水声学-海洋中的声传播理论1
第四章 海洋中的声传播理论
第四章 海洋中的声传播理论水声传播常用的方法：波动理论（简正波方法）——研究声信号的振幅和相位在声场中的变化；射线理论（射线声学）——研究声场中声强随射线束的变化，它是近似处理方法，且适用于高频，但它能有效、清晰地解决海洋中地声场问题。
4.1 波动方程和定解条件1、波动方程当介质声学特性是空间坐标的函数，则可得小振幅波的运动方程、连续性方程和状态方程：p t u -∇=∂∂ρ 0=⋅∇+∂∂u tρρρd c dp 2= 状态方程可写为：tc t p ∂∂=∂∂ρ2由状态方程和连续性方程可得：012=⋅∇+∂∂u tp c ρ 利用运动方程从上式中消去u可得0112222=∇⋅∇-∂∂-∇ρρp tp c p当介质密度是空间坐标的函数时，波动方程的形式和密度均匀介质中波动方程的形式不同。
引入新的从变量：ρϕp=，则可得0432********=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∇-∇+∂∂-∇ρρρρϕϕt c 对于简谐波，222ω-=∂∂t ，则上式可写为：()0,,22=+∇ϕϕz y x K式中，2224321⎪⎪⎭⎫⎝⎛∇-∇+=ρρρρk K 。
ϕ不是声场势函数，K 也不是波数。
在海水中，与声速相比密度变化很小，可将其视为常数，则()z y x c k K ,,ω==，于是()0,,22=+∇ϕϕz y x k ()0,,22=+∇p z y x k p如果介质中有外力作用F，例如有声源情况，则有()ρϕϕFz y x K ⋅∇=+∇,,22在密度等于常数时，有()ρϕϕFz y x k ⋅∇=+∇,,22()F p z y x k p⋅∇=+∇,,22上述赫姆霍茨方程是变系数的偏微分方程——泛定方程。
2、定解条件满足物理问题的具体条件——定解条件。
物理量在介质边界上必须满足的条件。
（1）绝对软边界绝对软边界条件：声压为零界面方程表示为()t y x z ,,η=，()()0,,,,,==t y x z t y x p ηη——不平整海面 也称为第一类齐次边界条件如果已知边界面上的压力分布，则()()s t y x z p t y x p ==,,,,,ηη，称为第一类非齐次边界条件。
《水声学》部分习题答案
《水声学习题集参考答案》水声工程学院水声学课程组编哈尔滨工程大学目录绪论 (1)第1章声学基础 (2)第2章海洋声学特性 (2)第3章海洋中的声传播理论 (3)第4章典型传播条件下的声场 (6)第5章声波在目标上的反射和散射 (10)第6章海洋中的混响 (14)第7章水下噪声 (17)第8章声传播起伏 (20)第9章声纳方程的应用 (20)绪 论1 略2 略3 略4 略5 环境噪声和海洋混响都是主动声呐的干扰，在实际工作中如何确定哪种干扰是主要的？解：根据水文条件及声呐使用场合，画出回声信号级、混响掩蔽级和噪声掩蔽级随距离变化的曲线，如下图，然后由回声信号曲线与混响掩蔽级、噪声掩蔽级曲线的交点所对应的距离来确定混响是主要干扰，还是噪声为主要干扰，如下图，r R <r n ，所以混响是主要干扰。
声信号级噪声掩蔽级R6 工作中的主动声呐会受到哪些干扰？若工作频率为1000Hz ，且探测沉底目标，则该声呐将会受到哪些干扰源的干扰。
解：工作中的主动声呐受到的干扰是：海洋环境噪声、海洋混响和自噪声，若工作频率为1000Hz ，干扰来自：风成噪声、海底混响、螺旋桨引起的自噪声及水动力噪声。
7 已知混响是某主动声呐的主要干扰，现将该声呐的声源级增加10dB ，问声呐作用距离能提高多少？又，在其余条件不变的情况下，将该声呐发射功率增加一倍，问作用距离如何变化。
（海水吸收不计，声呐工作于开阔水域） 解：对于受混响干扰的主动声呐，提高声源级并不能增加作用距离，因为此时信混比并不改变。
在声呐发射声功率增加一倍，其余条件不变的情况下，作用距离变为原距离的42倍，即R R 412 。
第1章声学基础1什么条件下发生海底全反射，此时反射系数有什么特点，说明其物理意义。
解：发生全反射的条件是：掠时角小于等于全反射临界角，界面下方介质的声速大于界面上方介质的声速。
发生全反射时，反射系数是复数，其模等于1，虚部和实部的比值给出相位跳变角的正切，即全反射时，会产生相位跳变。
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。
海洋中的声传播理论详解课件
THANKS
感谢观看
声波在海洋中的散射和吸收导致信号强度衰减，使得远程通信和探测的可靠性降低 。
高分辨率声传播模型的发展
针对声传播的复杂性和不确定 性，发展高分辨率声传播模型 是重要的研究方向。
高分辨率模型能够更准确地模 拟声波在海洋中的传播路径和 能量衰减，提高预测精度。
通过引入更多的环境参数和改 进模型算法，可以更好地模拟 声传播过程，为实际应用提供 更可靠的依据。
当声波从一种介质传播到另一种介质时，由于介质密度的变化，声波的传播方 向会发生改变。在海洋中，声波从海水传播到空气时会产生折射现象。
声波反射
当声波遇到不同介质的界面时，部分或全部声波能量会返回原介质。在海洋中 ，声波遇到海底或海面时会产生反射现象。
声波的散射与吸收
声波散射
在海洋中，由于海水的密度、温度和盐度等分布不均匀，声波在传播过程中会发 生散射现象，导致声能分散。
02
海洋声学基础
海洋的物理特性
温度
海水温度随深度增加而 降低，影响声波传播速
度和衰减。
盐度
海水中盐分浓度影响声 波传播速度和衰减。
压力
深海压力大，影响声波 传播速度和衰减。
混浊度
海水中悬浮颗粒物和浮 游生物影响声波传播。
声波在海水中的传播速度
低频声波传播速度高 于高频声波。
深海声道现象：在一 定深度以下，声波传 播速度随深度增加而 增加。
海洋中的声传播理论详解课件
contents
目录
• 声波的基本理论 • 海洋声学基础 • 海洋中的声传播现象 • 海洋声传播的应用 • 海洋声传播的挑战与展望
01
声波的基本理论
声波的产生与传播
声波的产生
华北理工水声学课件03海洋中的声传播理论-4分层介质中的射线声学
R1 1
x 1
z
z
声线轨迹
声线水平传播距离
③当梯度为恒定值时，声线轨迹为圆弧，则水平距离：
x
R1
sin 1
sinz
cz1
cos1
g
sin 1
sinz
通常情况下已知的是声线
O
x
z
经过的垂直距离，因此，
z
④水平距离的另一种形式为：
z1
1 x
1
1
(
2
(1
2
))
R1 1
x
(
z1
z)
/
tg
声线传播时间
传播时间的另一种表达式③：
1 d
t
g 1 cos
① 式为求传播时间的基本公式 ② 式是对深度进行积分的求解公式 ③ 式是对掠射角进行积分的求解公式
线性分层介质中的声线图
线性声速分层近似下的声线图
c0
c
x
0
ci (z) gi z
i zi
xi
i1
x
线性分层介质中的声线图
x2
z
1 a
2
1 a2
O(x0 , z0 ) z
声线轨迹
声线轨迹方程 ②声线在海面处以任意掠射角1 出射，声线的轨迹方程：
x O
1
x
tg1
a
2
z
1 a
2
a
1
cos 1
2
R
1
O(x1, z1) z
声线轨迹
声线水平传播距离 ①任意声速分布下声线经过的水平距离：
c(z) O
计算复杂；
不能处理影区和焦散区附 近的声场；
海洋中的声、光传播
04
05
01
03
02
海洋光学中有两个基本的辐射度量，用于描述海中光场的分布。
01
是辐亮度L，它是指沿特定方向垂直于单位截面积并沿此方向单位立体角的辐射量大小；
02
辐照度E，它表示单位面积接收到的辐射量
03
2.1海洋光学中的一些辐射量
入射到海水表面的光，一部分被反射回空气中，一部分折射到海中。光在海面的反射和折射遵从光的反射定律和折射定律。
单击此处添加副标题
202X
第十章 海洋中的声、光传播
1 海洋声学
1.1 水声学与海洋声学的发展 水中的各种能量辐射形式中，以声波的传播性能为最好，在含有盐、气泡和浮游生物的海水中，光波和电磁波的衰减都非常大。它们的传播距离较短，远不能满足人类在海洋活动中的需要。因此，在水下目标探测、通讯、导航等方面均以声波做为水下唯一有效的辐射能。 发现过程： 第一次大战期间，由于德国的潜艇活动，约4000多艘同盟国舰船被击沉，这个数目相当于同盟国拥有舰船的三分之一，从而迫使同盟国集中很大力量去研究同潜艇做斗争的手段。 1914年郎之万、康斯坦丁首先做成了电容(静电式)发射器和碳粒微音接收器。 1918年利用这样的发射和接收器，接收到来自海底的回波和于200m深处一块甲板的回波。 同时，郎之万等人用石英晶体做成压电式发射器和接收器，并采用了刚研制成的真空管放大器，制成第一台回声定位仪，以后简称声呐(sonar)。“声呐”名称的由来，是仿照雷达一词对“声导航和回声定位”的英文“sound navigation and ranging”的缩写。
2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2.2海-气交界面的光学性质
光进入海中，受到海水的作用将衰减。即使最纯净的水，这种衰减也是很严重的。引起衰减的物理过程有两个：吸收和散射。
(完整版)水声学原理(第一章)
参考值
10
1.6.2声压级等于声强级:
L I
10 log
I I
0
10
log
p2
c
p2 0
c
20 log
p p
0
L
p
注意参考值不同产生的声级差别:
1971年以前曾用： =20μPa＝2×10－4达因/厘米2，换算到现在标准要加26分贝。 ＝1 达因/厘米2＝1μb（微巴）＝10－5μPa，换算到现在的标准 要加100分贝。
水声技术的成果突出反映在两个方面 1、声呐性能的不断提高：探测距离原来越远、对目标的定位、跟踪能力越来越强 2、应用声自导或声引信的水中兵器（鱼雷、水雷、深水炸弹等）的作战能力不断 提高。
因此，现代舰艇在水下面临的威胁与水声技术的水平有直接的关系。声隐身 性能是潜艇水下隐蔽性的核心。
4
1.4、水声技术的发展历史
声学中采用分贝计量的原因： ❖声学量的变化大到六、七个数量级以上
▪ 从窃窃私语到大型喷气式飞机起飞的声功率差十个数量级； ▪ 人耳的听阈在频率1kHz时是20μPa（微帕），痛阈是20Pa， 相差六个数量级； ▪ 在水中，一艘老式潜艇的辐射总声功率达到数瓦，而新型的 低噪声潜艇不到1微瓦，相差六、七个数量级。 ❖人耳（仪器）的响应近似与声压或声强的对数成比例。
5
1.5 声呐简介
声呐（声纳）-SONAR(Sound Navigation and Ranging)
凡是利用水下声信息进行探测、识别、定位、导航和通讯的系统，都通称为声呐系 统。声呐的主要应用是军用声呐。按工作方式可以分为：主动声呐和被动声呐。 按安装平台分可以分为： ❖潜艇声呐：潜艇上的电子设备是声呐。一般核潜艇装有10～15部声呐。主要有： 艏部主、被动综合声呐；被动测距声呐；舷侧阵声呐；拖曳线列阵声呐。 ❖水面舰声呐：舰艏声呐；变深拖曳声呐；拖曳线列阵声呐。 ❖机载声呐和浮标：吊放声呐；声呐浮标。 ❖海洋水声监视系统：岸站（岸边海底固定式声呐）；预警系统 ❖水声对抗器材：鱼雷报警声呐；声诱饵；干扰器；气幕弹 ❖水中兵器自导：鱼雷声自导；水雷声引信； ❖其它：通讯仪、鱼探仪、多普勒测速仪、浅地层剖面仪等。
第四章 海洋中的声传播理论
第四章 海洋中的声传播理论水声传播常用的方法：波动理论（简正波方法）——研究声信号的振幅和相位在声场中的变化；射线理论（射线声学）——研究声场中声强随射线束的变化，它是近似处理方法，且适用于高频，但它能有效、清晰地解决海洋中地声场问题。
4.1 波动方程和定解条件1、波动方程当介质声学特性是空间坐标的函数，则可得小振幅波的运动方程、连续性方程和状态方程：p t u -∇=∂∂ρ 0=⋅∇+∂∂u tρρρd c dp 2= 状态方程可写为：tc t p ∂∂=∂∂ρ2由状态方程和连续性方程可得：012=⋅∇+∂∂u tp c ρ 利用运动方程从上式中消去u可得0112222=∇⋅∇-∂∂-∇ρρp tp c p当介质密度是空间坐标的函数时，波动方程的形式和密度均匀介质中波动方程的形式不同。
引入新的从变量：ρϕp=，则可得0432********=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∇-∇+∂∂-∇ρρρρϕϕt c 对于简谐波，222ω-=∂∂t ，则上式可写为：()0,,22=+∇ϕϕz y x K式中，2224321⎪⎪⎭⎫⎝⎛∇-∇+=ρρρρk K 。
ϕ不是声场势函数，K 也不是波数。
在海水中，与声速相比密度变化很小，可将其视为常数，则()z y x c k K ,,ω==，于是()0,,22=+∇ϕϕz y x k ()0,,22=+∇p z y x k p如果介质中有外力作用F，例如有声源情况，则有()ρϕϕFz y x K ⋅∇=+∇,,22在密度等于常数时，有()ρϕϕFz y x k ⋅∇=+∇,,22()F p z y x k p⋅∇=+∇,,22上述赫姆霍茨方程是变系数的偏微分方程——泛定方程。
2、定解条件满足物理问题的具体条件——定解条件。
物理量在介质边界上必须满足的条件。
（1）绝对软边界绝对软边界条件：声压为零界面方程表示为()t y x z ,,η=，()()0,,,,,==t y x z t y x p ηη——不平整海面 也称为第一类齐次边界条件如果已知边界面上的压力分布，则()()s t y x z p t y x p ==,,,,,ηη，称为第一类非齐次边界条件。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
HEU
9
三、声线水平传播距离
任意声速分布下声线经过的水平距离：
x
dx
z1
z1 tg z
d
z
cos1
z z1
1 dz
n2zco2 s1
① ：声线经过反转点后，水平距离为多少？
X xcos1 zz1
1
dz
n2zco2s1
College of Underwater Acoustic Engineering
线性声速分层近似下的声线图 各层水平传播距离：
xi (zizi1)/ta1 2 nii1
声线总传播距离：
xN i 0 1 x iN i 0 1(zi zi 1 )/ta 1 2 nii 1
：根据 xi和 zi 可以描绘声线轨迹，它是不同曲率圆弧 的组合。
College of Underwater Acoustic Engineering
HEU
11
三、声线水平传播距离
恒定声速梯度下声线的水平距离：
c(z) O
z
z
z1
1 x
R1 1
x 1
z
z
College of Underwater Acoustic Engineering
HEU
12
三、声线水平传播距离
恒定声速梯度下声线的水平距离：
已知掠射角时：
xR1sin1sinz
O
z
X
O 1
x
R
1
轨迹方程
xta g 12z1 a2ac1o1s2
O(x1, z1) z
College of Underwater Acoustic Engineering
HEU
8
三、声线水平传播距离
任意声速分布下声线经过的水平距离：
c(z) O
x
z
1
z1
x
z
dx dz
z
z
College of Underwater Acoustic Engineering
曲率半径
O 0 0
x
R1 d 1 cos dc
ds
c dz
R
轨迹方程
x2
z
12 a
1 a2
O(x0 , z0 ) z
College of Underwater Acoustic Engineering
HEU
7
二、声线轨迹
声线轨迹方程 在海面处以任意掠射角 1 出射 曲率半径
R 1 a
c
cz1
os1g
s
in1s
inz
③
z
z1
1 x
已知垂直距离时：
(1 ) -(
2
2
1
)
x(z1z)/tg1 21z ④ z
R1 1
College of Underwater Acoustic Engineering HEU
x 1
13
三、声线水平传播距离
传播距离的基本公式： ①式为求声线水平传播距离的基本公式 ②式为经反转点后声线水平传播距离的求解公式 ③式为恒定梯度下已知掠射角时声线水平传播距离公式 ④式为恒定梯度下已知深度时声线水平传播距离公式
College of Underwater Acoustic Engineering
HEU
16
五、线性分层介质中的声线
线性声速分层近似下的声线图
c0
c
x
0
ci (z) gi z
i zi
xi x
College of Underwater Acoustic Engineering HEU
i1
17
五、线性分层介质中的声线
第四章 海洋中的声传播理论
第十讲 分层介质中的射线声学
一、Snell折射定律和声线弯曲
折射定律
声线弯曲
c c0
cos cos0 常数
c
c0
x
0 0
c c0
x
0 0
z
负梯度下声线弯曲
z
正梯度下声线弯曲
College of Underwater Acoustic Engineering
HEU
HEU
10
三、声线水平传播距离
任意声速分布下声线经过的水平距离：
声线经过反转点后的水平距离：
O
x
z
x cos1 z1
1
dz
n2z cos2 1
z
1
dz
z n2z1
②
z
1
z1
x
z
x1 x2
x
：反转点处的掠射角为零！ z
College of Underwater Acoustic Engineering
HEU
5
二、声线轨迹
声线轨迹方程 声速分布：
cc01az
相对梯度： a 1 dc(m1) c0 dz
绝对梯度： gddczc0a(s1)
c(z)
z
声速剖面
College of Underwater Acoustic Engineering
HEU
6
二、声线轨迹
声线轨迹方程
在海面处以掠射角 0 0 出射
当声线经过反转点 z 时，水平传播距离公式③可改写 为：
xcco z1 1sgsin 1sin z
College of Underwater Acoustic Engineering
HEU
14
四、声线传播时间
传播时间最基本表达式：
ds z dz
t c z1czsinz
①
传播时间的一般计算式：
x 0 g c c z 2 1 o 0 s 1 si0 s ni n co 0 cso s 0
College of Underwater Acoustic Engineering
HEU
20
六、声强度
单层线性分层介质
Ix, zWcxo22s0
4
一、Snell折射定律和声线弯曲
常数的概念：对于某条声线，它是常数，不同的声线，其 常数不一定相同。
几何意义：声线总是向声速减小的方向弯曲。
应用——声线相关参数的求解： ✓声线曲率半径； ✓声线轨迹方程； ✓声线传播距离； ✓声线传播时间。
College of Underwater Acoustic Engineering
HEU
18
五、线性分层介质中的பைடு நூலகம்线
四种不同类型声速分布下的声线轨迹
College of Underwater Acoustic Engineering
HEU
19
六、声强度
射线声学计算声强的基本公式：
Ix, z Wcos0
x
x
0
sin
此时需计算水平距离对声源处声线的掠射角的导数
x 0
单层线性分层介质
t
c1z1
z z1
n2zdz n2zco2s1
②
当声速梯度为恒定值时，根据Snell定律有：
dzcz1sind
gcos1
College of Underwater Acoustic Engineering
HEU
15
四、声线传播时间
声速梯度恒定时：
t 1 d g 1 cos
③
传播时间计算公式： ① 式为求传播时间的基本公式 ② 式是对深度进行积分的求解公式 ③ 式是对掠射角进行积分的求解公式