海洋的声学特性.pptx
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1、2.1 海水中的声速1 1、声速、声速 海洋中的重要声学参数,也是海洋中声传播的基本物理参数。海洋中声波为弹性纵波,声速为:第1页/共90页声速经验公式声速经验公式上式适用范围:-3T30、33S37 海洋中的声速c(m/s)随温度T()、盐度S()、压力P(kg/cm2)的增加而增加。经验公式是许多海上测量实验的总结得到的,常用的经验公式为:2.1 海水中的声速第2页/共90页声速经验公式声速经验公式 海水中盐度变化不大,典型值35;经常用深度替代静压力,每下降10m水深近似增加1个大气压的压力;1(1oF-32)5/9。2.1 海水中的声速第3页/共90页2.1 海水中的声速 声速的数值变
2、化虽然微小,但它对长距离传播声线的分布、射程、传播时间等量的影响很大,因此需要有准确的声速数值。精确计算声速有什么意义?精确计算声速有什么意义?第4页/共90页乌德公式乌德公式2.1 海水中的声速 P的单位是大气压。的单位是大气压。第5页/共90页2.1 海水中的声速2 2、声速测量、声速测量 测量仪器设备:测量仪器设备:温度深度记录仪和声速仪。温度深度记录仪:温度深度记录仪:通过热敏探头测量水中温度,同时通过压力传感器给出深度信息,可以转换给出声速。第6页/共90页2.1 海水中的声速声速仪是声学装置:声速仪是声学装置:声循环原理工作:声循环原理工作:前一个脉冲到达接收器,触发后一个脉冲从发
3、射器发出,记录每秒钟脉冲的发射次数f,发射器和接收器的距离L已知。声速:声速:c=fL。2 2、声速测量、声速测量 第7页/共90页2.1 海水中的声速3 3、海洋中声速变化、海洋中声速变化 海洋中声速的垂直分层性质和声速梯度海洋中声速的垂直分层性质和声速梯度垂直分层性质:垂直分层性质:实测海洋等温线和等盐度线几乎是水平平行的,也就是说,声速近似为水平分层变化。第8页/共90页2.1 海水中的声速海洋中声速的垂直分层性质和声速梯度海洋中声速的垂直分层性质和声速梯度声速梯度:声速梯度:根据乌德公式 声速梯度第9页/共90页2.1 海水中的声速海洋中声速的基本结构海洋中声速的基本结构典型深海声速剖
4、面:典型深海声速剖面:温度分布“三层结构”:(1)表面层(表面等温层或混合层):海洋表面受到阳光照射,水温较高,但又受到风雨搅拌作用。第10页/共90页2.1 海水中的声速海洋中声速的基本结构海洋中声速的基本结构典型深海声速剖面:典型深海声速剖面:(2)季节跃变层:在表面层之下,特征是负温度梯度或负负声速梯度,此梯度随季节而异。夏、秋季节,跃变层明显;冬、春(北冰洋)季节,跃变层与表面层合并在一起。第11页/共90页2.1 海水中的声速海洋中声速的基本结构海洋中声速的基本结构典型深海声速剖面:典型深海声速剖面:(3)主跃变层:温度随深度巨变的层,特征是负的温度梯度或负负声速梯度,季节对它的影响
5、微弱。第12页/共90页2.1 海水中的声速海洋中声速的基本结构海洋中声速的基本结构典型深海声速剖面:典型深海声速剖面:(4)深海等温层:在深海内部,水温比较低而且稳定,特征是正正声速梯度。在主跃变层(负)和深在主跃变层(负)和深海等温层(正)之间,海等温层(正)之间,有一声速极小值。有一声速极小值。第13页/共90页2.1 海水中的声速 请解释一下深海声速梯度分布?请解释一下深海声速梯度分布?第14页/共90页2.1 海水中的声速海洋中声速的基本结构海洋中声速的基本结构温度的季节变化、日变化和纬度变化:温度的季节变化、日变化和纬度变化:(1)季节变化:百慕大海区温度随月份的变化情况,夏季既有
6、表面等温层,又有表面负梯度层;冬季有很深的表面混合层。季节变化对海洋深处的温度影响较小。第15页/共90页2.1 海水中的声速海洋中声速的基本结构海洋中声速的基本结构温度的季节变化、日变化和纬度变化:温度的季节变化、日变化和纬度变化:(2)日变化:高风速:中午表面温度受高风速的作用,出现明显的混合层。低风速:表面呈现负温度梯度,在早晨可能出现正温度梯度。第16页/共90页2.1 海水中的声速海洋中声速的基本结构海洋中声速的基本结构温度的季节变化、日变化和纬度变化:温度的季节变化、日变化和纬度变化:温度的季节变化和日变化主要发生在温度的季节变化和日变化主要发生在海洋上层。海洋上层。第17页/共9
7、0页2.1 海水中的声速海洋中声速的基本结构海洋中声速的基本结构温度的季节变化、日变化和纬度变化:温度的季节变化、日变化和纬度变化:()纬度变化 在低纬度海域,主跃变层的深度较深。在高纬度海域,声速正梯度一直延伸到接近海洋表面。第18页/共90页2.1 海水中的声速海洋中声速的基本结构海洋中声速的基本结构浅海声速剖面:浅海声速剖面:浅海声速剖面分布具有明显的季节特征。在冬季,大多属于等温层的声速剖面,夏季为负跃变层声速梯度剖面。第19页/共90页2.1 海水中的声速海水温度起伏变化海水温度起伏变化 描述海洋声速变化粗略近似:将温度和声速看成不随时间变化,只随深度变化;等温层是宏观而言,微观而言
8、温度随时间起伏变化。温度起伏在下午和靠近海面最大。温度起伏原因多种多样:湍流、海面波浪、涡旋和海中内波等因素。第20页/共90页2.1 海水中的声速声速描述声速描述 在水声学中,经常将声速表示成为确定性的声速垂直分布与随机不均匀声速起伏的线性组合:第21页/共90页特点:特点:在某一深度处有一声速最小值。声速垂直分布分类声速垂直分布分类深海声道声速分布:深海声道声速分布:2.1 海水中的声速第22页/共90页特点:特点:在某一深度处有一声速极大值。形成原因:形成原因:在秋冬季节,水面温度较低,加上风浪搅拌,海表面层温度均匀分布,在层内形成正声速梯度分布。声速垂直分布分类声速垂直分布分类表面声道
9、声速分布:表面声道声速分布:2.1 海水中的声速第23页/共90页特点:特点:声速随深度单调下降。形成原因:形成原因:海洋上部的海水受到太阳强烈照射的结果。声速垂直分布分类声速垂直分布分类反声道声速分布:反声道声速分布:2.1 海水中的声速第24页/共90页特点:特点:声速随深度单调下降。形成原因:形成原因:海洋上部的海水受到太阳强烈照射的结果。声速垂直分布分类声速垂直分布分类浅海常见声速分布:浅海常见声速分布:2.1 海水中的声速反声道声速分布与浅海常见反声道声速分布与浅海常见声速分布有何不同?声速分布有何不同?第25页/共90页2.2 海水中的声吸收1 1、传播损失概述、传播损失概述声波传
10、播的强度衰减(传播损失)原因:声波传播的强度衰减(传播损失)原因:(1)扩展损失(几何衰减)扩展损失(几何衰减):声波波阵面在传播过程中不断扩展引起的声强衰减。(2)吸收损失吸收损失:均匀介质的粘滞性、热传导性以及驰豫过程引起的声强衰减。(3)散射散射:介质的不均匀性引起声波散射和声强衰减。包括:海洋中泥沙、气泡、浮游生物等悬浮粒子以及介质本身不均匀性和海水界面对声波散射。第26页/共90页2.2 海水中的声吸收扩展损失扩展损失 在理想介质中,沿x轴方向传播简谐平面波声压:传播损失为:第27页/共90页2.2 海水中的声吸收扩展损失扩展损失 在理想介质中,沿r方向传播简谐球面波声压:传播损失为
11、:第28页/共90页2.2 海水中的声吸收扩展损失扩展损失一般,可以把扩展损失写成:根据不同的传播条件,n取不同的数值:(1)n=0 适用管道中的声传播,平面波传播平面波传播 第29页/共90页2.2 海水中的声吸收扩展损失扩展损失(2)n=1 适用表面声道和深海声道,柱面波传播柱面波传播,相当于全反射海底和全反射海面组成的理想波导中的传播条件。(3)n=3/2 适用计及海底声吸收时的浅海声传播,相当于计入界面声吸收所引起的对柱面波的传播损失的修正。第30页/共90页2.2 海水中的声吸收扩展损失扩展损失(4)n=2 适用于开阔水域(自由场),球面波传播球面波传播。(5)n=3 声波通过浅海声
12、速负跃变层后的声传播。(6)n=4 适用偶极子声源或计及平整海面虚源干涉的远场声传播,相当于计入声波干涉后,对球面波传播损失的修正。第31页/共90页2.2 海水中的声吸收吸收系数吸收系数 在介质中,声吸收和声散射引起的声传播损失经常同时存在,很难区分开来。假设平面波传播距离dx后,由于声吸收而引起声强降低dI,则声压振幅的自然对数衰减为无量声压振幅的自然对数衰减为无量纲量,称为奈贝(纲量,称为奈贝(Neper)。)。第32页/共90页2.2 海水中的声吸收吸收系数吸收系数 声强可以写成:吸收系数:单位距离的分贝数,dB/m 声强之比的以声强之比的以10为底的对数为贝尔(为底的对数为贝尔(Be
13、l),贝),贝尔值的尔值的10倍称为分贝(倍称为分贝(dB)。)。第33页/共90页2.2 海水中的声吸收吸收系数吸收系数 Neper=8.68dB,声吸收引起的传播损失(吸收系数乘以传播距离):第34页/共90页2.2 海水中的声吸收总传播损失(扩展吸收)总传播损失(扩展吸收)均匀介质的经典声吸收(粘滞性和热传导):实际吸收系数的测量值远大于经典吸收系数理论实际吸收系数的测量值远大于经典吸收系数理论值,两者差值称为超吸收。值,两者差值称为超吸收。Why?Why?第35页/共90页2.2 海水中的声吸收2 2、纯水和海水的超吸收、纯水和海水的超吸收纯水超吸收纯水超吸收 1947年,Hall提出
14、水的结构驰豫理论,成功解释了水介质的超吸收原因。曲线AHall理论计算曲线B经典声吸收第36页/共90页2.2 海水中的声吸收海水超吸收海水超吸收海水超吸收原因:海水超吸收原因:海水中含有溶解度较小的MgSO4,它的化学反应的驰豫过程引起超吸收。在声波作用下,在声波作用下,MgSO4化学化学反应的平衡被破坏,达到新反应的平衡被破坏,达到新的动态平衡,这种化学的驰的动态平衡,这种化学的驰豫过程,导致声波的吸收。豫过程,导致声波的吸收。第37页/共90页2.2 海水中的声吸收海水超吸收海水超吸收 Schulkin和Marsh根据225kHz频率范围内所作的大量测量结果,归纳的半经验公式:驰豫频率随
15、温度升高而增加驰豫频率随温度升高而增加。第38页/共90页2.2 海水中的声吸收 主要是主要是MgSO4MgSO4驰豫现象引起的吗?驰豫现象引起的吗?实验结果:海水中含有溶解度很大的NaCI,NaCI的存在使得海水超吸收反而下降。这是由于NaCI对水分子结构变化产生影响所致。在高频,NaCI浓度越大,吸收越小。在在5kHz5kHz频率以下低频,声吸收又明显增加,比频率以下低频,声吸收又明显增加,比S-MS-M公式所给的结果更大,为什么?公式所给的结果更大,为什么?这是由于海水还存在包括硼酸在内的其它化学驰豫现象。第39页/共90页2.2 海水中的声吸收海水超吸收海水超吸收 Thorp给出了低频
16、段(驰豫频率约为1kHz)吸收系数的经验公式(适用4温度附近):在低频,若计入纯水的粘滞系数,则吸收系数为:第40页/共90页2.2 海水中的声吸收吸收系数与压力关系吸收系数与压力关系 随压力的增加而减小:深度每增加1km其吸收系数减小6.7%。海水的声吸收系数与海水的声吸收系数与声波频率、温度、压力、盐声波频率、温度、压力、盐声波频率、温度、压力、盐声波频率、温度、压力、盐度度度度等因素有关,但盐度的影响较小;对于不同声等因素有关,但盐度的影响较小;对于不同声波频率,应选择不同的经验公式计算海水的吸收波频率,应选择不同的经验公式计算海水的吸收系数。系数。第41页/共90页2.2 海水中的声吸
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