第3章 海洋的声学特性
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本章目的
• 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。
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3.1 海水中的声速
1、声速（ Sound Speed ） 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。
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3.1 海水中的声速
2、声速测量
测量仪器设备：温度深度记录仪和声速仪 。
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。
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3.1 海水中的声速
2、声速测量
声速仪是声学装置： •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 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：c=fL。
c 1449.22 cT cS cP cSTP
上式适用范围：-3℃<T<30℃、33‰<S<37‰
1.013 105 N / m2 1个大气压 P 980 105 N / m2
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3.1 海水中的声速
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。
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3.1 海水中的声速
海洋中声速的基本结构 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。
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3.1 海水中的声速
海洋中声速的基本结构
典型深海声速剖面：
（2）季节跃变层：
在表面层之下，特征
A SfT f 2 B f 2
fT f
fT
6 1520
fT 21.9 10 T 273
dB / km
A 1.89 102 B 2.72 102
驰豫频率随温度升高而增加 。
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3.2 海水中的声吸收
• 主要是MgSO4驰豫现象引起的吗？ 实验结果：海水中含有溶解度很大的NaCI，
TL 30lg r
（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。 TL 40lg r
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3.2 海水中的声吸收
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
x
1
x
x
1
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3.2 海水中的声吸收
总传播损失（扩展＋吸收）
TL n 10lg r r
均匀介质的经典声吸收（粘滞性和热传导）： k
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。Why?
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3.2 海水中的声吸收
2、纯水和海水的超吸收
纯水超吸收
1947年，Hall提出 水的结构驰豫理论，成 功解释了水介质的超吸 收原因。 •曲线A—Hall理论计算 •曲线B—经典声吸收
3.1 海水中的声速
2001年中美联合亚洲海水声实验
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3.1 海水中的声速
2002年海上实验
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3.1 海水中的声速
2006年海上实验
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3.1 海水中的声速
3、海洋中声速变化
海洋中声速的垂直分层性质 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。
I p02 r 2
TL
10
lg
I 1 I x
20
lg
r
dB
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3.2 海水中的声吸收
扩展损失
一般，可以把扩展损失写成：
TL n 10lg r dB
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
TL 0
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3.2 海水中的声吸收
扩展损失
（2）n=1 适用表面声道和深海声道，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
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5kHz频率以下低频，声吸收又明显增加，比 S-M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。
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3.2 海水中的声吸收
海水超吸收
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3.1 海水中的声速
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：
c cz c
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3.1 海水中的声速
声速垂直分布分类 深海声道声速分布：
特点：在某一深
度处有一声速最
Zm
小值。
c0 c
Zm
Z
Z
c0 c
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3.1 海水中的声速
海洋中声波为弹性纵波，声速为： c 1
s
绝热压缩系数：s T，S，P cT，S，P
Temperature、Salinity、Pressure
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3.1 海水中的声速
声速经验公式
海洋中的声速c（m/s）随温度T（℃）、盐度S （‰）、压力P（kg/cm2）的增大而增大。
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：
Z
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3.1 海水中的声速
声速垂直分布分类 浅海常见声速分布：
c
特点：声速随深度单调下降。 形成原因：海洋上部的海水受到 太阳强烈照射的结果。
反声道声速分布与浅海常见 Z 声速分布有何不同？
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3.2 海水中的声吸收
1、传播损失概述
声波传播的强度衰减（传播损失）原因： （1）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：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：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。
Thorp给出了低频段（驰豫频率约为1kHz）吸收系 数的经验公式（适用4℃温度附近 ）：
0.102 1 f
f2
2
40.7 f 4100
2
f
2
dB / km
在低频，若计入纯水的粘滞系数，则吸收系数为：
0.102 f 2 1 f 2
40.7 f 4100
2
f
2
3.06 104
f
2
dB / km
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cx , y , z cz
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3.1 海水中的声速
声速梯度
声速梯度：
gc
dc dz
aT gT
aS gS
aP gP
根据乌德公式
aT 4.21 0.074T m s C
aS 1.14
m
s
/
aP 0.175 m s atm
声速梯度 gc 4.21 0.074T gT 1.14gS 0.175gP
3.2 海水中的声吸收
吸收系数与压力关系
随压力的增加而减小：
0 1 6.67 105 H
深度每增加1km其吸收系数减小6.7%。
海水的声吸收系数与声波频率、温度、压力、盐 度等因素有关，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 系数。
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3.2 海水中的声吸收
的传播条件。 TL 10lg r
（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。
TL 15lg r
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3.2 海水中的声吸收
扩展损失
（4）n=2 适用于开阔水域(自由场)，球面波传播。
（5）n=3
TL 20lg r
声波通过浅海声速负跃变层后的声传播。
海洋中声速的基本结构 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 声速梯度。
在主跃变层（负）和深海 等温层（正）之间，有一 声速极小值—声道轴。
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3.1 海水中的声速 请解释一下深海声速梯度分布？
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3.1 海水中的声速
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： （1）季节变化：
3、非均匀液体中的声衰减
一般海水含有各种杂质，如气泡、浮游生物、悬
是负温度梯度或负声速梯
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。中声速的基本结构 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 声速梯度，季节对它的影 响微弱。
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3.1 海水中的声速
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3.1 海水中的声速
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：
温度的季节变化和日变化主要发生在 海洋上层。
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3.1 海水中的声速
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： （３）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。
强降低dI，则
dI 2Idx
I x I0e2x
声压振幅的自然对数衰减为无量 纲量，称为奈贝（Neper）。