海洋声学特征
海洋的声学特性
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
水声学第三章 海洋的声学特性
c 声速：沉积层中有压缩波速度（声速） 和切变波
速度 c s 两种。
衰减系数（dB/m）
Kf m
K为常数；f为频率，单位kHz；m为指数，通常取1
海底声反射损失
定义：反射声振幅相对入射声振幅减小的分贝数
BL20lgpr 20lgV pi
反向散射强度(朝声源方 向的声散射。) ：单位 界面上单位立体角中所 散射出去的功率与入射 波强度之比。
深海平原海底反向散射强度与入射角的关系
在小入射角时，散射 强度随入射角增大而减小， 与频率一般无关
入射角>5度时，散射
强度10lgms近似与 cos2
成正比 大入射角时，散射强度可能与频率的四次方 成正比
海底反射系数模和反射损失BL值随掠射角的变化
高声速海底
低声速海底
深海实测的海底反射损失
海底反射损失的三个特征
存在一个“分界掠射角” ，是海底反射损失
的一个特征参数
当 时，反射损失值较小,随 增大而增加 当 时，反射损失较大,与 无明显依赖关系 海底反射损失简化模型-三参数模型
V 2 im co m c s s2 2 io n in s 2 c s 2 o 2 i n s / n 22 c2 o n s 2
又
1n2 M1iM2
令：
V V*02iM m 1M 1iM i2M 22
QReV V/2V* 0M 212m M M 222 Q 2 m 2M M 1 2 M 2 2
注意与书：上三结参果数：模型可用于分析海洋中声场的略有平不均同结！构
2、海面声学特性
海面波浪
周期性——周期、波长、波 速和波高等量描述其特征；
声学基础知识：海洋中的混响
声学基础知识：海洋中的混响海洋中存在⼤量的散射体，⽐如海洋⽣物、泥沙粒⼦、⽓泡、⽔团等。
当声波投射到散射体上会产⽣散射，散射声波在接收点处叠加形成混响。
混响的特点有：紧跟在发射信号之后随时间衰减1. 混响的分类体积混响：海⽔中流砂粒⼦、海洋⽣物，海⽔本⾝的不均匀性等，对声波散射所形成的混响。
海⾯混响：海⾯的不平整性和波浪形成的⽓泡层对声波散射所形成的混响。
海底混响：海底及其附近散射体形成的混响。
海⾯混响和海底混响统称为界⾯混响（散射体分布是⼆维的）。
2. 散射强度定义：参考距离1⽶处被单位⾯积或体积所散射的声强度与⼊射平⾯波强度⽐值的分贝数。
散射强度也是在远场测量后再归算到单位距离处的。
应⽤如下：散射强度是表征混响的⼀个基本⽐值，可利⽤它计算各类混响的等效平⾯波混响级或进⾏混响预报；体积混响的反向散射强度值为-70dB~-100dB，远⼩于海⾯和海底值。
3. 等效平⾯波混响级若接收器接收来⾃声轴⽅向⼊射的强度为I的平⾯波输出端电压为V，如将接收器放置在混响声场，声轴对着⽬标，接收器输出端电压也为V，则混响场的等效平⾯波混响级RL 为：混响是随时间指数衰减的，因此，它对接收信号⼲扰的⼤⼩与信号到达时间有关。
4. 计算等效平⾯波混响级的基本假定直线传播，计及球⾯衰减和海⽔吸收：散射体分布是随机均匀的，且每个散射体贡献相同；散射体数量极多，单位体积元和⾯元有⼤量散射体：Ssv =常数；不考虑多次反射，只考虑⼀次散射；脉冲时间⾜够短，忽略体积元和⾯元尺度范围内的传播效应。
⼆、体积混响1. 对混响有贡献的区域海洋中存在⼤量散射体，它们距离声源和接收器的远近不⼀样，⼊射声波照射到散射体的时刻有先后。
某时刻的混响是该时刻所有到达接收器的散射波的总和。
考虑收发合置情况，声源、接收器位于O点，发射脉冲宽度为τ，根据球⾯扩展假设，该脉冲在海⽔中形成⼀个厚度为cτ的扰动球壳层，发射脉冲结束后的t/2时刻，该扰动球的内外半径为：球壳内的散射体在t/2时刻的散射波，不能在同⼀时刻传到接收器。
(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。
海底声学特性
海底声学特性海底对从海水入射的声波的反射和散射海底声学特性，海底对从海水入射的声波的反射和散射，以及声波在海底沉积物中的传播速度和衰减等特性。
中文名：海底声学特性本质：声音在传播介质中的不同相关概念：声波传播速度和衰减分类：低声速海底，高声速海底介绍海底对声波在海中的传播，特别是对声波在浅海中的传播影响很大。
声波在海底沉积物中的传播速度，通常与频率没有明显的关系。
在平均粒径极小而孔隙率很大的稀薄沉积物中的声速，接近或低于海水中的声速。
在较密实的沉积物中的声速，随粒径的增加和孔隙率的减小而单调增加，且大于海水中的声速。
在固化程度较高的沉积层中，声波除纵波外，还有横波传播。
海底沉积物中的声衰减,主要由沉积物的粘滞性和摩擦产生,与沉积物的粒径和孔隙率也有关系。
在海底沉积物中，细砂、砂质粉砂和粉砂质砂的声衰减最大。
在同一沉积物中，声衰减随声波频率的增加而增加，在某个频率范围内，这种增加近似于线性关系。
海底的声反射和散射，主要和沉积物的分层结构有关，也与海底表面的粗糙程度有关。
若海底表层中的声速底于其上海水中的声速,这种海底称为低声速海底;反之，则称为高声速海底。
一般说来，前者的反射本领低于后者。
海底的声反射损失，一般随声波频率的增加而增加，它和声波入射角的关系与海底类型有关，对于低声速海底，有一个全透射角，声波在此角度下入射，多数声能透射入海底；若为高声速海底，则存在一个全反射角。
根据海底的声学特性，可以对海底沉积物进行声遥测分类。
例如，浅地层剖面仪就是利用沉积物各层的声学特性不同而引起的声波反射各异的特点，来测定海底地层的分层结构。
声遥测方法在近代海洋工程如海港和海上钻井采油等工程的地质勘探中，有很重要的作用。
海洋的声学特性
2.1 海水中的声速
声速垂直分布分类 表面声道声速分布：
特点：在某一深度处有一声速极
大值。
Zm
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
Z
声速梯度分布。
第23页/共90页
ch c
2.1 海水中的声速
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。
海水超吸收
海水超吸收原因： 海水中含有溶解度较小的
MgSO4，它的化学反应的驰豫 过程引起超吸收。
在声波作用下，MgSO4化学 反应的平衡被破坏，达到新 的动态平衡，这种化学的驰 豫过程，导致声波的吸收。
第37页/共90页
2.2 海水中的声吸收
海水超吸收
Schulkin和Marsh根据2~25kHz频率范围内所作的大 量测量结果，归纳的半经验公式：
第4页/共90页
2.1 海水中的声速
乌德公式
c 1450 4.21T 0.037T 2 1.14S 35 0.175 P
P的单位是大气压。
第5页/共90页
2.1 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。
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。
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
海底声信号特性分析与识别研究
海底声信号特性分析与识别研究随着人类对海洋资源的开发和利用越来越深入，对海底的探测和观测越来越重要。
与此同时，海底声信号的特性分析和识别也成为了研究的重点之一。
一、海底声信号海底声波是指由海洋中的声源产生并传递的声波。
海底声波具有以下几个特点：1.传播速度慢：海底声波在海水中的传播速度约为1500米/秒，比空气中的声速要慢得多。
2.传播距离远：海底声波在海水中传播的距离远比在空气中传播的距离长得多，海洋中的声源可以传播数百甚至数千公里之远。
3.可穿透程度高：与电磁波和光波不同，海底声波所经过的海水深度和海水温度、盐度等因素会影响声波的传播速度和路径，但海洋中的声波可以穿透很深的海底，漫反射和折射现象少。
4.能量强度大：海底声波能量强度很大，能够对水下生物甚至深部土壤造成影响。
二、海底声信号特性分析对于海底声信号特性的分析，需要从以下几个方面进行研究：1.频谱特性：频谱特性是指海底声信号分布在不同频率下所呈现的特征。
不同声源所产生的声音频率不同，对于同一种声源，不同声场条件下产生的声音频率也会不同。
2.时域特性：时域特性是指声波在不同时间下所呈现的特征。
海底声信号具有许多的时域特征，包括持续时间、振幅、振荡周期、波形等。
3.空间特性：空间特性是指声波在不同空间下所呈现的特征。
由于海洋中水温、盐度、压强等因素的不同，声波的传播路径可能存在折射、反射、漫射等现象，这些因素会影响声波在空间中的分布方式。
三、海底声信号识别研究海底声信号的识别是指通过分析信号特性，确定信号来源和类型的研究。
海底声信号识别主要有以下几种方法：1.频谱分析法：频谱分析法是利用信号在频域分布的特性，对信号进行分析和识别的方法。
通过对频率特征、频率带宽、频率分布等参数的分析，可以确定信号的类型和来源。
2.短时傅里叶变换法：短时傅里叶变换法是一种将信号在时间上分段处理，并在每个时间段内进行傅里叶变换的方法。
通过对各段频率特征等参数的分析，可以得出较为准确的信号识别结果。
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。
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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。
07:06
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。
07:06
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
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 。
07:06
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
07:06
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
07:06
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?
07:06
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
07:06
3.1 海水中的声速
2002年海上实验
07:06
3.1 海水中的声速
2006年海上实验
07:06
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
07:06
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
07:06
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。
07:06
3.2 海水中的声吸收
海水超吸收
07:06
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
07:06
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
07:06
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
07:06
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
07:06
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？
07:06
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
07:06
cx , y , z cz
07:06
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。
07:06
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
07:06
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。
07:06
3.1 海水中的声速 请解释一下深海声速梯度分布？
07:06
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。
07:06
3.1 海水中的声速
07:06
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）。