海洋中的声、光传播及其应用.ppt

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。 用途：除军事的用途之外，也广泛应用于声导航系统、探鱼、测深和海底地形测绘、海底底质剖面结构等方面。目前水声技术已是开发海洋和研究海洋广泛采用和行之有效的手段，如水下通讯、声遥测遥控、数据图像传输，以及用声波遥测海洋涡旋的运动和变化与全球海洋温度的监测等方面。 声波在海洋中的传播规律与海洋环境的定量关系：取决于海洋的边界条件、海水的温、盐分布、海水中含有成分(如MgSO4)对声波的吸收等；而且还受到海洋动力因素和海洋时空变化的制约。 1.2海洋声学研究内容 正问题： 因海洋中的声速铅直分布不均匀而形成的深海声道传播特性，以及声的波导传播与非波导传播； 海水因含MgSO4等化学成分引起的超吸收； 对远距离传播有极大影响的海底沉积层的声学特性； 沉积层的分层结构和海底的不平整地形等的反射损失和散射； 内波引起声传播振幅和相位的起伏； 海洋水层中浮游生物群和游泳动物的声散射； 大洋深处的湍流、涡旋对声波传播的影响以及海洋动力噪声、水下噪声和海洋生物发声等； 逆问题： 反过来又可应用上述的声传播信号特征寻求海洋内部的运动规律和边界状态，如声学方法监测大洋温度等，则为海洋声学的逆问题。逆问题在开发海洋和研究海洋方面具有可观的潜力。 1.3 海水中声能的损失 海水、海面和海底构成一个复杂的声传播空间，声波通过这个空间时，声信号将减弱、延迟和失真，并损失部分声能。 引起声能损失的原因有：声能在空间扩展；海水介质的吸收；海中气泡、浮游生物和海水团块的散射；波动海面的反射与散射；以及海底沉积层的反射和吸收等。 1.3.1海水的声吸收 海水声吸收是将声能变为不可逆的海水分子内能，声在流体介质中的传播过程近似地认为是绝热过程。 根据弹性理论，纵向应力由切变和压缩应力组成，声波对介质状态的扰动直接由压力变化引起；或者是由于体积变化时相伴生的温度升、降所致。流体介质存在粘滞性与导热性，介质因压缩变形而引起声能耗散称为机械能耗散。动态压缩时，分子间的非弹性碰撞使部分声能转变为热能，通常称这部分声吸收为由分子过程引起的声吸收。 1.3.2海面波浪的声散射 如果海面平静如镜，可以看作理想的声反射面。声波在其上反射后，只有相位变化没有能量损失。 波动的海面有大量的气泡和浮游生物，既是声的反射界面又是声的散射体。 海面波浪可看作两部分叠加，即周期波(或准周期波)和随机波的叠加。 用周期、波长和波高等量描述波浪的特性，同时也用随机过程的能量谱的概率密度分布、方差、相关函数等描述波浪特征。 声波入射到具有波浪的海面即相当于入射到周期变化的不平整表面，因不平整性、气泡和浮游生物的散射，一部分声能弥散到其它方向而损失，只有那些遵从折射定律的声波到达接收点。 所损失的声能与海况和浮游生物有关。 1.4 海水中声学特性 1.4.1海底声学特性 海底是海洋的另一个声反射和散射界面，它虽然是静止不动的，但海底表面粗糙不平，其组成成分因地而异，可从软泥、沙质到坚硬的岩石。 海底沉积层各层的密度不同，因而各层的声速值也不同； 相同的组成成分又因孔隙率的不同其声速值也不同。 声波经过海底不仅有纵波也产生横波。 因此海底的声反射系数和海底底质的声吸收是表征海底声学特征的重要物理量。海底的反射系数与海底的密度和其中的声速度有关，由于海底沉积物及分层结构的复杂性，实际测量中仅能测其综合效果即海底反射损失，以分贝(dB)表示。 从现有资料可知，多数学者认为海底的吸收系数与频率的关系接近线性关系。 表面波浪和大量气泡引起的散射使声能损失了一部分。 深海水下声道 声的超远距离传播称为声道现象。世界各大洋区都有水下声道。用射线的概念，很容易解释水下声道现象。大洋中各层海水的温度、盐