第3章海洋中的声传播理论详解
声波在海洋的传输原理
声波在海洋的传输原理
声波在海洋中的传输原理是海洋声学研究的重要内容之一。
海洋中的声波传播与陆地上的声波传播存在很大的不同，海洋环境的复杂性使得声波在海洋中的传输过程更加复杂和多变。
声波在海洋中的传输受到水的物理特性的影响。
海水是一种复杂的介质，它具有密度、速度、温度、盐度等参数的空间和时间变化。
这些参数的变化会影响声波在海水中的传播速度和路径，从而影响声波的传输。
海洋中存在各种声源，包括动物的声音、水下爆炸声、海浪声等。
这些声源在海洋中产生的声波会通过水传播到远处。
海洋中的声波传播距离较远，可以达到几百甚至上千公里。
这种远距离传播的主要原因是海水的传播损失较小，声波的能量损失较小。
海洋中的声波传输还受到海底地形的影响。
海底地形的起伏、沉积物的分布等会对声波的传播路径产生影响。
海底地形的复杂性使得声波在海洋中传播时会发生折射、散射、反射等现象，从而改变声波的传播方向和强度。
海洋中的声波传输还受到海洋中的生物因素的影响。
海洋中存在大量的海洋生物，它们会产生各种声音，包括鱼类的鳍声、鲸鱼的歌声等。
这些声音会干扰声波的传输，从而影响声波的传播距离和清晰度。
声波在海洋中的传输原理是一个复杂而多变的过程。
海洋环境的特殊性使得声波的传输受到水的物理特性、海洋中的声源、海底地形以及海洋中的生物因素的影响。
深入研究声波在海洋中的传输原理，对于理解海洋环境、海洋生物以及海洋资源的利用具有重要意义。
海洋中的声波传播与物理特性分析
海洋中的声波传播与物理特性分析声波是在介质中传播的压力波，海洋作为一种重要的介质，对声波的传播和物理特性具有着独特的影响。
本文将针对海洋中的声波传播与物理特性进行分析，探讨其在海洋科学研究和海洋工程领域的应用。
一、声波传播的基本原理声波在海洋中的传播受到多种因素的影响，包括声源特性、传播路径、海洋环境等。
在海洋中，声波的传播速度较空气中快约4.3倍，主要是由于海水的高压缩性和高密度。
同时，海洋中存在各种声学反射、折射、散射等传播现象，这些现象导致声波传播路径的复杂性。
海洋中的传播路径包括水平传播和垂直传播。
水平传播主要受海洋底部、地形等因素的影响，海底反射和散射会导致传播路径的扩散和延迟。
垂直传播则受到海洋的声敏层（SOFAR层）的影响，该层具有较低的声速，能够使得声波在层内进行远距离传播。
二、海洋中声波的物理特性1. 开普勒效应在海洋中，声源和接收器相对于海水的相对运动会导致声频的频率变化，即开普勒效应。
开普勒效应在海洋生物学中具有重要意义，因为生物在声音频率的感知和定位中可能受到这种变化的影响。
2. 声衰减声波在传播过程中会受到水中溶解气体、盐度、温度等因素的影响，导致声波信号衰减。
海洋中的声波衰减比空气中要大，这也是为什么水下通信需要使用较低频率的声波信号的原因之一。
3. 声速剖面海洋中的声速剖面是指声速随深度的变化规律。
在海洋中，声速剖面是不规则的，与海洋的温度、盐度及压力等因素有关。
海洋中通常存在表层和中层两个相对较稳定的层次，其声速分布呈现特定的特性。
三、海洋中声波的应用1. 海洋科学研究声波在海洋科学研究中具有广泛的应用，如海洋温度、盐度等物理参数的测量，海洋动力学研究以及海洋生物学等方面。
通过声学技术，可以实时监测海洋环境变化，研究海洋中的生物种类及数量。
此外，声学技术还可用于海底地形勘测、海浪监测等领域。
2. 海洋工程声波在海洋工程领域的应用非常广泛。
比如，声纳技术可用于海底管道、深海油气勘探及矿产资源调查；声呐技术可用于水下通信和声纳导航；声学声纳也是水下定位以及障碍物避免的重要手段。
海洋中的声学传播特性研究进展
海洋中的声学传播特性研究进展声学传播特性是指声波在特定介质中传播的特点和规律。
海洋中的声学传播特性研究对于理解海洋环境、探测海洋资源、进行海洋观测和保护海洋生态环境等方面都具有重要意义。
本文将从声波传播机理、声学传感技术以及海洋声学研究中的应用等方面，对海洋中的声学传播特性研究进展进行概述。
一、声波传播机理声波在海洋中传播的机理主要包括直达传播、散射传播和衍射传播等。
直达传播是指声波直接从声源传播到接收器，散射传播是指声波在遇到不均匀介质时被反射或折射导致的传播，而衍射传播则是指声波在遇到障碍物时绕过障碍物进行传播。
海洋中的声波传播受到海水声速、温度、盐度、声衰减等因素的影响。
海水中的声速和密度随深度变化，形成了声速剖面。
此外，海水中的溶解氧浓度和微生物浓度也会影响声波传播。
二、声学传感技术声学传感技术是一种利用声波传播特性进行信息传输、探测和测量的技术。
在海洋环境中，声学传感技术被广泛应用于海洋观测、洋底地震监测、水声通信等领域。
海洋观测方面，声学传感器可以用于测量海洋中的水温、盐度、压力、流速等参数，对海洋环境进行实时监测和预警。
洋底地震监测中，声学传感器可以记录地震产生的声波信号，帮助科学家研究地震的发生和演化过程。
水声通信则利用声波传播的特性进行远距离通信，用于海底油气田监测、海上救援等领域。
三、海洋声学研究中的应用海洋声学研究在海洋科学研究、资源勘探和环境保护等方面有着广泛应用。
在海洋科学研究中，通过对海洋中声波传播特性的研究，可以获取海底地质、海洋生态系统和海洋动力学等方面的信息。
同时，声学观测还可用于研究鱼类迁徙、海洋哺乳动物行为等生物学现象。
在海洋资源勘探方面，声学方法已成为一种重要的探测手段。
通过声波在海洋中的传播特性，可以实现海洋石油、天然气等资源的探测与勘探。
此外，声学方法还可以应用于海洋矿产资源的勘探和开发。
在海洋环境保护方面，声学技术可以用于监测和评估海洋环境的变化和污染状况。
海洋声学特征
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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
海洋声学原理
海洋声学原理今天来聊聊海洋声学原理的相关知识。
你们有没有在海边听到过那种低沉又深远的声音，就像是大海在诉说着什么秘密一样？其实这就和海洋声学原理有关系。
我最初对海洋声学原理感兴趣，是因为看了一部关于海洋探险的纪录片。
在纪录片里，那些科考人员通过一些仪器在海洋里探测各种东西，看起来特别神奇。
海洋可以看作是一个巨大而复杂的声学空间。
声音在海洋中传播就像汽车在各种各样的道路上行驶一样。
首先呢，我们得知道声音在海洋中的传播速度跟在空气中不太一样。
在海水中，声音的传播速度主要受海水的温度、盐度和压力等因素的影响。
我把这个原理打个比方，就好像你在不同材质的管道里送水，水的流速会不一样。
海水温度高一些的时候，声音就传得快一些；盐度高的地方和盐度低的地方，声音传播速度也有差异；压力呢，就像水深的潭底会和浅滩的水压不同一样，越深的地方压力越大，也会对声速产生一定影响。
说到这里，你可能会问，了解这个有什么用呢？这用处可大了！比如说海洋科考，科学家们可以利用声学原理来找寻海底的宝藏、研究海底的地形地貌或者寻找那些神秘的深海生物。
曾经我自己也很困惑，为什么有时候在海洋里声音传播会突然改变方向呢？后来我才知道这是因为海洋中的声速剖面不是均匀的，当声音遇到声速不同的水层时就会发生折射现象。
这个折射现象也很有趣。
就好比光线通过一块三棱镜会改变方向一样，声音在海洋里从一个水层进入到另一个声速不一样的水层时也会发生类似的转向。
从实用价值上来说，利用这种声音折射的特性，军方可以使用声呐来探测到躲在特殊位置（像那些可以造成声音折射区域）的潜艇等目标。
还有一个很重要的概念叫海洋噪声。
海里也不是完全安静的，像一些海洋生物发出的声音、海浪的声音，甚至船舶航行的声音等等都构成了海洋噪声。
海洋生物发出声音有时候是为了求偶，比如说一些鲸鱼的叫声能传得很远很远。
这就像我们人类唱歌吸引异性注意一样。
不过呢，这个海洋声学原理，我还不能说自己完全明白了。
第3章 海洋中的声传播理论
2
2
3.2 波动声学基础
（3）函数Rn(r) 由零阶贝塞尔方程，可得 Rn r 的解：
Rn r jZ n z0 H 0 n r
2
2 2 j sin k zn z0 H 0 n r H
水声学
第3章 海洋中的声传播理论
①平面波情况
x =f t c
水声学
1 0 x c t
第3章 海洋中的声传播理论
jk 0 x
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3.1 波动方程和定解条件
②柱面波情况
lim r jk 0 r r
③球面波情况
注意负号的物理含义。
水声学 第3章 海洋中的声传播理论 13
3.1 波动方程和定解条件
④边界上密度或声速有限间断
边界上压力和法向质点振速连续：
p s0 p s0
1 p 1 p n n s 0 s 0
若压力不连续，压力突变或质量加速度趋于无穷；
水声学
第3章 海洋中的声传播理论
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3.2 波动声学基础
（1）波动方程
d 2 Rn 1 dRn d 2 Zn 2 2 Zn 2 Rn 2 k0 Z n r z z0 r dr r n dz dr
——第二类非齐次边界条件
水声学 第3章 海洋中的声传播理论 12
3.1 波动方程和定解条件
③混合边界条件：声压和振速线性组合
p a bp f s n s
——若a和b为常数，则为第三类边界条件 若 f s 0 ，则为阻抗边界条件： p Z un
(完整版)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：1 c ----------s式中，密度 和绝热压缩系数 s 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 (C)、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：c ST p S 35 1.197 10 3T 2.61 10 4P 1.96 10 1P 2 2.09 10 6 PT P 2.796 10 4T 1.3302 10 5T 2 6.644 10 8T 3 P 22.391 10 1T 9.286 10 10T 21.745 10 10 P 3T上式适用范围：-3C <T<30 C 、33%<S<37%。
、1.013 105N /m 2 1 个大气压 注意I ：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。
但上式计算比较繁琐，在精度要求不太高时，可使用比较简单 的经验公式。
许多文献资料，都给出较为简单的声速经验公式，这里介绍|乌德公式|:式中，压力P 单位是大气压，1atm 1.013 105N/m 2 。
c 1449.22c TC sCPc STPc T4.6233T5.4585 10 2T 2 2.822 10 4T 3 5.07 10仃4C s 1.391 S 35 7.8 10 2 S 35 2c P1.60518 10 1P 1.0279 10 5P 2 3.451 10 9 P 3 3.503 10 12 P 4式中,52P 980 105N/m 2。
海洋中的声传播理论详解课件
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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
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辐射条件
描述：无穷远处没有声源存在时，其声场应具有 扩散波的性质——辐射条件
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奇性条件
均匀发散球面波在声源处存在奇异点，不满足波动 方程； 处理方法：引入狄拉克函数。 结论：非齐次波动方程包含奇性定解条件。
2 p 1 p 2 p 2 2 2 k 0 p r z z 0 2 r r z r r
应用分离变量法，令：
pr , z Rn r Z n z
n
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2、定解条件
边界条件
绝对软边界(声压释放边界)——声压为零 不平整海面：
z x , y , t
1）第一类齐次边界条件：
px , y , , t z x , y , t 0
2）边界面上有压力分布：
px , y , , t z x , y , t ps
研究水下声传播的常用方法 波动理论 研究声信号的振幅和相位在声场中的变化 简正波(NM)模型、绝热简正波(Adiabatic)模型、耦 合简正波(Couple)模型 Kraken、Couple 射线理论 研究声场中声强随射线束的变化 BELLHOP、HARPO&EIGEN、RTPO（自研） PE、FFP、Multipath Extension WKB
混合边界条件——压力和振速线性组合 边界上密度或声速的有限间断——压力和法向质 点振速连续 关于连续的解释： 若压力不连续，质量加速度趋于无穷的不合理 现象； 若法向振速不连续，边界上出现介质“真空” 或“聚集”的不合理现象。
注意：上述边界条件只限制波动方程一般解（通解） 在边界上的取值
2、定解条件
定解条件 波动方程：给出声波传播所遵循的普遍规律 定解条件：声波传播所满足的具体条件 类型： 边界条件 辐射条件 奇性条件 初始条件
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——第一类非齐次边界条件
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绝对硬边界——法向质点振速为零 1）平整硬质海底：
p z 0
z 0
2）不平整硬质海底：z x , y , t
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1、波动方程
波动方程
由连续性方程、运动方程、状态方程得到波动方程
2 1 p 1 2 p 2 2 p 0 c t
2
本章主要内容
Snell折射定律和声线弯曲 声线轨迹 声线传播时间 线性分层介质中的声线图 聚焦因子 波动理论与射线理论的比较
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1、波动方程
波导模型
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简正波
由于声场的圆柱对称性，水层中声场满足柱坐标系下 的波动方程：
即：
1 p 2 p 2 r 2 k0 p 4A r r0 r r r z
密度均匀介质中的Helmholtz方程：
2 p k 2 x , y , z p 0
说明：上述赫姆霍茨方程是变系数的偏微分方程 ——泛定方程
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经分离变量得到
d 2 Rn 1 dRn d 2Zn 2 2 k0 Z n (r ) ( z z0 ) Zn Rn 2 2 r dr r n dr dz
第3章 海洋中的声传播理论
波动方程和定解条件 波动声学基础
本章主要内容
波动方程和定解条件 波动声学基础 硬底均匀浅海声场 液态海底均匀浅海声场 射线声学的基本方程 射线理论的应用条件
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当求远离初始时刻的稳态解时，可不考虑初始条件
初始条件
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第四章 海洋中的声传播理论
波动声学基础
3、波动声学基础
硬底均匀浅海声场
声源 点源 r0 (0, z0 ) 水深：H 声速：c0 密度： 0 边界 自由海面 硬质平整海底
n u u x u y u z 0 x y
——第二类齐次边界条件 3）界面上有质点振速分布
ux u y u z us x y
——第二类非齐次边界条件
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