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海洋的声学特性1College of Underwater Acoustic Engineering本讲稿第一页，共二十一页本讲主要内容本讲主要内容n海底声学特性（了解）海底声学特性（了解）n海面声学特性（了解）海面声学特性（了解）n海洋内部的不均匀性（了解）海洋内部的不均匀性（了解）2College of Underwater Acoustic Engineering本讲稿第二页，共二十一页1、海底声学特性、海底声学特性n海底结构、地形和沉积层是影响声波传播的重要因素海底结构、地形和沉积层是影响声波传播的重要因素3College of Underwater Acoustic Engineering本讲稿第三页，共二十一页n海底对声波的海底对声波的吸收吸收、散散射射和和反射反射等声学特性关等声学特性关系到水声设备作用距离系到水声设备作用距离的远近的远近n海底声波反射系数与海海底声波反射系数与海底地形有明显的依赖关底地形有明显的依赖关系。高于几千赫频率的系。高于几千赫频率的声波，海底粗糙度是影声波，海底粗糙度是影响声波反射的主要作用响声波反射的主要作用n反向散射强度反向散射强度(朝声源方朝声源方向的声散射。向的声散射。)：单位界单位界面上单位立体角中所散面上单位立体角中所散射出去的功率与入射波射出去的功率与入射波强度之比。强度之比。4College of Underwater Acoustic Engineering本讲稿第四页，共二十一页n深海平原海底反向散射强度与入射角的关系深海平原海底反向散射强度与入射角的关系q在在小入射角小入射角时，散射时，散射强度随入射角增大而减小，强度随入射角增大而减小，与频率一般无关与频率一般无关q入射角入射角5度度时，散射时，散射强度强度10lgms近似与近似与 成正比成正比q大入射角大入射角时，散射强度可能与频率的四次方成正比时，散射强度可能与频率的四次方成正比5College of Underwater Acoustic Engineering本讲稿第五页，共二十一页n非常粗糙海底反向散射强度与入射角的关系非常粗糙海底反向散射强度与入射角的关系q反向散射强度反向散射强度几乎几乎与入射角无关与入射角无关q反向散射强度反向散射强度几乎几乎与频率无关与频率无关6College of Underwater Acoustic Engineering本讲稿第六页，共二十一页n人们关心的海底参数人们关心的海底参数q声速（声速（反演反演）q密度（密度（反演反演）q衰减系数（衰减系数（反演反演）q底质（底质（取样取样）q垂直分层结构（垂直分层结构（取样取样）2001年中美联合考察年中美联合考察2005年黄海实验年黄海实验7College of Underwater Acoustic Engineering本讲稿第七页，共二十一页n海底特性探测海底特性探测q多波束侧扫声纳探测海底地形多波束侧扫声纳探测海底地形8College of Underwater Acoustic Engineering本讲稿第八页，共二十一页n海底沉积层海底沉积层q描述描述：覆盖海底之上的一层非凝固态（处于液态和固态之间）：覆盖海底之上的一层非凝固态（处于液态和固态之间）的物质。的物质。q声速声速：沉积层中有：沉积层中有压缩波速度压缩波速度（声速）（声速）和和切变波速度切变波速度 两种。两种。q衰减系数衰减系数（dB/m）K为常数；为常数；f为频率，单位为频率，单位kHz；m为指数，通常取为指数，通常取1 n海底声反射损失海底声反射损失q定义定义：反射声振幅相对入射声振幅减小的分贝数：反射声振幅相对入射声振幅减小的分贝数9College of Underwater Acoustic Engineering本讲稿第九页，共二十一页q海底海底反射系数模反射系数模和和反射损失反射损失BL值随值随掠射角掠射角的变化的变化 高声速海底高声速海底低声速海底低声速海底10College of Underwater Acoustic Engineering本讲稿第十页，共二十一页q深海实测的海底反射损失深海实测的海底反射损失11College of Underwater Acoustic Engineering本讲稿第十一页，共二十一页q海底反射损失的三个特征海底反射损失的三个特征n存在一个存在一个“分界掠射角分界掠射角”，是海底反射损失的一个，是海底反射损失的一个特征参数特征参数n当当 时，反射损失值较小时，反射损失值较小,随随 增大而增加增大而增加n当当 时，反射损失较大时，反射损失较大,与与 无明显依赖关系无明显依赖关系n海底反射损失简化模型海底反射损失简化模型-三参数模型三参数模型12College of Underwater Acoustic Engineering本讲稿第十二页，共二十一页q三参数：三参数：、q参数计算参数计算1）的计算的计算2）V0的计算的计算3）Q的计算的计算 13College of Underwater Acoustic Engineering本讲稿第十三页，共二十一页注意注意：实际海底存在吸收：实际海底存在吸收处理方法：将海底声速视为复处理方法：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：数，此时不会发生全内反射。按照书上的方法计算：又又14College of Underwater Acoustic Engineering本讲稿第十四页，共二十一页令：令：与书上结果：与书上结果：略有不同！略有不同！注意：注意：三参数模型可用于分析海洋中声场的平均结构三参数模型可用于分析海洋中声场的平均结构15College of Underwater Acoustic Engineering本讲稿第十五页，共二十一页2、海面声学特性、海面声学特性 n海面波浪海面波浪q周期性周期性周期、波长、波速和周期、波长、波速和波高等量描述其特征；波高等量描述其特征；q随机起伏性随机起伏性概率密度分布、概率密度分布、方差、谱和相关函数等描述其特方差、谱和相关函数等描述其特征。征。16College of Underwater Acoustic Engineering本讲稿第十六页，共二十一页n波浪的基本特征波浪的基本特征q重力表面波重力表面波：以重力作为恢复力的波动：以重力作为恢复力的波动q表面张力波表面张力波：以表面张力作为恢复力：以表面张力作为恢复力q波浪的形成和等级波浪的形成和等级n平均波高平均波高n有效波高有效波高n平均平均1/10最大波高最大波高记录记录中中1/10最大波高的平均最大波高的平均值值 波峰到波谷垂直距离的平均值波峰到波谷垂直距离的平均值记录中记录中1/3最大波高的平均值最大波高的平均值17College of Underwater Acoustic Engineering本讲稿第十七页，共二十一页n波浪的统计特征波浪的统计特征q波浪的概率密度分布波浪的概率密度分布 常识：常识：在水声学中经常将波面的概率分布视为高斯分在水声学中经常将波面的概率分布视为高斯分布。布。q充分成长的海浪谱充分成长的海浪谱nPierson-Moskowitz谱（谱（P-M谱）谱）18College of Underwater Acoustic Engineering本讲稿第十八页，共二十一页n海面表面层内的气泡层海面表面层内的气泡层q声波的吸收体声波的吸收体q声波的散射体声波的散射体 n海面对声传播的影响简介海面对声传播的影响简介 q镜反射镜反射q漫散射漫散射：形成散射场。随着海面粗糙度增加，漫散：形成散射场。随着海面粗糙度增加，漫散射场占主要分量。射场占主要分量。q反向声散射反向声散射：形成海面混响：形成海面混响q海面波动：导致海面散射波产生多普勒频移海面波动：导致海面散射波产生多普勒频移19College of Underwater Acoustic Engineering本讲稿第十九页，共二十一页3、海洋内部的不均匀性、海洋内部的不均匀性n湍流湍流q描述描述：流体流经固体表面或是流体内部出现的一种：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。不规则运动。它是一种随机运动的旋转流。q它形成海水中温度和盐度的细微结构变化，引起声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。速的微结构变化。n内波内波q描述描述：两种不同密度液体在其叠合界面上所产生的：两种不同密度液体在其叠合界面上所产生的波动。波动。q波长可达几十公里到几百公里，波高从波长可达几十公里到几百公里，波高从10米到米到100米。米。q对低频、远距离的声传播信号有重大影响。对低频、远距离的声传播信号有重大影响。20College of Underwater Acoustic Engineering本讲稿第二十页，共二十一页n海流海流q描述描述：海水从一个地方向另一个地方作连续流动的：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。锋区，对声波传播影响较大。n深水散射层深水散射层q描述描述：海洋中某些深度上水平聚居的生物群。：海洋中某些深度上水平聚居的生物群。q随着昼夜上下移动，同时也随纬度和季节变化。随着昼夜上下移动，同时也随纬度和季节变化。q由于气囊的共振散射，它会产生很大的混响背景由于气囊的共振散射，它会产生很大的混响背景（体积混响的主要来源之一体积混响的主要来源之一）。）。21College of Underwater Acoustic Engineering本讲稿第二十一页，共二十一页