第1章--与海洋声学有关的海洋特性参考

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1、2021/3/10讲解：XX1水声学原理水声学原理哈尔滨工程大学水声工程学院2016年2月2021/3/10讲解：XX2课程简介u课程前后衔接课程前后衔接2021/3/10讲解：XX3课程简介u水声学水声学u海洋环境的声学特性海洋环境的声学特性u简正波、射线、虚源简正波、射线、虚源u声传播规律与水文环境的关系声传播规律与水文环境的关系u目标的声散射目标的声散射u海洋混响强度预报方法海洋混响强度预报方法u水下噪声谱级与噪声级水下噪声谱级与噪声级2021/3/10讲解：XX4课程简介u水声传播原理水声传播原理u分层介质情况下的声传播分层介质情况下的声传播u深海声道中的声传播深海声道中的声传播u非分

2、层介质中的声场非分层介质中的声场u声场分布的数值计算（声场分布的数值计算（PE）u海底声学特性分析海底声学特性分析2021/3/10讲解：XX5课程简介u课程目的课程目的 掌握水下声传播研究中所涉及的声场建模理论声场建模理论、目标声散射建模理论目标声散射建模理论、海洋混响强度和时域波海洋混响强度和时域波形预报理论形预报理论、海洋环境噪声场空间特性建模理海洋环境噪声场空间特性建模理论论等最基础、但却非常重要的水声学基本理论 为三维声场研究三维声场研究、复杂目标的声散射研究复杂目标的声散射研究、非非分层介质中混响研究分层介质中混响研究、复杂海洋环境噪声场空复杂海洋环境噪声场空间特性研究间特性研究提

3、供理论基础，也为水声信号处理算法研究提供一定指导2021/3/10讲解：XX6课程简介u主要内容主要内容 与声学相关的海洋特性 海洋声场特性分析与应用 水下目标的回波特性 海面海底的声散射机理与海洋混响 海洋环境噪声场空间相关特性建模理论 声纳系统的设计与声纳性能预报 2021/3/10讲解：XX7课程简介u教材教材 Fundamentals of ocean acoustics.3rd Ed.L.M.Brekhovskikh,Yu.P.Lysanov.Springer,2001.Fundamentals of acoustical oceanography.Hermann Medwin,Ch

4、arence S.Clay.Academic Press,San Diego,1998.海洋声学.布列霍夫斯基赫著,科学出版社,1983年 水声学（第二版）.汪德昭,尚尔昌.科学出版社 实用声纳工程.英A.D.Waite著,王德石等译.电子工业出版社,2004年 2021/3/10讲解：XX8课程简介u学习方法学习方法 课堂听课 查阅文献 数学推导 数值仿真u考核形式考核形式 闭卷考试？开卷考试？大作业？闭卷考试？开卷考试？大作业？u课程要求课程要求2021/3/10讲解：XX9第1章 与声学相关的海洋特性2021/3/10讲解：XX10本章主要内容 水体海面/海底 声速 声速剖面 声吸收 海

5、洋的可变性(洋流、涡旋、内波、水体垂直微结构、湍流)气泡的声散射 深水散射层的散射 环境噪声 海面的随机起伏 海面声散射 海底的特性2021/3/10讲解：XX111.1 海水的特性 海水最典型的特性非均匀性 有规声速剖面水下声信道 随机不均匀性散射声场起伏 海水中的声速 声速经验公式 适用范围温度：盐度：深度：mzSTTTTc016.0)35)(010.034.1(00029.0055.06.42.144932350T450 S10000 z2021/3/10讲解：XX121.1 海水的特性 海水中的声速 温度每升高1 声速梯度 第一个近似水平分层介质 内波、大尺度涡漩、洋流和其它因素对海洋

6、分层的影响则需要单独进行讨论。T（）51015202530c（m/s）4.13.63.12.72.42.11s016.0dzdcg150m102.11.11dzdcca声速垂直梯度是水平梯度的声速垂直梯度是水平梯度的1000倍；倍；冷暖流交汇区基本相当。冷暖流交汇区基本相当。2021/3/10讲解：XX131.1 海水的特性 声速剖面 声速剖面的最大起伏出现在海洋表层声速剖面的最大起伏出现在海洋表层温度、盐度的温度、盐度的季节变化和日变化季节变化和日变化 1000m以下，温度变化甚微，声速随着深度的增大而以下，温度变化甚微，声速随着深度的增大而增大增大静压力静压力 日本海日本海从从200-30

7、0m深度一直延伸至海底，声速线性深度一直延伸至海底，声速线性增大增大 黑海黑海具有相似的声速结构具有相似的声速结构 010203005001000150020002500Temperature/CDepth/m1480150015201540156005001000150020002500Sound Speed/ms-12021/3/10讲解：XX141.1 海水的特性 声速剖面 深海声信道深海声信道该信道携带的声线为掠射角该信道携带的声线为掠射角 的声线：max2/100max/)(2cccm声速差越大，最大声线掠射角就越大，波导就越高效。声速差越大，最大声线掠射角就越大，波导就越高效。若大

8、于最大掠射角，声线首先在哪个边界发生反射？2021/3/10讲解：XX151.1 海水的特性 声速剖面 深海声信道深海声信道 深海声道的声道轴深度一般在深海声道的声道轴深度一般在10001200m 热带热带深度延伸至深度延伸至2000m 纬度越高，上部水温受热越小，声道轴逐渐上升甚纬度越高，上部水温受热越小，声道轴逐渐上升甚至升至海面至升至海面 地中海、黑海与日本海以及温带的太平洋，声道轴地中海、黑海与日本海以及温带的太平洋，声道轴位于位于100-300米米 中纬度地区，太平洋声道轴的声速从1450m/s变化到1485m/s；大西洋声道轴的声速则从1450m/s变化到1500m/s。2021/

9、3/10讲解：XX161.1 海水的特性 声速剖面 深海声信道深海声信道 黑海与波罗的海，有时声道轴之下声速的增加声道轴之下声速的增加是由于深层暖流所引起。如果声道轴以下介质的声速只受静压力静压力控制，则该声信道称为hydrostatical声信道。如果声道轴以下由于高盐度暖水团高盐度暖水团的出现导致声速升高，则称该声信道为thermal声信道。典型的thermal水下声信道发生在波罗的海和黑海。2021/3/10讲解：XX171.1 海水的特性 声速剖面 深海声信道深海声信道在深海声道中，声传播最大距离只受海水声吸收控制。在深海声道中，声传播最大距离只受海水声吸收控制。2021/3/10讲解

10、：XX181.1 海水的特性 声速剖面 深海声信道深海声信道 Heard Island：声源频率：声源频率57Hz、深度、深度157m（声道（声道轴），最远传播距离轴），最远传播距离18000km远距离声传播远距离声传播印度洋印度洋大西洋大西洋太平洋太平洋2021/3/10讲解：XX191.1 海水的特性 声速剖面 深海声信道深海声信道 当声源接近水面时，一系列亮区和影区将交替出现当声源接近水面时，一系列亮区和影区将交替出现 声线经过深水层折射后再次回到浅水区形成了汇聚声线经过深水层折射后再次回到浅水区形成了汇聚区区粗实线粗实线。汇聚区表现为高声强级。汇聚区表现为高声强级。2021/3/10讲

11、解：XX201.1 海水的特性 声速剖面 深海声信道深海声信道 声场这种独特的带状结构能在很远的距离上观测到声场这种独特的带状结构能在很远的距离上观测到 在在tropical Atlantic，人们在，人们在400km至至2300km的距的距离上观测到了离上观测到了37个汇聚区（个汇聚区（13.89Hz）由于传播路径上声速剖面的变化，在更远的距离上由于传播路径上声速剖面的变化，在更远的距离上汇聚区和影区交融在一起汇聚区和影区交融在一起2021/3/10讲解：XX211.1 海水的特性 声速剖面 深海声信道深海声信道 从从400km到到1000km距离上声场传播损失距离上声场传播损失 声源深度声

12、源深度21m声波频率声波频率111.1Hz 汇聚区之间的距离为汇聚区之间的距离为65km 声源深度声源深度104m声波频率声波频率13.89Hz 汇聚区之间的距离为汇聚区之间的距离为61.7km 不同频率声场汇聚区之间的距离差别是由波导效应引起的。不同频率声场汇聚区之间的距离差别是由波导效应引起的。2021/3/10讲解：XX221.1 海水的特性 声速剖面 表面声信道表面声信道 表面声道可以看作声道轴上移到水面，通常出现在表面声道可以看作声道轴上移到水面，通常出现在热带和温和区域（热带和温和区域（tropical and moderate zones）。）。2021/3/10讲解：XX231

13、.1 海水的特性 声速剖面 表面声信道表面声信道 在南极和北极地区、热带海区的地中海、秋季和冬季的浅海，声速持续增大并非常靠近海底。北冰洋典型声速剖面北冰洋典型声速剖面如下图所示。表面层较薄、声速最低，声速梯度大，为 15m10)54(a2021/3/10讲解：XX241.1 海水的特性 声速剖面 双轴声信道双轴声信道 表面声道和深海声道同时存在时出现这种声道。声线1保持在表面声道中传播；声线2主要在深海声道中传播；2021/3/10讲解：XX251.1 海水的特性 声速剖面 双轴声信道双轴声信道 双轴声道可在葡萄牙半岛沿岸的北大西洋中观测到。上面的声轴深度在450-500m，底下的声轴深度在

14、2000m。此声速分布的形成是由于地中海高盐暖水地中海高盐暖水团团入侵至大西洋1200m深水层的缘故。2021/3/10讲解：XX261.1 海水的特性 声速剖面 反波导声信道反波导声信道 由于太阳的强烈照射使得海面水温高，底下水温低，声速随着深度的增大单调减小。从声源到影区边缘的距离也只有几公里，但影区内声强并不为零，声波的衍射衍射、海水介质不均匀性的散射散射以及海底反射反射声对影区声场有贡献。2021/3/10讲解：XX271.1 海水的特性 声速剖面 浅海声信道浅海声信道 浅海和大陆架海域，夏秋季节由于表层海水受到太阳光的很好加热形成了如下图所示的典型声速分布。足够远传播的声波都将受到海

15、底反射海底反射的影响，在远距离上导致较大的损失。2021/3/10讲解：XX281.1 海水的特性 声泄漏 水下声道的“非理想性”是指声速沿传播路径的水平变化或声道边界的不平整性。泄漏是指脉冲信号最初在表面声道（深海声道）中传播，由于声速剖面的水平变化或海面的散射，而后又转到深海声道（表面声道）中去。2021/3/10讲解：XX291.1 海水的特性 声吸收 声吸收声吸收=经典声吸收（切变粘滞和热传导）经典声吸收（切变粘滞和热传导）+超吸收超吸收（驰豫）（驰豫）流体的切变粘滞消耗了一部分声能并转化为热能流体的切变粘滞消耗了一部分声能并转化为热能 海水的驰豫过程引起的体积粘滞（海水的驰豫过程引起

16、的体积粘滞（volume viscosity）对频率为对频率为100Hz-100kHz声波的吸收是主要因素声波的吸收是主要因素 另一个引起声强衰减的原因就是介质的散射另一个引起声强衰减的原因就是介质的散射 散射散射+吸收吸收=介质声吸收衰减介质声吸收衰减2021/3/10讲解：XX301.1 海水的特性 声吸收 海水衰减系数海水衰减系数Marsh和和Schulkin经验公式为（经验公式为（3kHz-0.5MHz）：）：第一个括号内的第一项代表 的驰豫吸收，第二项代表粘滞吸收 第二个括号代表吸收与静水压力的关系。压力的影响很微弱，4km深度上压力引起的衰减系数变化不超过30%。4MgSO2021

17、/3/10讲解：XX311.1 海水的特性 声吸收 更低的频段上（更低的频段上（100Hz-3kHz），衰减系数的），衰减系数的Thorp公公式：式：第一项表示硼酸 的驰豫吸收，驰豫频率为1kHz；第二项代表 的驰豫吸收，驰豫频率为65kHz；由于不同海洋pH值不同，硼酸的驰豫吸收有显著的地理位置差别。33BOH4MgSO2021/3/10讲解：XX321.1 海水的特性 声吸收 100Hz时，由于吸收导致声强衰减10倍的距离在8333km，而电磁场和大功率激光的距离都不足不足1km 衰减系数与频率的依赖关系的实验测量结果：衰减系数与频率的依赖关系的实验测量结果：包括大西洋、印度洋、太平洋、地

18、中海和红海。包括大西洋、印度洋、太平洋、地中海和红海。经验公式预报中深度取经验公式预报中深度取1240m。2021/3/10讲解：XX331.1 海水的特性 声吸收 Kibblewhite和Hampton重新处理了低频声吸收所有相关实验数据，提出了1kHz以下海水声衰减系数 系数 考虑了硼酸效应的地域变化，为与频率无关的附加衰减（dB/km）上式修正的物理机理仍不清楚，与频率无关的大尺度湍流不均匀性的散射可能是其原因之一；在几赫兹时，伴随着声能泄漏的衍射损失也是可观的。随着频率降低，由于衍射造成的衰减将增加。s310)2.42.0(K2021/3/10讲解：XX341.1 海水的特性 声吸收

19、数学上如何考虑介质的声吸收衰减？设介质的声吸收系数为 ，声速为 。复声速 可表示为 复波数 为：)(ccixcc1kirikkixcck)1(dB/rikkx/ckr/2021/3/10讲解：XX351.1 海水的特性 声吸收 平面波声压 可表示为：声强 可表示为：声波传播单位波长的衰减为：prkrikrikkirk iirireeep)(cecpIrki2222IikerIrITLlog20)()(log10)(2021/3/10讲解：XX361.1 海水的特性 声吸收4010ln4010ln4010ln2log20)Hzm()m()()(cfcekkxriHz:fm/s:cm:2021/3

20、/10讲解：XX37 海洋的可变性及对声波的影响 从声学的角度看，海洋是极端变化的：洋流、内波、小尺度湍流扰乱了声速的水平分层，导致了声传播的空间和时间的起伏。大尺度洋流和锋区（Frontal Zone）大尺度洋流的边界称为锋区大尺度洋流的边界称为锋区墨西哥湾暖流、自台湾东面的菲律宾海流向日本的暖流 在锋区处，海水的温度、盐度、密度和声速变化强温度、盐度、密度和声速变化强烈烈墨西哥湾暖流的北边，向北 ，每5海里温度降低10；南面则是弱的锋区，在马尾藻海和墨西哥湾暖流之间，温度只下降1-2。1.1 海水的特性N352021/3/10讲解：XX381.1 海水的特性 海洋的可变性及对声波的影响 大

21、尺度洋流和锋区左图为实验测量的远距离声传播，传播路径为从东南到西北横跨墨西哥湾暖流。声源为TNT炸药，深度为244m，投放点为覆盖墨西哥湾暖流部分传播路径，距离布放在百慕大海底两个深水水听器600-900km。接收信号按照1/3倍频程进行分析，中心频率分别为50Hz、80Hz、160Hz。从图中可以看出，在南面和北面锋区边缘投放的声源，接收声级最低。声源位置小的平移导致了6-10dB的声强的声强的变化。理论研究表明，这种变化可根据传播路径上的声速剖面的变化来解释，特别是马尾藻海冷水坡和暖水区之间声道轴深度的增大。2021/3/10讲解：XX39在开阔海域中也有中尺度涡漩。中尺度涡的参数变化范围

22、极大，其直径为25-500km，水流速度30-150cm/s，漩涡中心运动速度10cm/s。漩涡区域声速极其复杂，等速线上升高达700m，声速梯度朝向声速梯度朝向圆环中心显著增加圆环中心显著增加。1.1 海水的特性 海洋的可变性及对声波的影响 中尺度涡漩 在接近强烈的锋区处，如墨西哥湾暖流、自台湾东面的菲律宾海流向日本海的暖流，中尺度涡漩频繁可见。700m2021/3/10讲解：XX401.1 海水的特性 海洋的可变性及对声波的影响 中尺度涡漩 当无指向性点源位于环状中心，深度为200m，接收水听器位于300m，声波通过环状北面一半的区域后，其传播损失见下图。当声波沿着气旋环传播时，由于向下折

23、射声线的增加，信道中等深度的声能被移向深海声信道，声强级减声强级减小小；汇聚区水平宽度减小。2021/3/10讲解：XX411.1 海水的特性 海洋的可变性及对声波的影响 中尺度涡漩 在1000m接收深度上，声强级却升高声强级却升高了。分析声线轨迹可知，这是由于深海声信道中有效的声传播发生了。在300m接收深度，第一和第二汇聚区向声源方向移动了5km；但在1000m接收深度，它们分别移动了20km和30km。涡漩引起了较大的声场扰动。2021/3/10讲解：XX421.1 海水的特性 海洋的可变性及对声波的影响 内波 海洋中的内波是重力波重力波，深水处的振幅比海面处大 内波的周期从十几分钟变化

24、到惯性周期 周期为一昼夜或半昼夜的内波，波长达几十公里到几百公里，波高从10m到100m 周期为5-10min到2-4h的短周期内波，波高较小(1-20m)，波长从几百米到几千米 外海内波的速度在几十厘米/秒到几米/秒，沿海区域内波的速度不超过几十厘米/秒 内波不能存在于均匀液体中，可以传播内波的最简单的介质模型是双层模型（Lamb模型模型）sin/hours12T2021/3/10讲解：XX431.1 海水的特性 海洋的可变性及对声波的影响 内波 在Lamb模型中，内波振幅在两种液体分界面上最大 海水密度随深度连续变化，它依赖于温度、盐度和流体的静压力 深度4千米处的海水密度约比海面大2.5

25、%内波最常出现在密度梯度最大的层中 Visl频率N（自由振动频率）是海洋最重要的动力学特性之一 惯性频率：它等于地球自转角速度的两倍乘以纬度的正弦 2021/3/10讲解：XX441.1 海水的特性 海洋的可变性及对声波的影响 内波 产生机制潮流海底不平整性海流系统中流体动力扰动表面波的相互作用水文气象的扰动与航行和地震活动有关的机械扰动2021/3/10讲解：XX451.1 海水的特性 海洋的可变性及对声波的影响 内波 危害1893-1896年北极探险过程中，F.南森发现船只莫名其妙地减速。这是由于船只航行在很浅的密度跃层上方时，其动力造成在跃层处产生内波，船只的动能被消耗而显著减速，这种现

26、象称为“死水”1963年4月10日，美国“长尾鲨”号核潜艇在大西洋距波士顿港口350公里处突然沉没，沉没原因是内波将艇拖曳至海底，在巨大压力作用下破碎。2021/3/10讲解：XX461.1 海水的特性 海洋的可变性及对声波的影响 内波 下图给出了367Hz信号幅度和相位的时间起伏起伏。声源布放在近海底斜坡上，深度527m。接收水听器布放在近百慕大海底上，深度1723m。2021/3/10讲解：XX471.1 海水的特性 海洋的可变性及对声波的影响 内波：左图为相位谱，中间为对数幅度谱，右图为幅度谱。实验在百慕大东南进行，声源锚定在声道轴上，深度为1100米，靠近百慕大。(a)相位谱单调下降，

27、速率介于 和 之间(b)更深处水听器接收信号的相位谱下降速率更大一些，约为 5.015.12021/3/10讲解：XX481.1 海水的特性 海洋的可变性及对声波的影响 水体垂直方向的细微结构 海水的温度温度、盐度盐度、密度密度和流速流速随着深度的变化并不平滑，而是不连续不连续的 在某一层中，它们基本保持不变，并且迅速地从一层变化到另一层 水层的厚度从几十厘米变化到几十米，水平范围可达到几十公里 水层边界处温度和盐度的梯度超过海水平均梯度1-2个数量级 流速的垂直梯度达到2cm/s每米深度，并且在某些情况下水层边界处达到5-10cm/s每米深度2021/3/10讲解：XX491.1 海水的特性

28、 海洋的可变性及对声波的影响 水体垂直方向的细微结构 某些时候海水温度、盐度和密度的垂直剖面像矩形矩形阶梯结构阶梯结构。STD测量的温度、盐度和密度剖面。准均匀水层的厚度从8m变化到55m，夹层厚度从1m变化到8m。2021/3/10讲解：XX501.1 海水的特性 海洋的可变性及对声波的影响 水体垂直方向的细微结构 海洋的细微分层结构能显著地影响声场。声速剖面为马尾藻海观测获得，除了250-400m的水层外，海水流速恒为零。声源布放深度为350m。沿着洋流方向和逆着洋流方向上的声线轨迹如下图。2021/3/10讲解：XX511.1 海水的特性 海洋的可变性及对声波的影响 小尺度湍流 流体的一

29、种流动状态，也称为乱流、扰流、紊流乱流、扰流、紊流 海洋湍流具有相当宽的尺度谱。小尺度湍流的空间尺度从几厘米到十几米不等。由于大气的直接影响，海洋湍流总能够在海洋上面的混合层中观测得到。在深水中，它表现为独立的碎片，流速快速发生变化，物理参数存在起伏。海洋上层混合层折射率起伏可用结构函数结构函数表示为：221)()()(rnrnDn2021/3/10讲解：XX521.1 海水的特性 海洋的可变性及对声波的影响 小尺度湍流 局部各向同性湍流，Kolmogorov-Obukhov 2/3次方定律的结构函数为 上式的适用范围为 ，（不超过1cm）和 （几米的量级）分别为湍流的内外尺度。3/22)(n

30、nCD00Ll0l0L结构函数结构函数2021/3/10讲解：XX531.1 海水的特性 海洋的可变性及对声波的影响 小尺度湍流 介质折射率起伏引起了声波的散射，散射波和基波的叠加引起了声信号振幅和相位起伏。部分散射波将离开声信道，引起声场的附加衰减。距离声源距离声源6个距离上的结构函数：个距离上的结构函数：180m、340m、580m、710m、960m和和1100m。2021/3/10讲解：XX541.1 海水的特性 气泡的声散射 波浪破碎在海面形成的一薄层气泡对声波有很强的散射和吸收作用 当声波频率与气泡径向振动的固有频率一致时，这种作用更加大。1.5m、4m和和8m深度处气泡深度处气泡

31、的半径分布实验测量结果的半径分布实验测量结果测量是在海洋中央厚度为25m的等温层进行，温度为14。随着深度增大，共振频率频带变窄，浓度最大值出现在更大半径上，但浓度减小。在8m深度，共振频率从25kHz变化到97kHz。2021/3/10讲解：XX551.1 海水的特性 气泡的声散射 在1.5m深度，散射强度有一个极大值，并且随着深度的增大单调减小，在大约20m深度上低于了噪声水平 声波通过含气泡的介质时将发生相 位起伏。这种起伏是由于介质的声速 起伏产生的。这种变化要么是风浪高 度的变化引起静压力的变化导致气泡 共振频率分布范围的变化，或者是由 于气泡总体积的变化。气泡的体积散射强度与深度的

32、变化关系气泡的体积散射强度与深度的变化关系声波频率为声波频率为10kHz 17m102021/3/10讲解：XX561.1 海水的特性 深水散射层 声散射的另一个机制是海洋中深水散射层的出现 除了极区，深水散射层能够在所有的深海观察到 深水散射层的声散射主要是由于聚居深海的鱼的鱼鳔共振形成，鱼鳔的长度介于2-3cm和10-12cm之间 理论计算表明，每1-10千立方米水中有一些共振鱼就足以产生可观测的声效应 600m深度处最大的鱼（长度为7-20cm）的共振频率在3kHz到7kHz之间；最小的鱼（长度为2-3cm）的共振频率大约为20kHz 随着夜晚深水散射层的上浮，共振频率降低大致1.5-2

33、倍。2021/3/10讲解：XX571.1 海水的特性 深水散射层2021/3/10讲解：XX581.1 海水的特性 深水散射层 在海洋中，相似动物区系是在东西方向延伸，并且声散射更多地依赖于纬度而不是经度。在大西洋和太平洋的赤道圈上，纵向散射声强达到极大值；在纬度 内，常规声级降低几分贝；在更高纬度上，散射声强增加到与赤道处可比拟的量级；最小值出现在极地海区。205 2021/3/10讲解：XX591.1 海水的特性 环境噪声 海洋的重要声学特征就是水下环境噪声。它包含了大量信息，包括海面状态、海洋上方的气象、海洋下方地壳的演变过程、海洋动物的习性等等。0.1-10Hz：该频段的主要噪声源是

34、地震、水下火山喷发、远处的暴风雨、海洋和大气湍流、海面的某些过程（海面风浪的非线性相互作用）；50-300Hz：远处行船是主要噪声；由于该频段声波在深海中的衰减小，因此形成了一个连续的噪声背景；0.5-50kHz：此频段噪声直接与海面状态和所关心区域的风速有关。在这个频段内，噪声的产生有多种机制。包括波浪的破碎、空气饱和海面表层气泡坍塌；100kHz以上：分子热噪声是主要成分。2021/3/10讲解：XX601.1 海水的特性 环境噪声 这些频谱是由许多研究人员在许多位置测量得到的，并由Wenz进行总结，后来由Furduev进行补充。对于给定的一个频率，噪声动态变化范围依据水文气象学条件的不同

35、从40dB变化到变化到60dB。在冰覆盖的极区，噪声主要与冰覆盖的动力学有关，包括独立的大浮冰和冰原的移动及振动、在挤压之下冰的破裂、大浮冰相互磨擦、热裂化、在风作用下雪或者冰丸沿着冰的表面扫过等等。冰山融化噪声是由于受压下驻留在冰内部的小气泡由于压力释放产生爆炸。冰山噪声级依赖于冰山大小、海水深度、冰内部的气体容量、冰的融化速度等等。2021/3/10讲解：XX611.1 海水的特性 环境噪声 在北大西洋的一次实验中，在150-200m距离上测量得到的一个高25m、直径60m的孤立冰山在10kHz时单位赫兹带宽内的噪声级为82dB。在5-50kHz范围，噪声级明显升高，超过了10m深度处背景

36、噪声级15-40dB。2021/3/10讲解：XX621.1 海水的特性 海洋的可变性及对声波的影响 海面 海面很少平静，它最典型的特征就是其复杂的波浪运动。狂风引起的波浪极为不规则，具有随机特性。实验观测得到的海面波浪的垂直位移 为水平矢径和时间的函数。根据海上实验观测数据，空间某一点的位移的统计特性满足正太分布正太分布，但有点偏斜并且太尖，如下左图：),(tr2021/3/10讲解：XX631.2 边界的特性 海面 波浪斜率的二维分布具有相似的特点，但是偏离正太分偏离正太分布布更大，如下右图。2021/3/10讲解：XX641.2 边界的特性 海面 充分成长的海面粗糙度谱的参数只跟风速有关

37、。Pierson-Moskovitz获取的大量实验资料的量纲分析得到了如下粗糙度谱：风速为：10m/s16.3m/s20.6m/s2021/3/10讲解：XX651.2 边界的特性 海面的声散射 当声波入射到粗糙海面后将产生散射波。散射声场有相干成分和非相干成分。相干成分是指沿着特定反射方向传播的声波，可对散射声场关于波浪位移函数的统计平均计算得到。相干成分的幅度与入射平面波的幅度之比称为相干反射系数。如果海面是平滑的，则声波反射系数接近于-1，海面几乎是全反射界面。相干参数：相干声场强度与总声场强度（相干非相干）之比。2021/3/10讲解：XX661.2 边界的特性 海面的声散射 函数 与

38、实验数据吻合较好。当P1时，相干参数接近于零，此时散射声场几乎是不相干的。相干参数与瑞利参数的关系曲线相干参数与瑞利参数的关系曲线 2Pe2021/3/10讲解：XX671.2 边界的特性 海面的声散射(A)当掠射角 时，散射声场主要来自于粗糙海面上独立的小平面的镜反射引起。(B)在更小的掠射角下，声波的共振散射变得更重要。(C)在高频（10-20kHz）和小掠射角下，散射强度与掠射角的关系不明显在此情况下，海面上表层气泡的散射是主要贡献。随着声波频率的升高，气泡散射的相对贡献也增加。600反向散射强度与掠射角的典型关系曲线反向散射强度与掠射角的典型关系曲线海面风浪充分成长，风速约为海面风浪充

39、分成长，风速约为9.5m/s2021/3/10讲解：XX681.2 边界的特性 海面的声散射(A)在镜反射方向上散射声场的频谱是由相干声场频率为入射波频率的线谱和非相干声场的连续谱组成。连续谱就像两只翅膀分布在线谱的左右两侧。(B)实线1和2为 时散射声场频谱的翅膀，虚线则是频谱左侧翅膀，它关于纵轴对称。实线3则是粗糙海面波浪谱。散射声场的连续谱与波浪谱是一致的。入射波频率分别为入射波频率分别为110Hz和和312Hz时散射声场的频谱时散射声场的频谱 海面风速约为海面风速约为8.5m/s，掠射角约为，掠射角约为30度度0ff 2021/3/10讲解：XX691.2 边界的特性 海底 如果海面仅

40、仅是散射声波的话，海底不仅散射声波，而且还吸收一部分声能。投射到海底的一部分声能将进入海底，当水下声信道不存在时，这就是限制低频声波远距离传播的原因。人们或多或少地完整研究了沉积层表层至十几米深度的声学参数。基于不同区域深海沉积层大量样本的分析，人们建立了海底主要参数之间的联系。沉积物声速和密度以与海水声速和密度比的形式给出2021/3/10讲解：XX701.2 边界的特性 海底不同海区的实验表明，只有在比较低频率情况下，海底声反射才由沉积物参数决定。在几千赫兹以上，海底地貌发挥了重要作用2021/3/10讲解：XX711.2 边界的特性 海底 海洋地质学和地球物理学的研究对象。研究内容：海底

41、的结构、地形、沉积物。沉积物厚度：03500m 大西洋沉积物平均厚度：5001000m 大西洋海底按沉积物表层密度划分三类区域 十分靠近海岸的海区和浅海区，陆源沉积物，1.7-2.2g/cm3 深海多山，强切割，丘陵地形，石灰质淤泥，1.4-1.7g/cm3 深海平原，细粘土淤泥，1.2-1.4g/cm32021/3/10讲解：XX721.2 边界的特性 海底 沉积物是水和矿物颗粒组成的统计均匀的混合物 沉积物声速与孔隙率有关 孔隙率较大时(60%)，声速与孔隙率关系不大，比海水的声速小百分之几 孔隙率与密度有线性关系)68.2(61v2021/3/10讲解：XX731.2 边界的特性 海底

42、第一类区域：第二类区域：第三类区域：水饱和沉积物，声吸收系数主要由平均颗粒粒度、粒度分布、声波频率决定%60%29 v%77%60 v%89%77 v2021/3/10讲解：XX741.2 边界的特性 海底 根据海底地形将海区划分为三类 夷平海底区-深海平原和大陆架基底 强切割地形区-水下山脉的山脊地区 缓切割地形区-深海丘陵和海洋台地2021/3/10讲解：XX751.2 边界的特性 海底 在各种地貌区，包括深海平原、深海盆地、深海丘陵、大洋隆起、水下脊峰，海底声散射强度的频率、角度关系都不相同。当声源或者水听器或者两者都在运动时，观测到了海底散射信号的起伏。这种起伏的谱相关分析能够获得海底地貌数据，但依靠回声测深仪是难以获得该数据的。5kHz声波垂直入射时散射信号的包络声波垂直入射时散射信号的包络声源和水听器的装置漂流速度为声源和水听器的装置漂流速度为1.2节节2021/3/10讲解：XX76本章小结-海洋环境对声传播的影响 海水中的声速 海水介质的声吸收衰减 海洋的可变性 海面的声散射 深水散射层的声散射 海底的声散射和声吸收衰减 海洋环境噪声2021/3/1077感谢您的阅读收藏，谢谢！