加使 C 增大增大。深度每增加 100 米，C 增大 1.75 m/s。现在学习的是第12页，共44页三种影响声速的因素的比较 水温变化 1 盐度变化 4.4 海深变化 245 米 引起的声速的变化量相同 一般情况下温度的作用最重要。在深海中，海深的作用重要。（温度变化不大）现在学习的是第13页，共44页 二声速在大气和海洋中的 垂直分布 现在学习的是第14页，共44页1 声速在大气中的垂直分布 在对流层：温度向上递减，声速向上减小 如=6/km 时,向上每升高 1 公里声速减小约 3.5 m/s.在平流层（逆温层）：温度向上增加，声速向上增大。现在学习的是第15页，共44页2 声速在海洋中的垂直分布 深海温度，压强和声速的一般分布。现在学习的是第16页，共44页三声波在大气和海洋中的传播路径三声波在大气和海洋中的传播路径 声波在大气和海洋中声波在大气和海洋中 不是直线传播的不是直线传播的。原因：声波声波的的折射折射 现在学习的是第17页，共44页声线声线 与声波波阵面相垂直并指向声波传播方向的矢线 用来表示声波能量的传播路径。现在学习的是第18页，共44页1.大气中的声线大气中的声线 把大气分为若干层。设各层中的声把大气分为若干层。设各层中的声速为常数，但各层声速不同。速为常数，但各层声速不同。i1,i2,i3 代表声线的入射角，代表声线的入射角，e1,e2,e3 代表声线的折射角，代表声线的折射角，C1,C2,C3 代表各层中的声速。代表各层中的声速。现在学习的是第19页，共44页 仰角为仰角为 e0的声线进入大气中发生的折射的声线进入大气中发生的折射 现在学习的是第20页，共44页 根据声波的折射定律有：.,433332222111CCSineSiniCCSineSiniCCSineSini 现在学习的是第21页，共44页因为 e1=i2,e2=i3,e3=i4,故有 nnSiniCSiniCSiniCSiniC 332211 现在学习的是第22页，共44页 在声速随高度减小的情况下，C1 C2 C3 ,i1 i2 i3 ,声波向上传播时，声线向上弯曲。在声速随高度增大的情况下，C1 C2 C3 ,i1 i2 i3 ,声波向上传播时，声线向下弯曲。现在学习的是第23页，共44页（1）大气温度对声线的影响：气温随高度下降，声速随高度减小，声波向上传播时，声线逐渐向上弯曲。这种情况出现在夏季的白天，午后最明显。现在学习的是第24页，共44页图图 5 5.3.3 大气大气温度随高度下降时声线的分布温度随高度下降时声线的分布 地面上只能在较小范围内听到地面上只能在较小范围内听到 0 0 点发出的声点发出的声 音，在图的阴影区就听不到音，在图的阴影区就听不到。现在学习的是第25页，共44页 出现逆温时，温度随高度增加，声速随高度增大，声波向上传播时，声线逐渐向下弯曲。这种情况通常出现在平流层或夏季的夜间和清晨，从远出发出的声音可以听得比较清楚。现在学习的是第26页，共44页图图 5 5.4 4 气气温温随随高高度度增增加加时时声声线线的的分分布布 现在学习的是第27页，共44页 如果近地面温度随高度下降，但上空有一个逆温层，则从声源传出的声线先向上弯曲，进入逆温层后再向下弯曲，回到地面。结果将在声源附近的正常可闻区以外处出现无声区，而在比这无声区更远的地方，又出现能听到声音的“异常可闻区”。现在学习的是第28页，共44页图图 5.5 上上空空有有逆逆温温层层时时声声线线的的分分布布 现在学习的是第29页，共44页 若从异常可闻区的地面反射的声波还有足够的能量，那么它还能继续向前传播，形成新的无声区和可闻区。这种情况称为“自然波导”传播，它能使声音传播到很远的地方，因此可作为监测大气中核爆炸的一种方法。现在学习的是第30页，共44页（2）风对声线的影响：在有风的情况下，会引起声速的改变，所以如果风速或风向在垂直方向上变化，就会改变声线的轨迹。现在学习的是第31页，共44页温度不随高度变化时风对声线的影响。温度不随高度变化时风对声线的影响。设设 OA 为没有风时从为没有风时从 O 点发出的一条声线，当上点发出的一条声线，当上下有均匀的风时声线将变为下有均匀的风时声线将变为 OB，若风速随高度变，若风速随高度变大，则声线变为大，则声线变为 OB1（向下弯），若风速随高度变小，（向下弯），若风速随高度变小，则声线变为则声线变为 OB2（向上弯）。（向上弯）。现在学习的是第32页，共44页（3）温度和风对声线的综合影响：）温度和风对声线的综合影响：在假设温度随高度递减的情况下，温度和风对在假设温度随高度递减的情况下，温度和风对声线的综合影响的示意图。声线的综合影响的示意图。现在学习的是第33页，共44页 在假设温度随高度递减的情况下，图(a)和图(b)都是风随高度增加的情况，只是图(a)中声线受温度的影响超过了受风的影响，而图(b)中风对声线的影响超过了温度的影响。图(c)是风速随高度减小的情况。若风速先随高度增加，后随高度减小，则声线将如图(d)所示。温度和风分布越复杂，则声线也越复杂。现在学习的是第34页，共44页2.海洋中的声线 与大气中同样的道理，当声波穿过声速不同的海水层时，声线也会向声速较小的水层弯曲。现在学习的是第35页，共44页 当当海海水水中中声声速速从从上上向向下下减减小小时时，声声线线向向下下弯弯曲曲,这这种种情情况况通通常常出出现现在在夏夏季季的的午午后后（因因海海面面升升温温，C 变变大大）。图图 5.8 声声速速向向下下减减小小时时的的声声速速剖剖面面（a）和和声声线线轨轨迹迹(b)现在学习的是第36页，共44页当当海海水水中中声声速速向向下下增增加加，则则声声线线向向上上弯弯曲曲，受受海海面面的的反反射射后后，反反回回海海水水中中再再向向上上弯弯曲曲。这这种种分分布布通通常常出出现现在在浅浅海海冬冬季季或或夜夜间间到到上上午午以以及及深深海海区区。这这时时声声音音在在海海面面附附近近很很清清楚楚。图图 5.9 声声速速向向下下增增大大时时的的声声速速剖剖面面（a）和和声声线线轨轨迹迹（b）现在学习的是第37页，共44页如如果果声声速速分分布布在在上上层层是是向向下下增增加加，在在下下层层向向下下减减小小，则则在在上上层层声声线线向向上上弯弯，在在下下层层，部部分分声声线线向向下下弯弯曲曲。图图 5.10 声声线线在在上上下下层层分分裂裂时时的的声声速速剖剖面面（a）和和声声线线轨轨迹迹（b）现在学习的是第38页，共44页3关于水下声道 观测表明，在各大洋中的某深度上都存在声速的极小值，如果把声源放在这个深度上，从发射器向各个方向发射的声线束向声速极小值所在的水层弯曲，声音可以沿着声速极小值所在的水层传播较远的距离。这个水层称为水下声道。现在学习的是第39页，共44页 图图 5.11 水水下下声声道道声声线线图图 现在学习的是第40页，共44页 声速极小值所在的深度称为声道轴。大西洋的声道轴约在海面以下1260 米处,太平洋的声道轴位于海面以下 900 米处。人们利用声波在声道中的超远传播特性，在大洋的岛屿上设置声发接收站来接收远处遇难船只或坠海飞行员投下的爆炸信号，或预报海底火山和海底地震造成的海啸。现在学习的是第41页，共44页四声波在大气和海洋中 传播时的衰减 声波在大气和海洋中传播时会被大气和海水吸收和声波在大气和海洋中传播时会被大气和海水吸收和散射，因此随着传播距离的增大，声强会逐渐变小。散射，因此随着传播距离的增大，声强会逐渐变小。一般说来，声强的变化服从指数衰减规律，一般说来，声强的变化服从指数衰减规律，如令如令 I0 为为声源发出的声强，声源发出的声强，I1 为距离声源为距离声源 s 处接收到的声强，处接收到的声强，则有则有：seII01现在学习的是第42页，共44页 其中其中为衰减系数，与声波振动频率、温度、为衰减系数，与声波振动频率、温度、传播介质的粘滞系数和热传导系数等有关。传播介质的粘滞系数和热传导系数等有关。(5.6)式中式中 是由于声波按球面扩展，能量随是由于声波按球面扩展，能量随 s 的平方而衰减。的平方而衰减。200sII现在学习的是第43页，共44页声雷达的探测原理：声雷达用于探测低层大气的温度和风场的结构 原理：声速与大气的温度和风速有关，当大气的温度和风速分布不均匀（有脉动）时就会对声波散射，而且声波的散射率要比电波或光波的散射率强一百万倍。所以用声波来测量温度和风的脉动很灵敏。现在学习的是第44页，共44页