1、College of Underwater Acoustic Engineering1第三章第三章 海洋的聲學特性海洋的聲學特性第五講第五講 海洋聲學參數及傳播損失海洋聲學參數及傳播損失College of Underwater Acoustic Engineering2第二章知識要點第二章知識要點n介質的特性阻抗與聲阻抗率介質的特性阻抗與聲阻抗率q平面波平面波q球面波球面波q柱面波柱面波n發生全透射的條件、特點發生全透射的條件、特點n發生全反射的條件、特點發生全反射的條件、特點n發生全內反射的條件、特點發生全內反射的條件、特點n等間距均勻點源離散直線陣的方向性函數等間距均勻點源離散直線陣的方

2、向性函數College of Underwater Acoustic Engineering3q主瓣、柵瓣、旁瓣的位置主瓣、柵瓣、旁瓣的位置q主極大、副極大、次極大、零點的位置主極大、副極大、次極大、零點的位置q方向銳角或波束寬度、方向銳角或波束寬度、-3dB波束寬度波束寬度q波束寬度與基陣孔徑、聲波頻率的關系波束寬度與基陣孔徑、聲波頻率的關系n可逆換能器陣的發射方向性與接收方向性關系可逆換能器陣的發射方向性與接收方向性關系College of Underwater Acoustic Engineering4本講主要內容本講主要內容n聲速經驗公式（了解）聲速經驗公式（了解）n海洋中聲速的變化（

3、重點）海洋中聲速的變化（重點）n傳播衰減概述（重點）傳播衰減概述（重點）n純水和海水的超吸收（重點）純水和海水的超吸收（重點）n非均勻液體中的聲衰減（了解）非均勻液體中的聲衰減（了解）College of Underwater Acoustic Engineering51海水中的聲速海水中的聲速n聲速聲速(Sound Speed)：海洋中重要的聲學參數，：海洋中重要的聲學參數，也是海洋中聲傳播的最基本物理參數也是海洋中聲傳播的最基本物理參數n流體介質中，聲波為彈性縱波，聲速為：流體介質中，聲波為彈性縱波，聲速為： n式中，密度式中，密度 和絕熱壓縮系數和絕熱壓縮系數 都是溫度都是溫度T、鹽度鹽

4、度S和靜壓力和靜壓力P的函數，因此，聲速也是的函數，因此，聲速也是Temperature、Salinity、Pressure的函數。的函數。 sc1sCollege of Underwater Acoustic Engineering6n聲速經驗公式聲速經驗公式q海洋中的聲速海洋中的聲速c（m/s）隨溫度）隨溫度T（）、）、鹽度鹽度S（）、壓力）、壓力P（kg/cm2）的增大）的增大而增大。而增大。q經驗公式是許多海上測量實驗總結得到的。經驗公式是許多海上測量實驗總結得到的。Caution：q單位單位q海水中鹽度變化不大，典型值海水中鹽度變化不大，典型值35；q經常用深度替代靜壓力，每下降經常

5、用深度替代靜壓力，每下降10m水深水深近似增加近似增加1個大氣壓的壓力。個大氣壓的壓力。College of Underwater Acoustic Engineering7PSTTc175. 03514. 1037. 021. 41450225/10013. 11mNatm式中，壓力式中，壓力P單位是大氣壓單位是大氣壓 n烏德公式烏德公式College of Underwater Acoustic Engineering8n聲速測量聲速測量q聲速剖面儀聲速剖面儀SVPSound Velocity Profileq溫鹽深測量儀溫鹽深測量儀CTDConductivity, Temperature

6、, Depthq拋棄式溫度測量儀拋棄式溫度測量儀XBT eXpendable BathyThermographCollege of Underwater Acoustic Engineering92001年中美聯合亞洲海水聲實驗年中美聯合亞洲海水聲實驗College of Underwater Acoustic Engineering102002年海上實驗年海上實驗College of Underwater Acoustic Engineering112006年海上實驗年海上實驗College of Underwater Acoustic Engineering12n海洋中的聲速變化海洋中的聲

7、速變化q海洋中聲速的垂直分層性質海洋中聲速的垂直分層性質q聲速梯度聲速梯度 zczyxc,PPSSTTcgagagadzdcg溫度變化溫度變化1度，聲速變化約度，聲速變化約4m/s鹽度變化鹽度變化1 ，聲速變化約，聲速變化約1m/s壓力變化壓力變化1個大氣壓，聲速變化約個大氣壓，聲速變化約0.2m/sCollege of Underwater Acoustic Engineering13典型深海聲速剖面典型深海聲速剖面Caution：在主躍變層在主躍變層和深海等溫和深海等溫層之間，有層之間，有一聲速極小一聲速極小值值聲道軸聲道軸 n海中聲速的基本結構海中聲速的基本結構College of Un

8、derwater Acoustic Engineering14n溫度溫度垂直分布的垂直分布的“三層結構三層結構”：q表面層表面層（表面（表面等溫層等溫層或混合層）：海洋表面受或混合層）：海洋表面受到陽光照射，水溫較高，但又受到風雨攪拌作到陽光照射，水溫較高，但又受到風雨攪拌作用。用。q季節躍變層季節躍變層：在表面層之下，特征是：在表面層之下，特征是負負溫度溫度梯梯度度或聲速梯度，此梯度隨季節而異。夏、秋季或聲速梯度，此梯度隨季節而異。夏、秋季節，躍變層明顯；冬、春（北冰洋）季節，躍節，躍變層明顯；冬、春（北冰洋）季節，躍變層與表面層合并在一起。變層與表面層合并在一起。q主躍變層主躍變層：溫度隨

9、深度巨變的層，特征是：溫度隨深度巨變的層，特征是負負的的溫度溫度梯度梯度或聲速梯度，季節對它的影響微弱。或聲速梯度，季節對它的影響微弱。q深海等溫層深海等溫層：在深海內部，水溫比較低而且穩：在深海內部，水溫比較低而且穩定，特征是定，特征是正聲速梯度正聲速梯度。 College of Underwater Acoustic Engineering15n溫度的季節變化、日變化和緯度變化溫度的季節變化、日變化和緯度變化季節變化季節變化近百慕大海區溫度隨月份的變化情況近百慕大海區溫度隨月份的變化情況 College of Underwater Acoustic Engineering16說明：說明：溫

10、度的季節變化和日變化主要發生在海洋上層溫度的季節變化和日變化主要發生在海洋上層 溫度溫度日變化日變化和和緯度變化緯度變化College of Underwater Acoustic Engineering17淺海溫度剖面淺海溫度剖面淺海溫度剖面分布具有明顯的季節特征：淺海溫度剖面分布具有明顯的季節特征：冬季，大多屬于冬季，大多屬于等溫層等溫層的聲速剖面；的聲速剖面；夏季為夏季為負躍變層負躍變層聲速梯度剖面。聲速梯度剖面。 College of Underwater Acoustic Engineering18n 海水溫度的起伏變化海水溫度的起伏變化 q 溫度起伏的原因多種多樣：溫度起伏的原因多

11、種多樣：湍流湍流海面波浪海面波浪渦旋渦旋內波等因素內波等因素聲傳播起伏的原因之一聲傳播起伏的原因之一 College of Underwater Acoustic Engineering19n 聲速分布分類（聲速分布分類（分成四類分成四類 ） 第一類第一類 深海聲道聲速分布深海聲道聲速分布右圖為深海聲道典型聲右圖為深海聲道典型聲速分布，特點：速分布，特點：在某一深度處有一在某一深度處有一聲速最小值聲速最小值。兩圖不同之處：兩圖不同之處：圖（圖（a）表面聲速）表面聲速小小于于海底聲速；海底聲速；圖（圖（b）表面聲速）表面聲速大大于于海底聲速。海底聲速。College of Underwater

12、Acoustic Engineering20n 聲速分布分類聲速分布分類 第二類第二類表面聲道聲速分布表面聲道聲速分布右圖為表面聲道聲速分布，右圖為表面聲道聲速分布，特點：特點：在某一深度處有一聲在某一深度處有一聲速極大值。速極大值。形成原因：形成原因：在秋冬季節，水面溫在秋冬季節，水面溫度較低，加上風浪攪拌，度較低，加上風浪攪拌，海表面層溫度均勻分布，海表面層溫度均勻分布，在層內形成正聲速梯度在層內形成正聲速梯度分布分布College of Underwater Acoustic Engineering21n 聲速分布分類聲速分布分類 第三類第三類反聲道聲速分布反聲道聲速分布右圖為反聲道聲速

13、分布，特右圖為反聲道聲速分布，特點：點：聲速隨深度單調下降。聲速隨深度單調下降。形成原因：形成原因：海洋上部的海水受到太陽海洋上部的海水受到太陽強烈照射的結果。強烈照射的結果。College of Underwater Acoustic Engineering22n 聲速分布分類聲速分布分類 右圖為淺海常見聲速分布，特點：右圖為淺海常見聲速分布，特點：聲速隨深度單調下降。聲速隨深度單調下降。形成原因：形成原因：海洋上部的海水受到太陽強海洋上部的海水受到太陽強烈照射的結果。烈照射的結果。圖（圖（ d ）與圖（）與圖（ e ）不同之處：）不同之處：后者是淺海中的負梯度分布，后者是淺海中的負梯度分布

14、，需計入海底對聲傳播的影響。需計入海底對聲傳播的影響。 第四類第四類淺海常見聲速分布淺海常見聲速分布College of Underwater Acoustic Engineering232海水中的聲吸收海水中的聲吸收 n傳播衰減概述傳播衰減概述 q聲波傳播的強度衰減（傳播損失）原因：聲波傳播的強度衰減（傳播損失）原因：n擴展損失擴展損失（幾何衰減）：聲波波陣面在傳播過程中（幾何衰減）：聲波波陣面在傳播過程中不斷擴展引起的聲強衰減。不斷擴展引起的聲強衰減。n吸收損失吸收損失：均勻介質的：均勻介質的粘滯性粘滯性、熱傳導熱傳導性以及其它性以及其它馳豫過程馳豫過程引起的聲強衰減。引起的聲強衰減。n散

15、射散射：介質的不均勻性引起的聲波散射導致聲強衰：介質的不均勻性引起的聲波散射導致聲強衰減減q不均勻性包括不均勻性包括：海洋中泥沙、氣泡、浮游生物等：海洋中泥沙、氣泡、浮游生物等懸浮粒子以及介質本身的不均勻性和海水界面對懸浮粒子以及介質本身的不均勻性和海水界面對聲波的散射。聲波的散射。 College of Underwater Acoustic Engineering24n擴展損失擴展損失q簡諧平面波聲壓簡諧平面波聲壓n沒有擴展損失沒有擴展損失q簡諧球面波聲壓簡諧球面波聲壓 n擴展損失擴展損失 kxtippexp0 dBxIITL01lg10krtirppexp0 dBrrIITLlg201l

16、g10College of Underwater Acoustic Engineering25n擴展損失的一般形式擴展損失的一般形式qn=0：適用管道中的聲傳播，平面波傳播，：適用管道中的聲傳播，平面波傳播，TL=0；qn=1：適用表面聲道和深海聲道，柱面波傳播，：適用表面聲道和深海聲道，柱面波傳播，TL=10logr，相當于全反射海底和全反射海面組相當于全反射海底和全反射海面組成的理想波導中的傳播條件；成的理想波導中的傳播條件； qn=1.5：適用計及海底聲吸收時的淺海聲傳播：適用計及海底聲吸收時的淺海聲傳播 ，TL=15logr，相當于計入界面聲吸收所引起的對相當于計入界面聲吸收所引起的對

17、柱面波的傳播損失的修正；柱面波的傳播損失的修正；qn=2：適用于開闊水域（自由場），球面波傳：適用于開闊水域（自由場），球面波傳播，播，TL=20logr； dBrnTLlg10College of Underwater Acoustic Engineering26 n吸收系數吸收系數q均勻介質的聲吸收均勻介質的聲吸收n介質介質切變粘滯切變粘滯的聲吸收（的聲吸收（經典聲吸收經典聲吸收） n介質介質熱傳導熱傳導聲吸收（聲吸收（經典聲吸收經典聲吸收） n馳豫馳豫吸收（吸收（超吸收超吸收）dx假設平面波傳播距離假設平面波傳播距離 后，由于聲吸收而引后，由于聲吸收而引起聲強降低為起聲強降低為 ，則，則

18、IdxdI2dI xeIxI20College of Underwater Acoustic Engineering27 xppx0ln1取自然對數得：取自然對數得： 為聲壓振幅的自然對數衰減，為聲壓振幅的自然對數衰減，無量綱，稱為：奈貝無量綱，稱為：奈貝(Neper)物理意義：物理意義：單位距離的分貝數，單位距離的分貝數，Neper/m通常將聲強寫成下式：通常將聲強寫成下式： 10010 xIxI取常用對數得：取常用對數得： xppxxIIx00lg20lg10物理意義：物理意義：單位距離的分貝數，單位距離的分貝數，dB/m xpp /ln0College of Underwater Aco

19、ustic Engineering28rrnTLlg10總傳播損失（總傳播損失（擴展擴展+吸收吸收）等于：）等于： 68. 8lg20lnlg200exppex即：即：1Neper=8.68dB 111lg10 xxxxIITL聲吸收引起的傳播損失：聲吸收引起的傳播損失： College of Underwater Acoustic Engineering29純水聲吸收系數純水聲吸收系數實際吸收系數的測量值遠大于經典吸收系實際吸收系數的測量值遠大于經典吸收系數理論值，兩者差值稱為數理論值，兩者差值稱為超吸收超吸收 n純水的超吸收純水的超吸收College of Underwater Acous

20、tic Engineering30n海水的超吸收海水的超吸收qCaution：n海水的聲吸收系數海水的聲吸收系數與聲波頻率、溫度、與聲波頻率、溫度、壓力、鹽度等因素壓力、鹽度等因素有關，但鹽度的影有關，但鹽度的影響較小；響較小；n對于不同聲波頻率，對于不同聲波頻率，應選擇不同的經驗應選擇不同的經驗公式來計算海水的公式來計算海水的吸收系數吸收系數 海水和淡水的聲吸收系數海水和淡水的聲吸收系數College of Underwater Acoustic Engineering31n非均勻液體中的聲衰減非均勻液體中的聲衰減q含有氣泡群的海水具有非常高的聲吸收含有氣泡群的海水具有非常高的聲吸收 n熱傳導效應：熱傳導效應：氣泡壓縮、膨脹，內部溫度升氣泡壓縮、膨脹，內部溫度升高，發生熱交換，聲能轉化為熱能而消耗掉。高，發生熱交換，聲能轉化為熱能而消耗掉。n粘滯性：粘滯性：海水對氣泡壓縮、膨脹的粘滯作用，海水對氣泡壓縮、膨