水声学-典型传播条件下的声场.ppt

第五章第五章 典型传播条件下的典型传播条件下的 声场声场第四章知识要点第四章知识要点n定解条件定解条件q第一类齐次边界条件（第一类齐次边界条件（绝对软绝对软）q第二类齐次边界条件（第二类齐次边界条件（绝对硬绝对硬）q边界上密度或声速的有限间断（边界上密度或声速的有限间断（压力和法向质点振压力和法向质点振速连续速连续）n波动声学波动声学q简正波临界频率简正波临界频率q简正波截止频率简正波截止频率q简正波的特征简正波的特征2College of Underwater Acoustic Engineeringq简正波相速度简正波相速度q简正波群速度简正波群速度n射线声学射线声学q基本物理量的描述基本物理量的描述n射线声学射线声学n声线、声线的传播时间、传播距离声线、声线的传播时间、传播距离n平面波、球面波的声线图平面波、球面波的声线图q程函方程程函方程q射线声学的应用条件射线声学的应用条件qSnell折射定律折射定律q恒定声速梯度下声线轨迹方程求解恒定声速梯度下声线轨迹方程求解n一般采用曲率半径，结合平面几何的方法一般采用曲率半径，结合平面几何的方法3College of Underwater Acoustic Engineeringq恒定声速梯度下声线水平传播距离求解恒定声速梯度下声线水平传播距离求解n曲率半径和平面几何法曲率半径和平面几何法n已知掠射角时的传播距离公式已知掠射角时的传播距离公式n已知深度时的传播距离公式已知深度时的传播距离公式q声线图绘制声线图绘制q聚焦因子物理意义聚焦因子物理意义4College of Underwater Acoustic Engineering本章主要内容本章主要内容 n邻近海面的水下点源声场邻近海面的水下点源声场q解的表示（重点）解的表示（重点）q声压振幅随距离的变化（重点）声压振幅随距离的变化（重点）n表面声道声线参数表面声道声线参数q反转深度（了解）反转深度（了解）q临界声线（重点）临界声线（重点）q跨度（了解）跨度（了解）q循环数（了解）循环数（了解）5College of Underwater Acoustic Engineering本章主要内容本章主要内容q传播时间（了解）传播时间（了解）q截止频率（了解）截止频率（了解）q传播损失（了解）传播损失（了解）q传播损失的经验公式（了解）传播损失的经验公式（了解）n深海声道概述（了解）深海声道概述（了解）n深海声道的典型声速分布（了解）深海声道的典型声速分布（了解）qMUNK的的SOFAR声道声速剖面标准分布声道声速剖面标准分布q线性模型线性模型6College of Underwater Acoustic Engineering本章主要内容本章主要内容 n声道信号的基本特征（了解）声道信号的基本特征（了解）q声线和信号波形声线和信号波形q汇聚区和声影区汇聚区和声影区 n深海声道典型声线轨迹（深海声道典型声线轨迹（补充内容补充内容）（了解）（了解）n深海声道中的平均场和传播损失（了解）深海声道中的平均场和传播损失（了解）n深海负梯度（了解）深海负梯度（了解）n深海负跃层（了解）深海负跃层（了解）7College of Underwater Acoustic Engineering本章主要内容本章主要内容 n浅海平均声强（了解）浅海平均声强（了解）q硬底、声速均匀浅海硬底、声速均匀浅海q海底有吸收的均匀浅海海底有吸收的均匀浅海q3/2次方衰减律的适用距离次方衰减律的适用距离q 时的声强衰减规律时的声强衰减规律 q传播损失传播损失n传播损失的分段表示传播损失的分段表示n浅海传播的浅海传播的Mash和和Schulkin半经验公式半经验公式q浅海声场的虚源表示式浅海声场的虚源表示式q从虚源表示式求传播损失从虚源表示式求传播损失 8College of Underwater Acoustic Engineeringn邻近海面的水下点源声场邻近海面的水下点源声场q解的表示解的表示 靠近海面的点源在靠近海面的点源在S点，接收点在点，接收点在P点。将海面视为点。将海面视为绝绝对软对软的平面，根据的平面，根据镜反射原理镜反射原理引入一个虚源引入一个虚源S1，问接收，问接收点点P的声压为多少？的声压为多少？9College of Underwater Acoustic Engineering 注意：注意：这里利用平面声波的反射系数代替球面波的反这里利用平面声波的反射系数代替球面波的反射系数，对于平整海面来说是正确的。射系数，对于平整海面来说是正确的。q声压振幅随距离的变化声压振幅随距离的变化 已知二项式展开式：已知二项式展开式：则：则：10College of Underwater Acoustic Engineeringq声压振幅随距离的变化声压振幅随距离的变化则：则：声压振幅近似为：声压振幅近似为：11College of Underwater Acoustic Engineeringn讨论讨论1）当当 ，时，声压取时，声压取 极大值极大值 ，且是单个点源的两倍。，且是单个点源的两倍。解释：解释：直达声与海面反射声同相叠加。直达声与海面反射声同相叠加。2）当当 ，时，声压取极小值时，声压取极小值解释：解释：直达声与海面反射声反相叠加。直达声与海面反射声反相叠加。12College of Underwater Acoustic Engineeringn讨论讨论3）近场菲涅耳（近场菲涅耳（Fresnel）干涉区向远场夫朗和费）干涉区向远场夫朗和费 （Fraunhofer）区过渡点，即）区过渡点，即 ：4）当当 时，声压振幅为时，声压振幅为 13College of Underwater Acoustic Engineering 菲涅耳区菲涅耳区 夫朗和费区夫朗和费区注意：注意：q近场菲涅耳区声压振幅起伏变化，远场夫朗和费近场菲涅耳区声压振幅起伏变化，远场夫朗和费区声压振幅单调变化；区声压振幅单调变化；q对于非均匀声速分布，上述干涉现象仍然存在。对于非均匀声速分布，上述干涉现象仍然存在。14College of Underwater Acoustic Engineeringn传播损失传播损失 根据定义：根据定义：1）近场近场当当 ，时，时，当当 ，时，时，2）远场远场 ，15College of Underwater Acoustic Engineeringn非绝对反射海面下的传播损失非绝对反射海面下的传播损失接收点处声压：接收点处声压：声压振幅：声压振幅：传播损失：传播损失：此处不是此处不是1而是而是16College of Underwater Acoustic Engineeringn表面声道声线参数表面声道声线参数 问题问题：表面声道如何形成？有何特征？：表面声道如何形成？有何特征？17College of Underwater Acoustic Engineeringq声道的声道的“线性线性”模型和声传播模型和声传播n声速模型声速模型由由Snell定律知：定律知：18College of Underwater Acoustic Engineeringn反转深度反转深度1）概念概念：在表面声道中传播的声线发生反转的深度：在表面声道中传播的声线发生反转的深度2）反转深度处声线的特点：反转深度处声线的特点：声线的掠射角为零声线的掠射角为零 19College of Underwater Acoustic Engineering 根据折射定律根据折射定律同理可得：同理可得：一般情况下，声线掠射角是小量，因此一般情况下，声线掠射角是小量，因此反转深度反转深度可近似为可近似为：和和 20College of Underwater Acoustic Engineeringn临界角临界角 概念概念：在表面声道：在表面声道下边界下边界发生反转的声线，其声源发生反转的声线，其声源处和海面处的掠射角都达到极大值，该角称为处和海面处的掠射角都达到极大值，该角称为临界临界角角；该声线称为；该声线称为临界声线临界声线 21College of Underwater Acoustic Engineering 根据根据Snell定律或由反转深度与掠射角的关系式：定律或由反转深度与掠射角的关系式：声源处的声源处的临界角：临界角：海面处的海面处的临界角：临界角：注意注意：1）声源处掠射角）声源处掠射角 或海面处掠射角或海面处掠射角 的声线被束缚在声道内传播，称为的声线被束缚在声道内传播，称为声道声线声道声线；2）未被束缚的声线越出表面声道，进入深度）未被束缚的声线越出表面声道，进入深度 的的水域中，在传播时经历海底反射，有较强的衰减，在水域中，在传播时经历海底反射，有较强的衰减，在较远距离上可被忽略。较远距离上可被忽略。22College of Underwater Acoustic Engineeringn跨度跨度 概念概念：声线在海面：声线在海面相邻两次反射点相邻两次反射点之间的水平距离之间的水平距离 23College of Underwater Acoustic Engineering根据根据已知掠射角的声线水平传播距离求解公式已知掠射角的声线水平传播距离求解公式有有 若已知海面处的掠射角若已知海面处的掠射角 ，则声线的，则声线的跨度跨度为：为：根据根据反转深度公式反转深度公式，跨度，跨度D与反转深度与反转深度 的关系为：的关系为：结论结论：海面处掠射角越大，跨度也越大：海面处掠射角越大，跨度也越大24College of Underwater Acoustic Engineering1）最大跨度）最大跨度2）最小跨度）最小跨度海面最小掠射角：海面最小掠射角：举例举例：由乌德公式可求得由乌德公式可求得 ，当混合层深度当混合层深度 时，临界声线海面掠射角时，临界声线海面掠射角 ，最大跨度，最大跨度25College of Underwater Acoustic Engineeringn循环数循环数N 概念概念：在声源与接收点之间所容纳的不同掠射角声：在声源与接收点之间所容纳的不同掠射角声线跨度的数目，称为线跨度的数目，称为循环数循环数。假设声源和接收器位于海面附近，相距为假设声源和接收器位于海面附近，相距为 ，有许多不同循环次数的声线（有许多不同循环次数的声线（信道的多途信道的多途）可以到达）可以到达接收点（接收点（特征声线特征声线），它们在海面处的掠射角满足方），它们在海面处的掠射角满足方程：程：特征声线对应的掠射角为：特征声线对应的掠射角为：26College of Underwater Acoustic Engineering结论结论：1.循环数循环数N越大，声线越接近海面，越大，声线越接近海面，相应相应于沿海面传播的声线。于沿海面传播的声线。2.循环数循环数N越大，相邻声线的掠射角越接近，声线越大，相邻声线的掠射角越接近，声线越密集，声能越集中。越密集，声能越集中。3.声源辐射到层厚声源辐射到层厚 内的声能量内的声能量W与掠射角有如与掠射角有如下关系下关系4.声源辐射声能主要集中在海表面层附近，类似于声源辐射声能主要集中在海表面层附近，类似于“北京天坛的回音壁北京天坛的回音壁”。27College of Underwater Acoustic Engineeringn传播时间传播时间 声线经过微元声线经过微元 的传播时间：的传播时间：根据折射定律，可得：根据折射定律，可得：传播时间：传播时间：28College of Underwater Acoustic Engineeringq跨度跨度 的传播时间：的传播时间：假设声源与接收器靠近海面，则由源到接收器假设声源与接收器靠近海面，则由源到接收器N次循次循环的声线的总传播时间近似为：环的声线的总传播时间近似为：又循环数为又循环数为N的声线掠射角为：的声线掠射角为：29College of Underwater Acoustic Engineering 利用级数利用级数n讨论：讨论：1.最接近表面层底部传播的声线，传播时间最短，最先最接近表面层底部传播的声线，传播时间最短，最先到达接收点；到达接收点；2.最靠近海面传播的声线，传播时间最长，最后到达接最靠近海面传播的声线，传播时间最长，最后到达接收点。换句话说，声线在海面反射的次数越多，其传收点。换句话说，声线在海面反射的次数越多，其传播时间越长。播时间越长。3.单位时间内到达接收点的声线数目随单位时间内到达接收点的声线数目随N增加而增大。增加而增大。30College of Underwater Acoustic Engineeringq举例举例：下图为大西洋实验记录：爆炸声源位于：下图为大西洋实验记录：爆炸声源位于700米深，接收点位于米深，接收点位于1200米深，两者相距米深，两者相距1880米。米。解：解：确定信号的整个持续时间，只考虑声道声线，有：确定信号的整个持续时间，只考虑声道声线，有：在远距离处：在远距离处：注意注意：信号持续时间与距离成正比信号持续时间与距离成正比 大西洋大西洋声信号声信号波形波形31College of Underwater Acoustic Engineeringn截止频率截止频率非均匀层的入射波和反射波非均匀层的入射波和反射波32College of Underwater Acoustic Engineeringn截止频率截止频率 在表面声道中，入射平面波为从海表面向下传播在表面声道中，入射平面波为从海表面向下传播的声波，反射平面波为经过反转点后由深度的声波，反射平面波为经过反转点后由深度H向上传向上传播的波。反射波与入射波之间的相移：播的波。反射波与入射波之间的相移：相移相移=传播路径相移传播路径相移+声线反转相移声线反转相移1）传播路径引起的相移）传播路径引起的相移2）声波的反转引入的相位损失）声波的反转引入的相位损失33College of Underwater Acoustic Engineeringn截止频率截止频率 假设反射波与入射波的模相等，则海面的反射系数：假设反射波与入射波的模相等，则海面的反射系数：根据自由海面边界条件，反射系数满足：根据自由海面边界条件，反射系数满足：34College of Underwater Acoustic Engineeringn截止频率截止频率 根据折射定理，则传播路径引起的相移：根据折射定理，则传播路径引起的相移：表面声道各阶简正波的表面声道各阶简正波的临界频率临界频率：35College of Underwater Acoustic Engineeringn截止频率截止频率 当当n=0时，可求得表面声道的时，可求得表面声道的截止频率截止频率：表面声道传播所允许的最大波长为：表面声道传播所允许的最大波长为：注意注意：这里利用：这里利用不均匀反射系数不均匀反射系数近似表示式所应满足近似表示式所应满足的边界条件，推导出表面声道的截止频率。波动理论的边界条件，推导出表面声道的截止频率。波动理论是利用是利用频散方程频散方程的根求得。的根求得。36College of Underwater Acoustic Engineeringn传播损失传播损失 设表面声道中有一无方向性点源，在表面声道中设表面声道中有一无方向性点源，在表面声道中作远距离传播的声线掠射角作远距离传播的声线掠射角 ，离点声源，离点声源单位距离处，在单位距离处，在 到到 范围内的声束能量分布范围内的声束能量分布在面积在面积 上：上：37College of Underwater Acoustic Engineeringn传播损失传播损失 在远距离在远距离 处，处，忽略忽略介质介质吸收吸收和和声漏射声漏射（声波海面（声波海面散射引起的），声束能量分布在高度为散射引起的），声束能量分布在高度为 、半径为、半径为 的圆柱面积的圆柱面积 上：上：通过面积通过面积 和和 的功率是相同的，则距离的功率是相同的，则距离 处处的声传播损失为：的声传播损失为：38College of Underwater Acoustic Engineeringn传播损失传播损失q当传播距离当传播距离 时，声波按球面规律扩展；时，声波按球面规律扩展；q当传播距离当传播距离 时，声波过渡为柱面规律扩展；时，声波过渡为柱面规律扩展；q 称为称为过渡距离过渡距离 一般一般q与简正波方法求解结果比较与简正波方法求解结果比较n表面声道的传播损失与简正波方法求得的浅海均表面声道的传播损失与简正波方法求得的浅海均匀声场传播损失在形式上一样匀声场传播损失在形式上一样 39College of Underwater Acoustic Engineeringn传播损失传播损失n共同点：共同点：声能被限制在深度声能被限制在深度H的层内，在远场符的层内，在远场符合柱面衰减规律。合柱面衰减规律。n不同点：不同点：临界掠射角不一样，表面声道的掠射角临界掠射角不一样，表面声道的掠射角 由由声道参数声道参数a、H和和 来决定；来决定；均匀浅海均匀浅海 由由折射率折射率n决定。决定。若考虑海水介质声吸收和声泄漏引起的衰减，声若考虑海水介质声吸收和声泄漏引起的衰减，声道的传播损失为：道的传播损失为：40College of Underwater Acoustic Engineeringn传播损失的经验公式传播损失的经验公式qBaker给出的表面声道给出的表面声道TL的经验公式：的经验公式：n近距离：近距离：n远距离：远距离：吸收系数：吸收系数：漏声系数：漏声系数：41College of Underwater Acoustic Engineeringq右图为混合声道声强级沿深度的变化：右图为混合声道声强级沿深度的变化：n混合层混合层内声强值内声强值大于大于球面扩展的声强值，传播损球面扩展的声强值，传播损失小于球面波的传播损失；失小于球面波的传播损失；n在在混合层以下混合层以下声强声强小于小于球面扩展声强，传播损失球面扩展声强，传播损失显著增加；显著增加；n声波声波频率越高频率越高，离表面声道的截止频率越远，声，离表面声道的截止频率越远，声道现象道现象越明显越明显。42College of Underwater Acoustic Engineeringn深海声道概述深海声道概述q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的影响，声信号传播很远。射和海底反射的影响，声信号传播很远。q受季节影响小，声道效应稳定。受季节影响小，声道效应稳定。qSOFAR：SOund Fixing And Ranging声学声学定位和测距。利用深海声道效应可以有效地定位和定位和测距。利用深海声道效应可以有效地定位和测距。通常利用若干水声接收基阵来测量爆炸声信测距。通常利用若干水声接收基阵来测量爆炸声信号的号的到达时间到达时间，来确定爆炸点的位置和距离。例如，来确定爆炸点的位置和距离。例如进行大地测量、确定导弹溅落点的位置。进行大地测量、确定导弹溅落点的位置。43College of Underwater Acoustic Engineeringn深海声道的典型声速分布深海声道的典型声速分布qMunk声速标准分布模型声速标准分布模型常识常识：纬度越高，海面水温：纬度越高，海面水温 受热小，声道轴也越浅。受热小，声道轴也越浅。n地中海、黑海、日本海地中海、黑海、日本海:100300米米n我国南海：接近我国南海：接近1000米米n大西洋中部：大西洋中部：11001400米米 44College of Underwater Acoustic Engineeringn深海声道的典型声速分布深海声道的典型声速分布q线性声速分布模型线性声速分布模型 45College of Underwater Acoustic Engineeringn声道信号的基本特征声道信号的基本特征q声线和信号波形声线和信号波形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46College of Underwater Acoustic Engineeringn声道信号的基本特征声道信号的基本特征q声线和信号波形声线和信号波形n声线声线q偏离声道轴较远的声线，路程最偏离声道轴较远的声线，路程最长长，但最，但最先先到到达；达；q沿声道轴传播的声线，路程最沿声道轴传播的声线，路程最短短，但最，但最迟迟到达；到达；q沿沿声道轴声道轴传播声线最传播声线最密集密集，携带能量，携带能量最大最大。47College of Underwater Acoustic Engineeringn信号波形信号波形 特点特点：1）多途径传播的爆炸信号，接收信号强度由小）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；变大直至峰值，然后突然截止；2）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。48College of Underwater Acoustic Engineeringn声道信号的基本特征声道信号的基本特征q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：49College of Underwater Acoustic Engineeringn声道信号的基本特征声道信号的基本特征q会聚区和声影区会聚区和声影区n会聚区：在海面附近形成高声强焦散的区域。会聚区：在海面附近形成高声强焦散的区域。n常识常识：现代声纳可利用水下声道的会聚区来实现远：现代声纳可利用水下声道的会聚区来实现远程探测。程探测。n声影区：声影区：反转折射反转折射声线无法到达的区域，称为声影声线无法到达的区域，称为声影区。影区内，只存在海面或海底的反射声线，声强区。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强。明显小于会聚区声强。注意注意：会聚区会聚区宽度随会聚区序号增加而宽度随会聚区序号增加而变宽变宽，影区影区宽度随影区序号增加而宽度随影区序号增加而变窄变窄。50College of Underwater Acoustic Engineeringn声道信号的基本特征声道信号的基本特征q会聚区和声影区会聚区和声影区n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，形成会聚区的声源掠射角范围为区的声源掠射角范围为 ，空间会聚，空间会聚区内的总声功率：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 ，则垂直声线方向的环形截面积等于则垂直声线方向的环形截面积等于 51College of Underwater Acoustic Engineering 假设声功率均匀分布在环面上，则会聚区的平均声强：假设声功率均匀分布在环面上，则会聚区的平均声强：式中，式中，为会聚区的宽度，与会聚区序号有关。为会聚区的宽度，与会聚区序号有关。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 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 52College of Underwater Acoustic Engineering 其中，其中，为球面扩展的传播损失；为球面扩展的传播损失；TL为会聚区的传播损失。为会聚区的传播损失。声强异常声强异常：为球面波损失高于：为球面波损失高于 会聚区损失的分贝数。会聚区损失的分贝数。波动理论的解释波动理论的解释：1）会聚现象是焦散线上大量同相简正波的叠加结果；）会聚现象是焦散线上大量同相简正波的叠加结果；2）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；3）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，即与深度深度z有关。有关。53College of Underwater Acoustic Engineeringn深海声道典型声线轨迹深海声道典型声线轨迹典型声线轨迹动态演示典型声线轨迹动态演示54College of Underwater Acoustic Engineeringn深海声道典型声线轨迹深海声道典型声线轨迹典型声线轨迹典型声线轨迹55College of Underwater Acoustic Engineeringn深海声道中的平均声场和传播损失深海声道中的平均声场和传播损失q深海声道的传播损失深海声道的传播损失 若考虑海水介质声吸收引起的衰减，声道的传播损若考虑海水介质声吸收引起的衰减，声道的传播损失为：失为：56College of Underwater Acoustic Engineeringn深海负梯度深海负梯度q深海负梯度特点深海负梯度特点n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声源所在的水平面上，与前面介绍的波导传播情况相所在的水平面上，与前面介绍的波导传播情况相反，故称为反，故称为反波导传播反波导传播反波导传播声线反波导传播声线57College of Underwater Acoustic Engineeringn深海负梯度深海负梯度n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n在极限声线以内为在极限声线以内为声亮区声亮区n在极限声线以外为在极限声线以外为声影区声影区（直射声无法达到的）（直射声无法达到的）q几何作用距离几何作用距离 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 问题问题：如何求解几何作用距离？：如何求解几何作用距离？58College of Underwater Acoustic Engineeringn深海负梯度深海负梯度 设声速分布的相对声速梯度为设声速分布的相对声速梯度为a，则，则几何作用距离几何作用距离：由于由于 ，则有：，则有：几何作用距离几何作用距离为：为：注意注意：通常，声影区中不存在通常意义上的声线，可：通常，声影区中不存在通常意义上的声线，可引入引入衍射声线衍射声线的概念。的概念。59College of Underwater Acoustic Engineeringn深海负跃层深海负跃层q负跃层特点负跃层特点n声速显著减小的水层。声线通过负跃层时，声线声速显著减小的水层。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。明显弯曲，声强减弱，对声纳作用距离影响很大。q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。60College of Underwater Acoustic Engineeringn深海负跃层深海负跃层经跃变层的经跃变层的传播损失传播损失为：为：由于由于 ，所以有，所以有 ，所以，所以 。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。举例举例：当：当 （相当水温有（相当水温有10以上变化）时，以上变化）时，声源掠射角声源掠射角传播衰减传播衰减 相当于声相当于声强减小强减小7倍倍61College of Underwater Acoustic Engineeringn均匀浅海声场均匀浅海声场q浅海平均声强浅海平均声强n硬底、声速均匀浅海硬底、声速均匀浅海n海底有吸收的均匀浅海海底有吸收的均匀浅海n 时的声强衰减规律时的声强衰减规律 适用距离适用距离：62College of Underwater Acoustic Engineeringn均匀浅海声场均匀浅海声场q传播损失传播损失n传播损失分段表示传播损失分段表示1）球面扩展）球面扩展，2）3/2次方衰减规律次方衰减规律+介质吸收介质吸收 ，63College of Underwater Acoustic Engineeringn均匀浅海声场均匀浅海声场q传播损失传播损失n传播损失分段表示传播损失分段表示3）柱面扩展）柱面扩展+介质吸收介质吸收+界面吸收界面吸收 64College of Underwater Acoustic Engineeringn均匀浅海声场均匀浅海声场q传播损失传播损失n浅海传播的浅海传播的Marsk和和Schulkin半经验公式半经验公式1）近距离范围内）近距离范围内 2）中等距离范围内）中等距离范围内65College of Underwater Acoustic Engineeringn均匀浅海声场均匀浅海声场q传播损失传播损失n浅海传播的浅海传播的Marsk和和Schulkin半经验公式半经验公式3）远距离区域）远距离区域 n结论结论 声强衰减规律：球面扩展声强衰减规律：球面扩展3/2次方扩展次方扩展柱面扩展；与理论变化公式一致。柱面扩展；与理论变化公式一致。66College of Underwater Acoustic Engineeringn浅海声场的虚源表示式浅海声场的虚源表示式q基本思想基本思想n将海面和海底的将海面和海底的反射声线反射声线视为由各自的视为由各自的虚源发出虚源发出的的声线声线，虚源，虚源数目数目与考虑的声线反射与考虑的声线反射次数次数有关，有关，数目趋于无穷，则可求得浅海总声场。数目趋于无穷，则可求得浅海总声场。q硬底均匀浅海硬底均匀浅海 假设浅海声速均匀层深为假设浅海声速均匀层深为H，海面为平整自由界面，海底为平海面为平整自由界面，海底为平 整硬界面。点源整硬界面。点源 位于坐标位于坐标 ，观察点位于坐标，观察点位于坐标 处。处。67College of Underwater Acoustic Engineeringn浅海声场的虚源表示式浅海声场的虚源表示式由右图可得：由右图可得：因此，因此，直达波声压直达波声压：又又因此，因此，海底反射波声压海底反射波声压：68College of Underwater Acoustic Engineeringn浅海声场的虚源表示式浅海声场的虚源表示式 考虑对称于海面考虑对称于海面 的两个虚源的两个虚源 和和 （即（即海面一次反射波海面一次反射波），），四个点源合成声压为：四个点源合成声压为：69College of Underwater Acoustic Engineeringn浅海声场的虚源表示式浅海声场的虚源表示式 上式满足上界面上式满足上界面 条件，但不满足下界面条条件，但不满足下界面条件，为恢复下界面的对件，为恢复下界面的对称性，再叠加两个虚源称性，再叠加两个虚源 和和 ，则得六个，则得六个点源的合成声压：点源的合成声压：70College of Underwater Acoustic Engineeringn浅海声场的虚源表示式浅海声场的虚源表示式q分析分析n六点源关于海底界面对称，满足下界面的边界条六点源关于海底界面对称，满足下界面的边界条件，但破坏了上界面的对称性。因此，需继续增件，但破坏了上界面的对称性。因此，需继续增加虚源对数；加虚源对数；n每增加一对虚源，相应于多计入一次海面或海底每增加一对虚源，相应于多计入一次海面或海底的反射声线；的反射声线；n虚源阶数越高，声线经过海面和海底的反射次数虚源阶数越高，声线经过海面和海底的反射次数越多，虚源离观察点距离越远，对合成声压贡献越多，虚源离观察点距离越远，对合成声压贡献越小。越小。71College of Underwater Acoustic Engineeringn浅海声场的虚源表示式浅海声场的虚源表示式q硬底均匀浅海声场虚源表示式硬底均匀浅海声场虚源表示式q一般均匀浅海声场虚源表示式一般均匀浅海声场虚源表示式 q两者差别两者差别n反射系数不同反射系数不同72College of Underwater Acoustic Engineeringn浅海声场的虚源表示式浅海声场的虚源表示式问题：求和项中为什么是四项之和？问题：求和项中为什么是四项之和？73College of Underwater Acoustic Engineeringn浅海表面声道浅海表面声道q前面介绍的表面声道的有关计算适用于深海表面声前面介绍的表面声道的有关计算适用于深海表面声道情况；道情况；q在冬季，由于冷空气和风浪搅拌作用，浅海也经常在冬季，由于冷空气和风浪搅拌作用，浅海也经常形成表面声道（等温层或弱正声速梯度分布）。形成表面声道（等温层或弱正声速梯度分布）。浅海表面声道中的两类声线浅海表面声道中的两类声线74College of Underwater Acoustic Engineeringn浅海表面声道浅海表面声道将浅海表面声道的平滑平均声强表示为：将浅海表面声道的平滑平均声强表示为：式中，式中，为反转声线的平均声强，为反转声线的平均声强，为海底反射声线的平均声强。为海底反射声线的平均声强。q结论结论 由于计入海底反射的贡献，浅海表面声道的传由于计入海底反射的贡献，浅海表面声道的传播损失小于深海表面声道的传播损失。播损失小于深海表面声道的传播损失。75College of Underwater Acoustic Engineering课堂小测验二1.假设海水中的声速分布如下图，试画出几条典型声线轨迹图。2.设海水中有负声速梯度，且其绝对值为常数g，声源处的声速为 。试证水平发出的声线穿过的水层厚度为d时，它在水平方向前进的距离为76College of Underwater Acoustic Engineering