海洋的声学特性
华北理工水声学讲义02海洋的声学特性
第2章 海洋的声学特性§2.1 海洋声学参数及传播损失本讲主要内容⏹ 声速经验公式（了解） ⏹ 海洋中声速的变化（重点） ⏹ 传播衰减概述（重点）⏹ 纯水和海水的超吸收（重点） ⏹ 非均匀液体中的声衰减（了解） 一、海水中的声速 1、声速(Sound Speed)：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。
流体介质中，声波为弹性纵波，声速为：式中，密度 和绝热压缩系数都是温度T 、盐度S 和静压力P 的函数，因此，声速也是Temperature 、Salinity 、Pressure 的函数。
2、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/cm 2）的增大而增大。
❑ 经验公式是许多海上测量实验总结得到的。
※注：❑ 单位❑ 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。
3、乌德公式4、声速测量❑ 声速剖面仪SVP ——Sound Velocity Profile❑ 温盐深测量仪CTD —Conductivity, Temperature, Depth ❑ 抛弃式温度测量仪XBT ——eXpendable BathyThermograph5、海洋中的声速变化❑ 海洋中声速的垂直分层性质❑ 声速梯度1）温度变化1度，声速变化约4m/s2）盐度变化1‰ ，声速变化约1m/ssc ρβ1=s β()P S T T c 175.03514.1037.021.414502+-+-+=()()z c z y x c =,,P P S S T T c g a g a g a dz dcg ++==ρ3）压力变化1个大气压，声速变化约0.2m/s6、海中声速的基本结构典型深海声速剖面温度垂直分布的“三层结构”：❑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。
海洋声学特征
07:06
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。
07:06
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
07:06
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。
07:06
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。
07:06
3.1 海水中的声速
海洋中声速的基本结构
第2章海洋的声学特性
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。
水声学 第2章 海洋的声学特性 18
2.1 海水中的声速
请解释一下深海声速梯度分布？
水声学
第2章 海洋的声学特性
19
2.1 海水中的声速
2）海水中声速的基本结构
温度的季节变化、日变化和纬度变化：
（1）季节变化： 百慕大海区温度随月份的变化情况，夏季既有表面 等温层，又有表面负梯度层；冬季有很深的表面混合 层。季节变化对海洋深处的温度影响较小。
水声学 第2章 海洋的声学特性
dB
33
2.2 海水中的声吸收
2）球面波的扩展损失
在理想介质中，沿r方向传播简谐球面波声压：
p0 p expit kx r
2 I p0 r2
传播损失为：
TL1 10lg I r I 1 20lg r
dB
水声学
第2章 海洋的声学特性
水声学
c0
Zm
c
c0
c
Zm
Z
Z
第2章 海洋的声学特性
26
2.1 海水中的声速
4）声速垂直分布分类 表面声道（混合层声道）声速分布： 特点：在某深度处有一声速极大值。 形成原因：在秋冬季节，水面温度较 低，加上风浪搅拌，海表面层温度均 匀分布，在层内形成正声速梯度分布。
Z
Zm
ch c
水声学
第2章 海洋的声学特性
2.1 海水中的声速
3、海水中声速变化
1）海水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， 在不同深度上取不同的值。温度、盐度和静压力均
具有水平分层和随深度变化的特性，所以声速具有
第1章 与海洋声学有关的海洋特性分析
– 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。
哈尔滨工程大学 硕士学位课程
水声学原理
28
1.1 海水的特性
• 声吸收
– 声吸收=经典声吸收（切变粘滞和热传导）+超吸收 （驰豫） – 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（volume viscosity） 对频率为100Hz-100kHz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 – 散射+吸收=介质声吸收衰减
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水声学原理
16
1.1 海水的特性
• 声速剖面
– 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。
哈尔滨工程大学 硕士学位课程 水声学原理 17
1.1 海水的特性
• 声速剖面
– 深海声信道 • Heard Island：声源频率57Hz、深度157m（声道 轴），最远传播距离18000km—远距离声传播
• 声速剖面
– 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 • 在tropical Atlantic，人们在400km至2300km的距 离上观测到了37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 汇聚区和影区交融在一起
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1.1 海水的特性
• 海水中的声速
– 温度每升高1℃ T（℃） ∆c（m/s） 5 4.1 10 3.6 15 3.1 20 2.7 25 2.4 30 2.1
第三章 海洋的声学特性
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：s c ρβ1=式中，密度ρ和绝热压缩系数s β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 （m/s ）随温度T （℃）、盐度S （‰）、压力P （kg/cm 2）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：STP P S T c c c c c ∆∆∆∆++++=22.1449式中，4734221007.510822.2104585.56233.4T T T T c T ---⨯-⨯+⨯-=∆()()2235108.735391.1-⨯--=-S S c S ∆4123925110503.310451.3100279.11060518.1P P P P c P ----⨯-⨯+⨯+⨯=∆()[][][]TP T T P T T T P PTP P T S c STP 31021012382546214310745.110286.910391.210644.6103302.110796.21009.21096.11061.210197.135----------⨯-⨯+⨯-+⨯-⨯+⨯-+⨯-⨯-⨯+⨯--=∆上式适用范围：-3℃<T<30℃、33‰<S<37‰、()2525/109801/10013.1m N P m N ⨯<<⨯个大气压。
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。
声速c 的数值变化虽然微小，但它对长距离传播声线的分布、射程、传播时间等量的影响很大，因此需要有准确的声速数值。
海洋中声波的特性
一：声波情况声波类型：弹性波，在弹性介质中传播，属纵波。
水中声速为1500m/s，空气中为330m/s。
声场：声波作用的空间范围。
声波频率：声源每秒振动次数，单位赫兹(Hz)。
人耳可听到的最高频率为20KHz，因此该频率以上的声波称为超声波(ultrasonic)；可听到的最低频率为20Hz，低于此的称为次声波(infrasound)。
折射(refraction)、反射(reflection)定律：声线总是向声速小的方向弯曲。
声波在海洋中的传播分为波导型，反波导型，分裂型二：海洋声学特性海水的声吸收：将声能变为不可逆的海水分子内能海面波浪的声散射：因不平整性、气泡和浮游生物的散射，声能弥散到其他方向而损失海底声学特性：声波经过海底不仅有纵波也产生横波。
反射和吸收是海底声学的重要物理量。
与海底的密度和其中的声速度有关。
海底岩石组成、表面粗糙度、密度及孔隙率有关海洋内部不均匀性对声波影响：气泡、冷暖水体、湍流、内波和深水声散射层等，都可引起声场起伏三：应用水下声道和Sofar系统水下声道(sofar channel)：声波在海水中反射或者折射时，从声源发出的声线束将向声速极小值所在的水层弯曲，此时声能大部分限制在此水层间，没经过海面和海底的反射、散射和吸收，声能损失很少。
物理噪声：来自海洋介质本身运动，波浪、海流、湍流及冰层破裂等产生的噪声。
生物噪声：动物噪声，鲸、海豚、虾群碰撞等引起的噪声。
海洋噪声源在空间的分布是无规则的、运动随时间无规则变化。
海洋噪声可应用到声纳探鱼。
声纳技术对目前军事，渔业等各领域有着重要的应用价值。
水声学基础第二章
2021/2/21
Z
27
2.1 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？
2021/2/21
28
2.2 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:
海洋中声速的基本结构 浅海声速剖面:
浅海声速剖面分 布具有明显的季节特 征。在冬季,大多属于 等温层的声速剖面,夏 季为负跃变层声速梯 度剖面。
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22
2.1 海水中的声速
海水温度起伏变化
• 描述海洋声速变化粗略近似:将温度和声速看成不随 时间变化,只随深度变化; • 等温层是宏观而言,微观而言温度随时间起伏变化。 • 温度起伏在下午和靠近海面最大。 • 温度起伏原因多种多样:湍流、海面波浪、涡旋和海 中内波等因素。
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23
2.1 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:
cczc
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24
2.1 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
处有一声速最小
Zm
值。
c0 c
Zm
Z
Z
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c0 c
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
强降低dI，则
dI2Idx
IxI0e2x
海洋的声学特性课件
声呐技术有多种类型，包括主 动声呐和被动声呐，以及用于 不同探测目的的特殊声呐。
声学多普勒测流技术
声学多普勒测流技术是一种利用声波测量水流速度和方向的无损测量技术 。
该技术基于多普勒效应原理，通过测量声波在水流中的频率变化来推算水 流的速度和方向。
声学多普勒测流技术广泛应用于海洋学、河流水文学等领域，为研究水流 动力学和环境变化提供了重要手段。
声学温度测量技术
声学温度测量技术是一种利用声 波测量水下温度场的方法。
该技术通过测量声波在水中传播 的速度，结合已知的声速与温度 之间的关系，推算出水下的温度
分布。
声学温度测量技术对于研究海洋 热力学、气候变化等领域具有重
要意义。
海洋声学测量技术的发展趋势
海洋声学测量技术不断发展，未来将朝 着高精度、高分辨率、高效率的方向发 展。
在海洋考古研究中的应用
声波成像
利用声波成像技术探测海底沉船、古迹等文化遗产，为海洋考古研究提供新的 方法和手段。
声学测年
通过测量海底沉积物的声学特性，确定沉积物的年代和历史，为海洋历史和考 古研究提供重要依据。
05
未来展望与挑战
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
20世纪初
声呐技术开始应用于军事领域。
20世纪中叶
声学在海洋资源探测和环境监测方面 的应用逐渐普及。
21世纪
高分辨率和高灵敏度声学技术的发展 ，推动了海洋声学研究的深入。
海洋声学的研究意义
促进海洋科学的发展
声学技术为海洋科学研究提供 了重要的工具和方法。
保障国家安全
军事应用领域的声呐技术对于 国家安全具有重要意义。
在海洋环境监测中的应用
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声波通过浅海声速负跃变层后的声传播。
TL1 30 lg r
பைடு நூலகம்
适用偶极子声源或计及平整海面虚源干涉的远
场声传播，相当于计入声波多途干涉后，对球面波传
播损失的修正。
TL1 40 lg r
第2章 海洋的声学特性 37
水声学
2.2 海水中的声吸收
3、声传播吸收损失和吸收系数
相当于全反射海底和全反射海面组成的理想波导中的 声传播。 n=3/2
TL1 10 lg r
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传播损失修正。
TL1 15 lg r
水声学 第2章 海洋的声学特性 36
2.2 海水中的声吸收
3）典型的声传播扩展损失 n=2 n=3 n=4 适用球面波传播，例如开阔水域(自由场)。
• 经常用深度替代静压力，水深每下降10m压力
近似增加1个大气压；
• 1℃＝（1 F-32）5/9。
o
水声学
第2章 海洋的声学特性
5
2.1 海水中的声速
精确计算声速有什么意义？
海水声速的数值变化相对于本身虽然很小，但它
对声传播特性可能产生大的改变，导致海水中的声
能分布、声传播距离、传播时间等量发生明显变化
传播损失 TL 扩展损失 TL 1 吸收损失 TL 2
水声学
第2章 海洋的声学特性
32
2.2 海水中的声吸收
2、声传播的扩展损失
1）平面波的扩展损失 在理想介质中，沿x轴方向传播简谐平面波声压：
p p0 expit kx
2 I p0
传播损失为：
I 1 TL1 10lg 0 I x
吸收系数：单位距离衰减的分贝数，dB/m
p 1 20 lg e ln 20 lg e 8.68 １Neper=8.68dB x p x
声强之比的以10为底的对数为贝尔（Bell），贝 尔值的10倍称为分贝（dB）。
水声学 第2章 海洋的声学特性 39
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。
水声学 第2章 海洋的声学特性 18
2.1 海水中的声速
请解释一下深海声速梯度分布？
水声学
第2章 海洋的声学特性
19
2.1 海水中的声速
2）海水中声速的基本结构
温度的季节变化、日变化和纬度变化：
（1）季节变化： 百慕大海区温度随月份的变化情况，夏季既有表面 等温层，又有表面负梯度层；冬季有很深的表面混合 层。季节变化对海洋深处的温度影响较小。
水声学 第2章 海洋的声学特性 30
2.2 海水中的声吸收
1、海水中的声传播损失
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（物理衰减）：介质粘滞性、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。
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，统称吸收。 假设平面波传播距离dx后，由于声吸收而引起声 强降低dI，则
dI 2Idx
1 I 1 ln 2 x I x 1 p1 ln x px
2.2 海水中的声吸收
1）声传播吸收损失
声吸收引起的传播损失（吸收系数乘以传播距离）：
I x I 1e 2 x
声压幅值比的自然对数为无量纲量，称为奈贝。
水声学 第2章 海洋的声学特性 38
2.2 海水中的声吸收
1）声传播吸收损失 声强可以写成：
I x I 110
x 10
10 I 1 20 p1 lg lg x I x x px
声速梯度
水声学
g c 4.623 - 0.109T gT 1.391g S 0.16g P
第2章 海洋的声学特性 14
2.1 海水中的声速
2）海水中声速的基本结构 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
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引起的声波散射而导致声强衰减。
水声学 第2章 海洋的声学特性 31
2.2 海水中的声吸收
1、海水中的声传播损失
传播损失：度量声波传播衰减的物理量。
I 1 TL 10 lg I r
传播损失主要由扩展损失和吸收损失两部分组成：
太阳强烈照射的结果。
Z
反声道声速分布与浅海常见声速分布有何不同？
水声学 第2章 海洋的声学特性 29
2.1 海水中的声速
5）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
在后面章节将分别讨论确定性声速分布和声速起伏对 声传播的影响。
第2章 海洋的声学特性
从声传播角度讨论海洋声学特性、海洋的不
均匀性和多变性，了解水声信号传播的信道环
境，为声呐设计和声呐性能预报提供理论依据。
水声学
第2章 海洋的声学特性
2
2.1 海水中的声速
声速是海水中最重要的声学参数，也是影响声波 在海洋中传播的最基本的物理量。
海水中声波为弹性纵波，声速表达式为：
13
2.1 海水中的声速
3、海水中声速变化
声速梯度：表示声速随深度变化的快慢。 dc gc aT gT aS g S aP g P dz 根据经验公式
aT 4.623 0.109T
m s
/ oo
atm
o
C
aS 1.391
aP 0.160
m s
o
m s
34
2.2 海水中的声吸收
3）典型的声传播扩展损失
一般，可以把扩展损失写成：
TL1 n 10 lg r
dB
根据不同的传播条件，n取不同的数值：
n=0 适用平面波传播，例如管道中声传播。
TL1 0
水声学 第2章 海洋的声学特性 35
2.2 海水中的声吸收
3）典型的声传播扩展损失 n=1 适用柱面波传播，例如表面声道和深海声道，
水声学
第2章 海洋的声学特性
20
2.1 海水中的声速
2）海水中声速的基本结构 温度的季节变化、日变化和纬度变化： （2）日变化： •高风速：中午表面温
度受高风速的作用，
出现明显的混合层。
•低风速：表面呈现负
温度梯度，在早晨可 能出现正温度梯度。
水声学 第2章 海洋的声学特性 21
2.1 海水中的声速
c 1449.22 cT cS cP cSTP
适用范围：3℃<T<30℃、33‰<S<37‰
1.013105 N / m2 1个大气压 P 980 105 N / m2
水声学 第2章 海洋的声学特性 4
2.1 海水中的声速
1、声速经验公式
• 海水中盐度变化不大，典型值取35‰；
27
2.1 海水中的声速
4）声速垂直分布分类 反声道声速分布：
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，海水温度
随深度不断下降。
Z
水声学
第2章 海洋的声学特性
28
2.1 海水中的声速
4）声速垂直分布分类 浅海常见声速分布： 特点：声速随深度单调下降。
c
形成原因：海洋上部的海水受到
2）海水中声速的基本结构 浅海温度剖面： 浅海温度剖面分布具 有明显的季节特征。在冬 季，大多属于等温层的温 度剖面，夏季为负跃变层
温度梯度剖面。
水声学
第2章 海洋的声学特性
24
2.1 海水中的声速
3）海水温度和声速的起伏变化 •海洋声速变化粗略近似描述：将温度和声速看成不随 时间变化，只随深度变化； • 实际海水是随时间和空间起伏变化，等温层是宏观
c
1
绝热压缩系数： T，S，P
c T，S，P T，S，P
Temperature、Salinity、Pressure
水声学
第2章 海洋的声学特性
3
2.1 海水中的声速
1、声速经验公式
海水中的声速c（m/s）随温度T（℃）、盐度S（ ‰）、静压力P（kg/m2）的增大而增大。其中，温 度的影响最显著。 通过大量海上声速测量数据，总结可得到声速经 验公式。较精确的经验公式为：
水声学 第2章 海洋的声学特性
dB
33
2.2 海水中的声吸收
2）球面波的扩展损失
在理想介质中，沿r方向传播简谐球面波声压：
p0 p expit kx r
2 I p0 r2
传播损失为：
TL1 10lg I r I 1 20lg r
dB
水声学
第2章 海洋的声学特性
2.1 海水中的声速
2）海水中声速的基本结构
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。
水声学
第2章 海洋的声学特性
17
2.1 海水中的声速
2）海水中声速的基本结构 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
• 工作原理：声循环
前一个脉冲到达接收
器，触发后一个脉冲从发