第1章--與海洋聲學(xué)有關(guān)的海洋特性

1、水聲學(xué)原理,哈爾濱工程大學(xué)水聲工程學(xué)院2016年2月,哈爾濱工程大學(xué) 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,2,課程簡介,課程前后銜接,哈爾濱工程大學(xué) 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,

2、3,課程簡介,水聲學(xué)海洋環(huán)境的聲學(xué)特性簡正波、射線、虛源聲傳播規(guī)律與水文環(huán)境的關(guān)系目標(biāo)的聲散射海洋混響強(qiáng)度預(yù)報(bào)方法水下噪聲譜級(jí)與噪聲級(jí),哈爾濱工程大學(xué) 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,4,課程簡介,水聲傳播原理分層介質(zhì)情況下的聲傳播深海聲道中的聲傳播非分層介質(zhì)中的聲場聲場分布的數(shù)值計(jì)算（P

3、E）海底聲學(xué)特性分析,哈爾濱工程大學(xué) 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,5,課程簡介,課程目的掌握水下聲傳播研究中所涉及的聲場建模理論、目標(biāo)聲散射建模理論、海洋混響強(qiáng)度和時(shí)域波形預(yù)報(bào)理論、海洋環(huán)境噪聲場空間特性建模理論等最基礎(chǔ)、但卻非常重要的水聲學(xué)基本理論為三維聲場研究、復(fù)雜目標(biāo)的聲散射研究、非分層介質(zhì)中

4、混響研究、復(fù)雜海洋環(huán)境噪聲場空間特性研究提供理論基礎(chǔ)，也為水聲信號(hào)處理算法研究提供一定指導(dǎo),哈爾濱工程大學(xué) 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,6,課程簡介,主要內(nèi)容與聲學(xué)相關(guān)的海洋特性 海洋聲場特性分析與應(yīng)用 水下目標(biāo)的回波特性 海面海底的聲散射機(jī)理與海洋混響 海洋環(huán)境噪聲場空間相關(guān)特性建模理論 聲

5、納系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與聲納性能預(yù)報(bào),哈爾濱工程大學(xué) 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,7,課程簡介,教材Fundamentals of ocean acoustics. 3rd Ed. L.M. Brekhovskikh, Yu.P. Lysanov. Springer, 2001.Fundamentals of

6、acoustical oceanography. Hermann Medwin, Charence S. Clay. Academic Press, San Diego,1998.海洋聲學(xué). 布列霍夫斯基赫著, 科學(xué)出版社, 1983年 水聲學(xué)（第二版）. 汪德昭, 尚爾昌. 科學(xué)出版社 實(shí)用聲納工程. [英]A. D. Waite著, 王德石等譯. 電子工業(yè)出版社, 2004年,哈爾濱工程大學(xué)

7、 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,8,課程簡介,學(xué)習(xí)方法課堂聽課查閱文獻(xiàn)數(shù)學(xué)推導(dǎo)數(shù)值仿真考核形式閉卷考試？開卷考試？大作業(yè)？課程要求,第1章 與聲學(xué)相關(guān)的海洋特性,哈爾濱工程大學(xué) 碩士學(xué)位課程,

8、水聲學(xué)原理,10,本章主要內(nèi)容,,水體,海面/海底,聲速聲速剖面聲吸收海洋的可變性(洋流、渦旋、內(nèi)波、水體垂直微結(jié)構(gòu)、湍流)氣泡的聲散射深水散射層的散射環(huán)境噪聲,海面的隨機(jī)起伏海面聲散射海底的特性,哈爾濱工程大學(xué) 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,11,1.1 海水的特性,海水最典型的特性—非

9、均勻性有規(guī)聲速剖面—水下聲信道隨機(jī)不均勻性—散射—聲場起伏海水中的聲速聲速經(jīng)驗(yàn)公式適用范圍溫度： ℃ 鹽度： ‰ 深度： m,哈爾濱工程大學(xué) 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,12,1.1 海水的特性,海水

10、中的聲速溫度每升高1℃ 聲速梯度第一個(gè)近似—水平分層介質(zhì)內(nèi)波、大尺度渦漩、洋流和其它因素對(duì)海洋分層的影響則需要單獨(dú)進(jìn)行討論 。,,※聲速垂直梯度是水平梯度的1000倍；※冷暖流交匯區(qū)基本相當(dāng)。,哈爾濱工程大學(xué) 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,13,1.1 海水的特性,聲速剖面聲速剖面的

11、最大起伏出現(xiàn)在海洋表層—溫度、鹽度的季節(jié)變化和日變化1000m以下，溫度變化甚微，聲速隨著深度的增大而增大—靜壓力日本?！獜?00-300m深度一直延伸至海底，聲速線性增大黑?！哂邢嗨频穆曀俳Y(jié)構(gòu),哈爾濱工程大學(xué) 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,14,1.1 海水的特性,聲速剖面深海聲信道

12、該信道攜帶的聲線為掠射角 的聲線：,※聲速差越大，最大聲線掠射角就越大，波導(dǎo)就越高效。,若大于最大掠射角，聲線首先在哪個(gè)邊界發(fā)生反射？,哈爾濱工程大學(xué) 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,15,1.1 海水的特性,聲速剖面深海聲信道深海聲道的聲道軸深度一般在1000—1200

13、m熱帶—深度延伸至2000m緯度越高，上部水溫受熱越小，聲道軸逐漸上升甚至升至海面地中海、黑海與日本海以及溫帶的太平洋，聲道軸位于100-300米 中緯度地區(qū)，太平洋聲道軸的聲速從1450m/s變化到1485m/s；大西洋聲道軸的聲速則從1450m/s變化到1500m/s。,哈爾濱工程大學(xué) 碩士

14、學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,16,1.1 海水的特性,聲速剖面深海聲信道黑海與波羅的海，有時(shí)聲道軸之下聲速的增加是由于深層暖流所引起。如果聲道軸以下介質(zhì)的聲速只受靜壓力控制，則該聲信道稱為hydrostatical聲信道。如果聲道軸以下由于高鹽度暖水團(tuán)的出現(xiàn)導(dǎo)致聲速升高，則稱該聲信道為thermal聲信道。典型的thermal水下聲信道發(fā)生在波羅的海和黑海。,哈爾濱工程大學(xué)

15、 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,17,1.1 海水的特性,聲速剖面深海聲信道,※在深海聲道中，聲傳播最大距離只受海水聲吸收控制。,哈爾濱工程大學(xué) 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,18,1.1 海水的特性,聲速剖面深海聲信道He

16、ard Island：聲源頻率57Hz、深度157m（聲道軸），最遠(yuǎn)傳播距離18000km—遠(yuǎn)距離聲傳播,印度洋,大西洋,太平洋,哈爾濱工程大學(xué) 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,19,1.1 海水的特性,聲速剖面深海聲信道當(dāng)聲源接近水面時(shí)，一系列亮區(qū)和影區(qū)將交替出現(xiàn)聲線經(jīng)過深水層折射后再次

17、回到淺水區(qū)形成了匯聚區(qū)—粗實(shí)線。匯聚區(qū)表現(xiàn)為高聲強(qiáng)級(jí)。,,,哈爾濱工程大學(xué) 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,20,1.1 海水的特性,聲速剖面深海聲信道聲場這種獨(dú)特的帶狀結(jié)構(gòu)能在很遠(yuǎn)的距離上觀測到在tropical Atlantic，人們在400km至2300km的距離上觀測到了37個(gè)匯聚區(qū)（13.8

18、9Hz）由于傳播路徑上聲速剖面的變化，在更遠(yuǎn)的距離上匯聚區(qū)和影區(qū)交融在一起,哈爾濱工程大學(xué) 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,21,1.1 海水的特性,聲速剖面深海聲信道從400km到1000km距離上聲場傳播損失,聲源深度21m聲波頻率111.1Hz 匯聚區(qū)之間的距離為65km,,,聲源深度104

19、m聲波頻率13.89Hz 匯聚區(qū)之間的距離為61.7km,,,※不同頻率聲場匯聚區(qū)之間的距離差別是由波導(dǎo)效應(yīng)引起的。,哈爾濱工程大學(xué) 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,22,1.1 海水的特性,聲速剖面表面聲信道表面聲道可以看作聲道軸上移到水面，通常出現(xiàn)在熱帶和溫和區(qū)域（tropical and mo

20、derate zones）。,哈爾濱工程大學(xué) 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,23,1.1 海水的特性,聲速剖面表面聲信道在南極和北極地區(qū)、熱帶海區(qū)的地中海、秋季和冬季的淺海，聲速持續(xù)增大并非?？拷５住１北蟮湫吐曀倨拭嫒缦聢D所示。表面層較薄、聲速最低，聲速梯度大，為,哈爾濱工程大學(xué)

21、 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,24,1.1 海水的特性,聲速剖面雙軸聲信道表面聲道和深海聲道同時(shí)存在時(shí)出現(xiàn)這種聲道。聲線1保持在表面聲道中傳播；聲線2主要在深海聲道中傳播；,哈爾濱工程大學(xué)

22、 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,25,1.1 海水的特性,聲速剖面雙軸聲信道雙軸聲道可在葡萄牙半島沿岸的北大西洋中觀測到。上面的聲軸深度在450-500m，底下的聲軸深度在2000m。此聲速分布的形成是由于地中海高鹽暖水團(tuán)入侵至大西洋1200m深水層的緣故。,哈爾濱工程大學(xué) 碩士學(xué)位課程,水

23、聲學(xué)原理,26,1.1 海水的特性,聲速剖面反波導(dǎo)聲信道由于太陽的強(qiáng)烈照射使得海面水溫高，底下水溫低，聲速隨著深度的增大單調(diào)減小。從聲源到影區(qū)邊緣的距離也只有幾公里，但影區(qū)內(nèi)聲強(qiáng)并不為零，聲波的衍射、海水介質(zhì)不均勻性的散射以及海底反射聲對(duì)影區(qū)聲場有貢獻(xiàn)。,哈爾濱工程大學(xué) 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,

24、27,1.1 海水的特性,聲速剖面淺海聲信道淺海和大陸架海域，夏秋季節(jié)由于表層海水受到太陽光的很好加熱形成了如下圖所示的典型聲速分布。足夠遠(yuǎn)傳播的聲波都將受到海底反射的影響，在遠(yuǎn)距離上導(dǎo)致較大的損失。,哈爾濱工程大學(xué) 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,28,1.1 海水的特性,聲泄漏水下聲道的“非理想

25、性”是指聲速沿傳播路徑的水平變化或聲道邊界的不平整性。 泄漏是指脈沖信號(hào)最初在表面聲道（深海聲道）中傳播，由于聲速剖面的水平變化或海面的散射，而后又轉(zhuǎn)到深海聲道（表面聲道）中去。,哈爾濱工程大學(xué) 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,29,1.1 海水的特性,聲吸收聲吸收=經(jīng)典聲吸收（切變粘滯和熱傳導(dǎo)）+超吸

26、收（馳豫）流體的切變粘滯消耗了一部分聲能并轉(zhuǎn)化為熱能海水的馳豫過程引起的體積粘滯（volume viscosity）對(duì)頻率為100Hz-100kHz聲波的吸收是主要因素另一個(gè)引起聲強(qiáng)衰減的原因就是介質(zhì)的散射散射+吸收=介質(zhì)聲吸收衰減,哈爾濱工程大學(xué) 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,30,1.1 海水

27、的特性,聲吸收海水衰減系數(shù)Marsh和Schulkin經(jīng)驗(yàn)公式為（3kHz-0.5MHz）： 第一個(gè)括號(hào)內(nèi)的第一項(xiàng)代表 的馳豫吸收，第二項(xiàng)代表粘滯吸收第二個(gè)括號(hào)代表吸收與靜水壓力的關(guān)系。壓力的影響很微弱，4km深度上壓力引起的衰減系數(shù)變化不超過30%。,哈爾濱工程大學(xué)

28、 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,31,1.1 海水的特性,聲吸收更低的頻段上（100Hz-3kHz），衰減系數(shù)的Thorp公式： 第一項(xiàng)表示硼酸 的馳豫吸收，馳豫頻率為1kHz；第二項(xiàng)代表 的馳豫吸收，馳豫頻率為65kHz；由于不同海洋pH值不同，硼酸的馳豫吸收有顯著的地理位置差別。,,哈爾濱工程大學(xué)

29、 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,32,1.1 海水的特性,聲吸收100Hz時(shí)，由于吸收導(dǎo)致聲強(qiáng)衰減10倍的距離在8333km，而電磁場和大功率激光的距離都不足1km,衰減系數(shù)與頻率的依賴關(guān)系的實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果：包括大西洋、印度洋、太平洋、地中海和紅海。經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)報(bào)中深度取1240m。,,哈爾濱工程大學(xué)

30、 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,33,1.1 海水的特性,聲吸收Kibblewhite和Hampton重新處理了低頻聲吸收所有相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出了1kHz以下海水聲衰減系數(shù) 系數(shù) 考慮了硼酸效應(yīng)的地域變化， 為與頻率無關(guān)的附加衰減（ dB/km）上式修正的物理機(jī)理仍不清楚，與頻率無關(guān)的大尺度湍流不均勻性的散

31、射可能是其原因之一；在幾赫茲時(shí)，伴隨著聲能泄漏的衍射損失也是可觀的。隨著頻率降低，由于衍射造成的衰減將增加。,,,哈爾濱工程大學(xué) 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,34,1.1 海水的特性,聲吸收數(shù)學(xué)上如何考慮介質(zhì)的聲吸收衰減？ 設(shè)介質(zhì)的聲吸收系數(shù)為 ，聲速為

32、 。復(fù)聲速 可表示為 復(fù)波數(shù) 為：,哈爾濱工程大學(xué) 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,35,1.1 海水的特性,聲吸收 平面波聲壓 可表示為：聲強(qiáng) 可表示為：聲波傳播單位波長的衰減為：,哈爾濱工程大學(xué)

33、 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,36,1.1 海水的特性,聲吸收,,,海洋的可變性及對(duì)聲波的影響從聲學(xué)的角度看，海洋是極端變化的：洋流、內(nèi)波、小尺度湍流擾亂了聲速的水平分層，導(dǎo)致了聲傳播的空間和時(shí)間的起伏。大尺度洋流和鋒區(qū)（Frontal Zone） 大尺度洋流的邊界稱為鋒區(qū)—墨西哥灣暖流、自臺(tái)灣東面的菲律賓海流向日

34、本的暖流在鋒區(qū)處，海水的溫度、鹽度、密度和聲速變化強(qiáng)烈—墨西哥灣暖流的北邊，向北 ，每5海里溫度降低10℃；南面則是弱的鋒區(qū)，在馬尾藻海和墨西哥灣暖流之間，溫度只下降1-2℃。,哈爾濱工程大學(xué) 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,37,1.1 海水的特性,,,,哈爾濱工程大學(xué)

35、 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,38,1.1 海水的特性,海洋的可變性及對(duì)聲波的影響大尺度洋流和鋒區(qū),左圖為實(shí)驗(yàn)測量的遠(yuǎn)距離聲傳播，傳播路徑為從東南到西北橫跨墨西哥灣暖流。聲源為TNT炸藥，深度為244m，投放點(diǎn)為覆蓋墨西哥灣暖流部分傳播路徑，距離布放在百慕大海底兩個(gè)深水水聽器600-900km。接收信號(hào)按照1/3

36、倍頻程進(jìn)行分析，中心頻率分別為50Hz、80Hz、160Hz。從圖中可以看出，在南面和北面鋒區(qū)邊緣投放的聲源，接收聲級(jí)最低。聲源位置小的平移導(dǎo)致了6-10dB的聲強(qiáng)的變化。理論研究表明，這種變化可根據(jù)傳播路徑上的聲速剖面的變化來解釋，特別是馬尾藻海冷水坡和暖水區(qū)之間聲道軸深度的增大。,,哈爾濱工程大學(xué)

37、碩士學(xué)位課程,在開闊海域中也有中尺度渦漩。中尺度渦的參數(shù)變化范圍極大，其直徑為25-500km，水流速度30-150cm/s，漩渦中心運(yùn)動(dòng)速度10cm/s。漩渦區(qū)域聲速極其復(fù)雜，等速線上升高達(dá)700m，聲速梯度朝向圓環(huán)中心顯著增加。,水聲學(xué)原理,39,1.1 海水的特性,海洋的可變性及對(duì)聲波的影響中尺度渦漩,,,,,在接近強(qiáng)烈的鋒區(qū)處，如墨西哥灣暖流、自臺(tái)灣東面的菲律賓海流向日本海的暖流，中尺度渦漩頻繁可見。,,,7

38、00m,哈爾濱工程大學(xué) 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,40,1.1 海水的特性,海洋的可變性及對(duì)聲波的影響中尺度渦漩 當(dāng)無指向性點(diǎn)源位于環(huán)狀中心，深度為200m，接收水聽器位于300m，聲波通過環(huán)狀北面一半的區(qū)域后，其傳播損失見下圖。,,當(dāng)聲波沿著氣旋環(huán)傳播時(shí)，由于向下折射聲線的

39、增加，信道中等深度的聲能被移向深海聲信道，聲強(qiáng)級(jí)減小；匯聚區(qū)水平寬度減小。,,,,,哈爾濱工程大學(xué) 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,41,1.1 海水的特性,海洋的可變性及對(duì)聲波的影響中尺度渦漩 在1000m接收深度上，聲強(qiáng)級(jí)卻升高了。分析聲線軌跡可知，這是由于深海聲信道中有效的聲傳播發(fā)生了

40、。在300m接收深度，第一和第二匯聚區(qū)向聲源方向移動(dòng)了5km；但在1000m接收深度，它們分別移動(dòng)了20km和30km。渦漩引起了較大的聲場擾動(dòng)。,,,,,哈爾濱工程大學(xué) 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,42,1.1 海水的特性,海洋的可變性及對(duì)聲波的影響內(nèi)波海洋中的內(nèi)波是重力波，深水處的振幅比海面處大

41、內(nèi)波的周期從十幾分鐘變化到慣性周期周期為一晝夜或半晝夜的內(nèi)波，波長達(dá)幾十公里到幾百公里，波高從10m到100m周期為5-10min到2-4h的短周期內(nèi)波，波高較小(1-20m)，波長從幾百米到幾千米外海內(nèi)波的速度在幾十厘米/秒到幾米/秒，沿海區(qū)域內(nèi)波的速度不超過幾十厘米/秒內(nèi)波不能存在于均勻液體中，可以傳播內(nèi)波的最簡單的介質(zhì)模型是雙層模型（Lamb模型）,,哈爾濱工程大學(xué)

42、 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,43,1.1 海水的特性,海洋的可變性及對(duì)聲波的影響內(nèi)波在Lamb模型中，內(nèi)波振幅在兩種液體分界面上最大海水密度隨深度連續(xù)變化，它依賴于溫度、鹽度和流體的靜壓力深度4千米處的海水密度約比海面大2.5%內(nèi)波最常出現(xiàn)在密度梯度最大的層中 Väisälä頻率N（自由振動(dòng)頻率）是海洋最重要的動(dòng)力

43、學(xué)特性之一 慣性頻率：它等于地球自轉(zhuǎn)角速度的兩倍乘以緯度的正弦,,哈爾濱工程大學(xué) 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,44,1.1 海水的特性,海洋的可變性及對(duì)聲波的影響內(nèi)波產(chǎn)生機(jī)制潮流海底不平整性海流系統(tǒng)中流體動(dòng)力擾動(dòng)表面波的相互作用水文氣象的擾動(dòng)與航行和地震活動(dòng)有關(guān)的機(jī)械擾動(dòng),,哈爾濱工

44、程大學(xué) 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,45,1.1 海水的特性,海洋的可變性及對(duì)聲波的影響內(nèi)波危害1893-1896年北極探險(xiǎn)過程中，F(xiàn).南森發(fā)現(xiàn)船只莫名其妙地減速。這是由于船只航行在很淺的密度躍層上方時(shí)，其動(dòng)力造成在躍層處產(chǎn)生內(nèi)波，船只的動(dòng)能被消耗而顯著減速，這種現(xiàn)象稱為“死水”1963年4月1

45、0日，美國“長尾鯊”號(hào)核潛艇在大西洋距波士頓港口350公里處突然沉沒，沉沒原因是內(nèi)波將艇拖曳至海底，在巨大壓力作用下破碎。,,哈爾濱工程大學(xué) 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,46,1.1 海水的特性,海洋的可變性及對(duì)聲波的影響內(nèi)波下圖給出了367Hz信號(hào)幅度和相位的時(shí)間起伏。聲源布放在近海底斜坡上，深度

46、527m。接收水聽器布放在近百慕大海底上，深度1723m。,,哈爾濱工程大學(xué) 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,47,1.1 海水的特性,海洋的可變性及對(duì)聲波的影響內(nèi)波：左圖為相位譜，中間為對(duì)數(shù)幅度譜，右圖為幅度譜。實(shí)驗(yàn)在百慕大東南進(jìn)行，聲源錨定在聲道軸上，深度為1100米，靠近百慕大。(a)相位譜單調(diào)下

47、降，速率介于 和 之間(b)更深處水聽器接收信號(hào)的相位譜下降速率更大一些，約為,,哈爾濱工程大學(xué) 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,48,1.1 海水的特性,海洋的可變性及對(duì)聲波的影響水體垂直方向的細(xì)微結(jié)構(gòu)海水的溫度、鹽度、密度和流速隨著深度的變化并不平滑，而是不連續(xù)的

48、在某一層中，它們基本保持不變，并且迅速地從一層變化到另一層水層的厚度從幾十厘米變化到幾十米，水平范圍可達(dá)到幾十公里水層邊界處溫度和鹽度的梯度超過海水平均梯度1-2個(gè)數(shù)量級(jí)流速的垂直梯度達(dá)到2cm/s每米深度，并且在某些情況下水層邊界處達(dá)到5-10cm/s每米深度,,哈爾濱工程大學(xué) 碩士學(xué)位課程,

49、水聲學(xué)原理,49,1.1 海水的特性,海洋的可變性及對(duì)聲波的影響水體垂直方向的細(xì)微結(jié)構(gòu)某些時(shí)候海水溫度、鹽度和密度的垂直剖面像矩形階梯結(jié)構(gòu)。,,STD測量的溫度、鹽度和密度剖面。準(zhǔn)均勻水層的厚度從8m變化到55m，夾層厚度從1m變化到8m。,哈爾濱工程大學(xué) 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,50,1.

50、1 海水的特性,海洋的可變性及對(duì)聲波的影響水體垂直方向的細(xì)微結(jié)構(gòu)海洋的細(xì)微分層結(jié)構(gòu)能顯著地影響聲場。 聲速剖面為馬尾藻海觀測獲得，除了250-400m的水層外，海水流速恒為零。聲源布放深度為350m。沿著洋流方向和逆著洋流方向上的聲線軌跡如下圖。,,哈爾濱工程大學(xué) 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,51

51、,1.1 海水的特性,海洋的可變性及對(duì)聲波的影響小尺度湍流 流體的一種流動(dòng)狀態(tài)，也稱為亂流、擾流、紊流海洋湍流具有相當(dāng)寬的尺度譜。小尺度湍流的空間尺度從幾厘米到十幾米不等。由于大氣的直接影響，海洋湍流總能夠在海洋上面的混合層中觀測得到。在深水中，它表現(xiàn)為獨(dú)立的碎片，流速快速發(fā)生變化，物理參數(shù)存在起伏。海洋上層混合層折射率起伏可用結(jié)構(gòu)函數(shù)表示為：,,哈爾濱工程大學(xué)

52、 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,52,1.1 海水的特性,海洋的可變性及對(duì)聲波的影響小尺度湍流 局部各向同性湍流，Kolmogorov-Obukhov 2/3次方定律的結(jié)構(gòu)函數(shù)為 上式的適用范圍為 ， （不超過1cm）和 （幾米的量級(jí)） 分別為湍流的內(nèi)外尺度。,,結(jié)構(gòu)函數(shù),哈爾濱工程大學(xué)

53、 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,53,1.1 海水的特性,海洋的可變性及對(duì)聲波的影響小尺度湍流 介質(zhì)折射率起伏引起了聲波的散射，散射波和基波的疊加引起了聲信號(hào)振幅和相位起伏。部分散射波將離開聲信道，引起聲場的附加衰減。,距離聲源6個(gè)距離上的結(jié)構(gòu)函數(shù)：180m、340m、580m、710m、960m和1100m。

54、,哈爾濱工程大學(xué) 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,54,1.1 海水的特性,氣泡的聲散射波浪破碎在海面形成的一薄層氣泡對(duì)聲波有很強(qiáng)的散射和吸收作用 當(dāng)聲波頻率與氣泡徑向振動(dòng)的固有頻率一致時(shí)，這種作用更加大。,1.5m、4m和8m深度處氣泡的半徑分布實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果,測量是在海洋中央厚度為25m的等溫層進(jìn)行

55、，溫度為14℃。隨著深度增大，共振頻率頻帶變窄，濃度最大值出現(xiàn)在更大半徑上，但濃度減小。在8m深度，共振頻率從25kHz變化到97kHz。,,哈爾濱工程大學(xué) 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,55,1.1 海水的特性,氣泡的聲散射在1.5m深度，散射強(qiáng)度有一個(gè)極大值，并且隨著深度的增大單調(diào)減小，在大

56、約20m深度上低于了噪聲水平 聲波通過含氣泡的介質(zhì)時(shí)將發(fā)生相 位起伏。這種起伏是由于介質(zhì)的聲速 起伏產(chǎn)生的。這種變化要么是風(fēng)浪高 度的變化引起靜壓力的變化導(dǎo)致氣泡 共振頻率分布范圍的變化，或者是由 于氣泡總體積的變化。,氣泡的體積散射強(qiáng)度與深度的變化關(guān)系聲波頻率為10kHz,哈爾濱工程大學(xué)

57、 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,56,1.1 海水的特性,深水散射層聲散射的另一個(gè)機(jī)制是海洋中深水散射層的出現(xiàn)除了極區(qū)，深水散射層能夠在所有的深海觀察到深水散射層的聲散射主要是由于聚居深海的魚的魚鰾共振形成，魚鰾的長度介于2-3cm和10-12cm之間理論計(jì)算表明，每1-10千立方米水中有一些共振魚就足以產(chǎn)生可觀測的聲效應(yīng)600m深度處最大的魚（長度為7-20cm）的共振頻率在3kHz到7kHz之間；

58、最小的魚（長度為2-3cm）的共振頻率大約為20kHz隨著夜晚深水散射層的上浮，共振頻率降低大致1.5-2倍。,哈爾濱工程大學(xué) 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,57,1.1 海水的特性,深水散射層,哈爾濱工程大學(xué)

59、 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,58,1.1 海水的特性,深水散射層在海洋中，相似動(dòng)物區(qū)系是在東西方向延伸，并且聲散射更多地依賴于緯度而不是經(jīng)度。在大西洋和太平洋的赤道圈上，縱向散射聲強(qiáng)達(dá)到極大值；在緯度 內(nèi)，常規(guī)聲級(jí)降低幾分貝；在更高緯度上，散射聲強(qiáng)增加到與赤道處可比擬的量級(jí)；最小值出現(xiàn)在極地海區(qū)。,哈爾濱工程大學(xué)

60、 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,59,1.1 海水的特性,環(huán)境噪聲海洋的重要聲學(xué)特征就是水下環(huán)境噪聲。它包含了大量信息，包括海面狀態(tài)、海洋上方的氣象、海洋下方地殼的演變過程、海洋動(dòng)物的習(xí)性等等。0.1-10Hz：該頻段的主要噪聲源是地震、水下火山噴發(fā)、遠(yuǎn)處的暴風(fēng)雨、海洋和大氣湍流、海面的某些過程（海面風(fēng)浪的非線性相互作用）；50-300H

61、z：遠(yuǎn)處行船是主要噪聲；由于該頻段聲波在深海中的衰減小，因此形成了一個(gè)連續(xù)的噪聲背景；0.5-50kHz：此頻段噪聲直接與海面狀態(tài)和所關(guān)心區(qū)域的風(fēng)速有關(guān)。在這個(gè)頻段內(nèi)，噪聲的產(chǎn)生有多種機(jī)制。包括波浪的破碎、空氣飽和海面表層氣泡坍塌； 100kHz以上：分子熱噪聲是主要成分。,哈爾濱工程大學(xué) 碩士學(xué)位

62、課程,水聲學(xué)原理,60,1.1 海水的特性,環(huán)境噪聲這些頻譜是由許多研究人員在許多位置測量得到的，并由Wenz進(jìn)行總結(jié)，后來由Furduev進(jìn)行補(bǔ)充。 對(duì)于給定的一個(gè)頻率，噪聲動(dòng)態(tài)變化范圍依據(jù)水文氣象學(xué)條件的不同從40dB變化到60dB。在冰覆蓋的極區(qū)，噪聲主要與冰覆蓋的動(dòng)力學(xué)有關(guān)，包括獨(dú)立的大浮冰和冰原的移動(dòng)及振動(dòng)、在擠壓之下冰的破裂、大浮冰相互磨擦、熱裂化、在風(fēng)作用下雪或者冰丸沿著冰的表面掃過等等。 冰山融化噪聲是由于受壓

63、下駐留在冰內(nèi)部的小氣泡由于壓力釋放產(chǎn)生爆炸。冰山噪聲級(jí)依賴于冰山大小、海水深度、冰內(nèi)部的氣體容量、冰的融化速度等等。,哈爾濱工程大學(xué) 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,61,1.1 海水的特性,環(huán)境噪聲在北大西洋的一次實(shí)驗(yàn)中，在150-200m距離上測量得到的一個(gè)高25m、直徑60m的孤立冰山在10kHz時(shí)

64、單位赫茲帶寬內(nèi)的噪聲級(jí)為82dB。在5-50kHz范圍，噪聲級(jí)明顯升高，超過了10m深度處背景噪聲級(jí)15-40dB。,哈爾濱工程大學(xué) 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,62,1.1 海水的特性,海洋的可變性及對(duì)聲波的影響海面海面很少平靜，它最典型的特征就是其復(fù)雜的波浪運(yùn)動(dòng)?？耧L(fēng)引起的波浪極為不規(guī)則，具

65、有隨機(jī)特性。實(shí)驗(yàn)觀測得到的海面波浪的垂直位移 為水平矢徑和時(shí)間的函數(shù)。根據(jù)海上實(shí)驗(yàn)觀測數(shù)據(jù)，空間某一點(diǎn)的位移的統(tǒng)計(jì)特性滿足正太分布，但有點(diǎn)偏斜并且太尖 ，如下左圖：,哈爾濱工程大學(xué) 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,63,1.2 邊界的特性,海面波浪斜率的二維分布具有相似的特點(diǎn)，但是偏

66、離正太分布更大，如下右圖。,哈爾濱工程大學(xué) 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,64,1.2 邊界的特性,海面充分成長的海面粗糙度譜的參數(shù)只跟風(fēng)速有關(guān)。Pierson-Moskovitz獲取的大量實(shí)驗(yàn)資料的量綱分析得到了如下粗糙度譜：,風(fēng)速為：?—10m/s□—16.3m/s×—20.6m/s

67、,哈爾濱工程大學(xué) 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,65,1.2 邊界的特性,海面的聲散射當(dāng)聲波入射到粗糙海面后將產(chǎn)生散射波。散射聲場有相干成分和非相干成分。相干成分是指沿著特定反射方向傳播的聲波，可對(duì)散射聲場關(guān)于波浪位移函數(shù)的統(tǒng)計(jì)平均計(jì)算得到。相干成分的幅度與入射平面波的幅度之比稱為相干反射系數(shù)。如果

68、海面是平滑的，則聲波反射系數(shù)接近于-1，海面幾乎是全反射界面。 相干參數(shù)：相干聲場強(qiáng)度與總聲場強(qiáng)度（相干＋非相干）之比。,哈爾濱工程大學(xué) 碩士學(xué)位課程,水聲學(xué)原理,66,1.2 邊界的特性,海面的聲散射函數(shù) 與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。當(dāng)P>>1時(shí)，相干參數(shù)接近于零，此時(shí)散射聲