水声学-典型条件下的声场(2).ppt

第十三讲第十三讲 深海声道及其声传播深海声道及其声传播 第五章第五章 典型传播条件下的声场典型传播条件下的声场本讲主要内容本讲主要内容 n深海声道概述深海声道概述n深海声道的典型声速分布深海声道的典型声速分布n声道信号的基本特征声道信号的基本特征n深海声道典型声线轨迹深海声道典型声线轨迹n深海声道中的传播损失深海声道中的传播损失n深海负梯度深海负梯度n深海负跃层深海负跃层n课堂测验课堂测验2College of Underwater Acoustic Engineering HEUn声源位于声源位于声道轴附近声道轴附近时，在时，在一定角度范围一定角度范围内出射的声线被内出射的声线被限制于声道内传播，这部分声线不受海面散射和海底反射限制于声道内传播，这部分声线不受海面散射和海底反射的影响，声信号传播很远。的影响，声信号传播很远。一、深海声道概述一、深海声道概述3College of Underwater Acoustic Engineering HEUn受季节影响小，声道效应稳定。受季节影响小，声道效应稳定。一、深海声道概述一、深海声道概述4College of Underwater Acoustic Engineering HEUnSOFAR：SOund Fixing And Ranging声学定位和声学定位和测距。利用深海声道效应可以有效地定位和测距。通常利测距。利用深海声道效应可以有效地定位和测距。通常利用若干水声接收基阵来测量爆炸声信号的用若干水声接收基阵来测量爆炸声信号的到达时间到达时间，来确，来确定爆炸点的位置和距离。例如进行大地测量、确定导弹溅定爆炸点的位置和距离。例如进行大地测量、确定导弹溅落点的位置。落点的位置。一、深海声道概述一、深海声道概述5College of Underwater Acoustic Engineering HEUnMunk声速标准分布模型声速标准分布模型 ：纬度越高，海面水温受热小，声道轴也越浅。纬度越高，海面水温受热小，声道轴也越浅。我国南海的声道轴接近我国南海的声道轴接近1000米。米。二、深海声道的典型声速分布二、深海声道的典型声速分布6College of Underwater Acoustic Engineering HEU二、深海声道的典型声速分布二、深海声道的典型声速分布n线性声速分布模型线性声速分布模型 7College of Underwater Acoustic Engineering HEU三、声道信号的基本特征三、声道信号的基本特征n我国南海深海声道声速分布与声线轨迹图我国南海深海声道声速分布与声线轨迹图8College of Underwater Acoustic Engineering HEU三、声道信号的基本特征三、声道信号的基本特征n声线和信号波形声线和信号波形q声线声线n偏离声道轴较远的声线，路程最长，但最先到达；偏离声道轴较远的声线，路程最长，但最先到达；n沿声道轴传播的声线，路程最短，但最迟到达；沿声道轴传播的声线，路程最短，但最迟到达；n沿声道轴传播的声线最密集，携带能量最大。沿声道轴传播的声线最密集，携带能量最大。9College of Underwater Acoustic Engineering HEU三、声道信号的基本特征三、声道信号的基本特征n声线和信号波形声线和信号波形q信号波形信号波形n特点特点q多途径传播的爆炸信号，接收信号强度由小变大多途径传播的爆炸信号，接收信号强度由小变大直至峰值，然后突然截止；直至峰值，然后突然截止；q与表面声道声传播具有类似规律。与表面声道声传播具有类似规律。10College of Underwater Acoustic Engineering HEU三、声道信号的基本特征三、声道信号的基本特征n会聚区和声影区会聚区和声影区汇聚区：汇聚区：声影区：声影区：高声强焦散高声强焦散 反转折射声线反转折射声线 的区域的区域 无法达到区域无法达到区域11College of Underwater Acoustic Engineering HEU三、声道信号的基本特征三、声道信号的基本特征n会聚区和声影区会聚区和声影区：声纳可利用水下声道的会聚区来实现远程探测。影区内，声纳可利用水下声道的会聚区来实现远程探测。影区内，只存在海面或海底的反射声线，声强明显小于会聚区声只存在海面或海底的反射声线，声强明显小于会聚区声强。强。：会聚区宽度随会聚区序号增加而变宽，影区宽度随影区会聚区宽度随会聚区序号增加而变宽，影区宽度随影区序号增加而变窄。序号增加而变窄。12College of Underwater Acoustic Engineering HEUn会聚区和声影区会聚区和声影区q会聚区内平均声强会聚区内平均声强 设无指向性声源的发射功率为设无指向性声源的发射功率为W，形成会聚区的声，形成会聚区的声线掠射角范围为线掠射角范围为 ，空间会聚区内的总声功率：，空间会聚区内的总声功率：假设水平距离处的声线平均掠射角假设水平距离处的声线平均掠射角 ，则垂直声线，则垂直声线方向的环形截面积等于方向的环形截面积等于三、声道信号的基本特征三、声道信号的基本特征13College of Underwater Acoustic Engineering HEUn会聚区和声影区会聚区和声影区q会聚区内平均声强会聚区内平均声强q会聚增益会聚增益：会聚区声强与球面扩展声强之比：会聚区声强与球面扩展声强之比q声强异常声强异常：会聚增益的分贝值，即：会聚增益的分贝值，即 三、声道信号的基本特征三、声道信号的基本特征会聚区宽度会聚区宽度与会聚区序号有关与会聚区序号有关14College of Underwater Acoustic Engineering HEUn会聚区和声影区会聚区和声影区q声强异常声强异常：为球面波损失高于会聚区损失的分贝数。：为球面波损失高于会聚区损失的分贝数。q 波动理论的解释波动理论的解释：n会聚现象是焦散线上大量同相简正波叠加的结果；会聚现象是焦散线上大量同相简正波叠加的结果；n同相叠加的简正波数目越多，会聚增益越大；同相叠加的简正波数目越多，会聚增益越大；n会聚增益也与简正波的深度分布函数有关，即与会聚增益也与简正波的深度分布函数有关，即与z有有关。关。三、声道信号的基本特征三、声道信号的基本特征15College of Underwater Acoustic Engineering HEU四、深海声道典型声线轨迹四、深海声道典型声线轨迹n典型声线演示典型声线演示16College of Underwater Acoustic Engineering HEUn典型声线轨迹典型声线轨迹四、深海声道典型声线轨迹四、深海声道典型声线轨迹17College of Underwater Acoustic Engineering HEUn深海声道的传播损失深海声道的传播损失 q考虑海水介质声吸收引起的衰减：考虑海水介质声吸收引起的衰减：q近距离处，球面波扩展衰减近距离处，球面波扩展衰减q远距离处，柱面波扩展衰减远距离处，柱面波扩展衰减q深海声道是远距离传输的波导深海声道是远距离传输的波导五、深海声道中的传播损失五、深海声道中的传播损失18College of Underwater Acoustic Engineering HEU六、深海负梯度六、深海负梯度n深海负梯度特点深海负梯度特点q从声源发出的声线向海底折射，不再从声源发出的声线向海底折射，不再反转回反转回声源所在的声源所在的水平面上，与前面介绍的波导传播情况相反，故称为水平面上，与前面介绍的波导传播情况相反，故称为反反波导传播波导传播19College of Underwater Acoustic Engineering HEU六、深海负梯度六、深海负梯度n深海负梯度特点深海负梯度特点q存在一条与海面相切的存在一条与海面相切的极限声线极限声线q在极限声线以内为在极限声线以内为声亮区声亮区q在极限声线以外为在极限声线以外为声影区声影区（直达声无法到达的）（直达声无法到达的）20College of Underwater Acoustic Engineering HEU六、深海负梯度六、深海负梯度n几何作用距离几何作用距离q定义定义：从声源到观察点深度影区边缘的水平距离：从声源到观察点深度影区边缘的水平距离 ：几何作用距离为多少？几何作用距离为多少？21College of Underwater Acoustic Engineering HEU六、深海负梯度六、深海负梯度n几何作用距离几何作用距离q定义定义：从声源到观察点深度影区边缘的水平距离：从声源到观察点深度影区边缘的水平距离 ：几何作用距离为多少？几何作用距离为多少？22College of Underwater Acoustic Engineering HEU六、深海负梯度六、深海负梯度n几何作用距离几何作用距离q定义定义：从声源到观察点深度影区边缘的水平距离：从声源到观察点深度影区边缘的水平距离 ：几何作用距离为多少？几何作用距离为多少？23College of Underwater Acoustic Engineering HEU六、深海负梯度六、深海负梯度n几何作用距离几何作用距离 ：通常，声影区中不存在通常意义上的声线，可引入通常，声影区中不存在通常意义上的声线，可引入衍射声线的概念。衍射声线的概念。24College of Underwater Acoustic Engineering HEUn负跃层特点负跃层特点q描述描述：声速显著减小的水层。：声速显著减小的水层。q声线通过负跃层时，声线明显弯曲，声强减弱，对声纳声线通过负跃层时，声线明显弯曲，声强减弱，对声纳作用距离影响很大。作用距离影响很大。n声道模型声道模型 负跃层上方介质声速为负跃层上方介质声速为 ，下方，下方介质声速为介质声速为 ，且，且 ，负跃层较，负跃层较薄。薄。：声线折射后，介质中的声强如何变化？声线折射后，介质中的声强如何变化？七、深海负跃层七、深海负跃层25College of Underwater Acoustic Engineering HEU七、深海负跃层七、深海负跃层n声线折射后，介质中的声强如何变化？声线折射后，介质中的声强如何变化？q 处的水平距离：处的水平距离：q水平距离的偏导数：水平距离的偏导数：26College of Underwater Acoustic Engineering HEU七、深海负跃层七、深海负跃层n声线折射后，介质中的声强如何变化？声线折射后，介质中的声强如何变化？q 的求解：的求解：27College of Underwater Acoustic Engineering HEU七、深海负跃层七、深海负跃层n声线折射后，介质中的声强如何变化？声线折射后，介质中的声强如何变化？q射线声学声强求解公式：射线声学声强求解公式：q声线折射后的声强：声线折射后的声强：28College of Underwater Acoustic Engineering HEU七、深海负跃层七、深海负跃层n声线折射后，介质中的声强如何变化？声线折射后，介质中的声强如何变化？q声线折射后的声强：声线折射后的声强：q声强变化分析：声强变化分析：n要考虑负跃层对声传播的影响，只需考虑跃变层要考虑负跃层对声传播的影响，只需考虑跃变层上下上下边界处边界处的声强变化关系即可。的声强变化关系即可。29College of Underwater Acoustic Engineering HEU七、深海负跃层七、深海负跃层n声线折射后，介质中的声强如何变化？声线折射后，介质中的声强如何变化？q声强变化分析：声强变化分析：n上边界声强上边界声强：n下边界声强下边界声强：30College of Underwater Acoustic Engineering HEU七、深海负跃层七、深海负跃层n声线折射后，介质中的声强如何变化？声线折射后，介质中的声强如何变化？q经跃变层的传播损失经跃变层的传播损失：n分析：分析：n结论结论：声波经过负跃层引起声能损失。：声波经过负跃层引起声能损失。n举例举例：当：当 （相当水温有（相当水温有10以上变化），声以上变化），声源处掠射角源处掠射角 时，传播衰减时，传播衰减相当于声相当于声强减小强减小7倍倍31College of Underwater Acoustic Engineering HEUn声速分布如下图，声源位于深度声速分布如下图，声源位于深度H处，以处，以 出射的声线在出射的声线在 、深度上反转，已知深度上反转，已知 ，求水平距，求水平距离离 。八、课堂测验八、课堂测验32College of Underwater Acoustic Engineering HEUn声速分布下图，声源位于声速分布下图，声源位于 处，以处，以 出射的声线在出射的声线在 处处反转。已知反转。已知 ，求水平距离，求水平距离 。n声速分布如下图，已知声速分布如下图，已知 ，求水平，求水平距离距离 。八、课堂测验八、课堂测验33College of Underwater Acoustic Engineering HEUTHE ENDTHE END34College of Underwater Acoustic Engineering HEU