第三章 海洋的声学特性

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1、第三章海洋的声学特性本章从声学角度讨论海洋、海洋的不均匀性和多变性，弄清声信号传播的环境，有助于海中 目标探测、声信号识别、通讯和环境监测等问题的解决。3.1海水中的声速声速：海洋中重要的声学参数，也是海洋中声传播的最基本物理参数。海洋中声波为弹性纵波，声速为：1c = c加 s式中，密度P和绝热压缩系数Ps都是温度T、盐度S和静压力P的函数，因此，声速也是T、S、 P的函数。1、声速经验公式海洋中的声速c （泓）随温度T （C）、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：较为准确的经验公式：c = 1449.22 + A

2、c + Ac + Ac + AcT S P STP式中，A % = 4.6233T - 5.4585 x 10- 2 T 2 + 2.822 x 10- 4 T 3 - 5.07 x 10 - 7 T 4Ac = 1.391（S - 35）- 7.8 x 10-2（S - 35SAc? = 1.60518 x 10-1P +1.0279 x 10-5P2 + 3.451 x 10-9P3 - 3.503 x 10-12 P4A c=（S - 35义 1.197 x 10 -3 T + 2.61x 10 -4 P-1.96 x 10-1P 2 - 2.09 x 10 -6 PTSTP II+ P

3、-2.796 x 10-4T +1.3302 x 10-5 T2 - 6.644 x 10-8T3 + P2 L 2.391x 10-1T + 9.286 x 10-10T2一1.745 x 10-10 P3T上式适用范围：-3CT30C、33%oS37%。、1.013x 105N/m2G个大气压） P 0是比例常数，负号表示dI是声强的负标量（dI 5时，散射强度10lgms近似与cos 20成正比。 在小入射角时，散射强度一般与频率无关； 在小入射角0时，散射强度随0的减小而增加。 在大入射角时，散射强度可能与频率的四次 方乘正比。右图为非常粗糙海底上的反向散射强度与入射角的关系：反向散射

4、强度基本上与入射角和频率无关。1、海底沉积层海底沉积层：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。下面介绍海底沉积层的物理性质:（一）密度沉积物密度（质饱和容积密度）等于:p = np +G - n )p式中，孔隙度n是指沉积物体积中含有水分体积的百分数；p巧为孔隙水密度，也可认为与海底 的海水密度相等，取P* =1.024g /cm3 ； p s为无机物固体密度。孔隙度n大小有许多因素决定，如无机物的大小、形状和分布，矿物成分，沉积物构造和固 体颗粒的紧密程度等。常识I：深海平原和丘陵，粉砂粘土是主要沉积物类型，深海平原 p r 1.333g/cm3,深海丘陵p r 1.344

5、 g / cm3（二）声速沉积层中有压缩波速度（声速）c和切变波速度cs两种:Gp:E + 3 G=1=式中，E和G为沉积层的弹性模量和刚性（切变）模量。孔隙度是可以测量和计算的量，因此可以预报声速值。p与n呈线性关系，因此声速和p之 间关系与声速和n之间关系相同。Hamilton给出三种不同类型沉积物的声速、密度和孔隙度的实验值。 沿 5 二寸单，sic皆尊.世OJ里二一科非董（三）衰减损失大量测量数据结果（Hamilton）,沉积层中尸波的 衰减系数（dB/m）：a = Kf m式中，K为常数；f为频率，kHz； m为指数，m r 1。图为天然饱和沉积物和沉积层中声波衰减系数与 频率一次方

6、成比例。2、海底声反射损失海底反射损失:反射声振幅相对入射声振幅减小的分 贝数，定义为：BL = -20lg p = -20lg |P.海底反射损失为正值，BL分贝数越大，海底反射损失越大；忆|为反射系数模值。（一）高声速海底特点：海底呈液态、声速大于海水声速（ %，n 1）。海底反射损失BL值和反射系数模|随掠射角甲的变化，如图（a）所示。曲线a是海底没 有声吸收情况；曲线b和c是海底有声吸收情况，曲线c海底声吸收大于曲线b的海底声吸收。（二）低声速海底特点：声速小于海水声速（c2 1）。海底反射损失BL值和反射系数模峪随掠射角甲的变化，如图（b）所示。曲线a是海底没 有声吸收情况；曲线b和

7、c是海底有声吸收情况，曲线c海底声吸收大于曲线b的海底声吸收。声波垂直入射， 损失为：V= P 2 & PgP2 C2 + P1C1反射系数和海底反射BL = -20lg 忆|右图为根据深海实测到的海底反射损 失的平均值，小掠射角的数据是实验值的 外推。由此图可看出，海底沉积层的反射 损失随掠射角变化有三个特征：（1）存在一个“分界掠射角”中* ；当9 9*时，反射损失较大。9*是海底反射损失的一个特征参数。（2）小掠射角99*范围内，反射损失与中无明显依赖关系，有时会出现反射损失值的“振荡”变化，一般可近似为常数。根据海底反射的特征，我国学者尚尔昌提出三参数模型:-20ln 忆(p) =一

8、ln |匕 | = const09 9*兀9* 9 三个参数为：Q、9*和-ln|匕|。该模型表示海底反射损失的 基本特征。参数计算：根据反射系数表达式和Hamilton总结的沉积物衰减系数a = Kf求得。（1）“分界掠射角” 9*为全内反射角：9* = arccosCn），声速比n =住。c2（2）忆|为掠射角等于兀/2时的反射系数模：忆| =竺一，密度比m = %。00 m + np1（3）参数Q等于Q uBl-lnWG）。根据全内反射时反射系数：洒9=0r mcos0. + sin20. 一 n2令EK = M1 + iM 2imcos0. 一i顼sin20. 一n2（将海底声速视为复

9、数），则Q =-互mM2 /注意：三参数模型可用于分析海洋中声场的平均结构。3.4海面海面波浪：周期性一一周期、波长、波速和波高等量来描述其特征；随机起伏性一一概率密度分布、方差、谱和相关函数等来描述其特征。1、波浪的基本特征（一）重力波重力波：以重力作为恢复力的波动。描述波浪的四要素：波长、波高、周期和波速，它们之 间的关系：A=cT。波浪的波数：k = 2兀 = /.c。忽略粘滞性的影响，水深h的均匀海洋的波速：c 2 = tanhCkh）k式中，g为重力加速度。（二）表面张力波表面张力波：表面张力为主要恢复力的波动。通常是小风速时，海水表面曲率半径只有几厘米。波速为:式中，Tf为表面张力

10、。波长越长，代表表面张 力波速的第二项就减小，见图中虚线a。常识：波长大于10cm基本上属于重力波。注意：波长与波速之间的变化关系，重力波与 表面张力波不同。对于小波长的波，表面深水有tanh（kh）牝1，则波速简写成：根据上述波速（相速度）表达式，波速与频率（和波长）有关，形成波浪频散一一I弥散波。 对于多个频率传播的波，其传播速度由群速度决定。（三）波浪的形成和等级波浪的形成与风速、风持续时间、风区等因素有关。风传给波浪的能量等于波浪破碎时损失 的能量（达到平衡状态），风浪成为充分成长的风浪。国际标准：海况分成9级，见书中列表。概念：平均波高H :波峰到波谷垂直距离的平均值。有效波高H13

11、:记录中1/3最大波高的平均值；平均1/10最大波高H顶：记录中1/10最大波高的平均值;三者之间关系：H = 0-25H13 = 0.20H1102、波浪的统计特征波浪有随机性，将其视为随机过程，研究其统计特性:（一）波浪的概率密度分布海面偏离平衡位置的位移匚0服从高斯分布:P（Q ）= . 1 e1960年，Kinsman实际测量表明：海面的概率分布服从正偏态的Gram-Charlier分布，与高 斯分布稍有差别。常识：在水声学中经常将波面的概率分布视为高斯分布。（二）波浪的谱在水声学中，经常采用1964年Pierson和Moskowity根据大量观测资料提出充分成长的波谱， 即P-M谱：

12、s（ro）= 15。冲普:式中，=8-1 X10 -3 = 0.74； O 0 = g.%， 为海面 19.5m 处的风速，血&P-M谱为一维谱，而实际上波浪是时空谱。3、海面表面层内的气泡层有风浪的海面下经常形成一层空气泡，它的厚度和浓度取决于波浪要素、表层水的湍动混合 强度、空化强度以及溶解在水中的空气饱和程度。关于气泡的声学性质在后续章节中介绍。4、海面对声传播的影响简介海面反射性质：镜反射和漫散射，随着海面粗糙度增加，漫散射场占主要分量。在水声学中，海面的反向散射是海面混响的形成原因。海面波动，其散射场中含有多普勒频 移分量。详细内容会在后续章节中介绍3.5海洋内部的不均匀性海洋的不均

13、匀性：海底海面的不均匀行、海水温度和盐度垂直分层特性，内部湍流、内部、 海流和深水散射层等等。1、湍流湍流|：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。它形成海水中温度和盐度的席位结构变化，引起声速的微结构变化。2、内波内波：两种不同密度液体在其叠合界面上所产生的波动。内波波长可达几十公里到几百公里，波 高从10米到100米。它对低频、远距离的声传播信号有中大影响。3、海流海流：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。4、深水散射层深水散射层I：海洋中某些深度上水平聚居的生物群。它随着昼夜上下移动，同时也随纬度和季节 变化。由于气囊的共振散射，它会产生很大的混响背景。