水声学原理第三章1.ppt

College of Underwater Acoustic Engineering 第三章 海洋的声学特性 第五讲 海洋声学参数及传播损失 第二章知识要点 介质的特性阻抗与声阻抗率 平面波 球面波 柱面波 发生全透射的条件、特点 发生全反射的条件、特点 发生全内反射的条件、特点 等间距均匀点源离散直线阵的方向性函数 主瓣、栅瓣、旁瓣的位置 主极大、副极大、次极大、零点的位置 方向锐角或波束宽度、-3dB波束宽度 波束宽度与基阵孔径、声波频率的关系 可逆换能器阵的发射方向性与接收方向性关系 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） 1．海水中的声速 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。 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总结得到的。 Caution： 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。 乌德公式 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 BathyThermograph 海洋中的声速变化 海洋中声速的垂直分层性质 声速梯度 温度的季节变化、日变化和纬度变化 浅海温度剖面 海水温度的起伏变化 温度起伏的原因多种多样： 湍流 海面波浪 涡旋 内波等因素 ——声传播起伏的原因之一 2．海水中的声吸收 传播衰减概述 声波传播的强度衰减（传播损失）原因： 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。 吸收损失：均匀介质的粘滞性、热传导性以及其它驰豫过程引起的声强衰减。 散射：介质的不均匀性引起的声波散射导致声强衰减 不均匀性包括：海洋中泥沙、气泡、浮游生物等悬浮粒子以及介质本身的不均匀性和海水界面对声波的散射。 扩展损失 简谐平面波声压 没有扩展损失 简谐球面波声压 扩展损失 扩展损失的一般形式 n=0：适用管道中的声传播，平面波传播，TL=0； n=1：适用表面声道和深海声道，柱面波传播，TL=10logr，相当于全反射海底和全反射海面组成的理想波导中的传播条件； n=1.5：适用计及海底声吸收时的浅海声传播 ，TL=15logr，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； n=2：适用于开阔水域（自由场），球面波传播，TL=20logr； 吸收系数 均匀介质的声吸收 介质切变粘滞的声吸收（经典声吸收） 介质热传导声吸收（经典声吸收） 驰豫吸收（超吸收） 纯水的超吸收 海水的超吸收 Caution： 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来计算海水的吸收系数 非均匀液体中的声衰减 含有气泡群的海水具有非常高的声吸收 热传导效应：气泡压缩、膨胀，内部温度升高，发生热交换，声能转化为热能而消耗掉。 粘滞性：海水对气泡压缩、膨胀的粘滞作用，也消耗部分声能。 声散射：气泡压缩、膨胀形成二次声辐射，对入射声产生散射，使声能明显减小。 常识：一艘驱逐舰以15节航速航行将产生500m长的尾流，8kHz衰减系数为0.8dB/m，40kHz衰减系数为1.8dB/m。1节＝1海里/小时＝0.515米/秒（1海里＝1852米）。 本讲思考题 海水中的声速与哪些因素有关？画出三种常见的海水声速分布。 声波在海水中传播时其声强会逐渐减少。（1）说明原因；（2）解释什么叫物理衰减？什么叫几何衰减？（3）写出海洋中声传播损失的常用TL表达式，并指明哪项反映的主要是几何衰减，哪项反映的主要是物理衰减；（4）试给出三种不同海洋环境下的几何衰减的TL表达式。 声呐A，B有相等的声源级，但声呐A工作频率fA高于声呐B工作频率fB,问哪台声呐作用距离远，说明原因。  * * 式中，压力P单位是大气压 2001年中美联合亚洲海水声实验 2002年海上实验 2006年海上实验 温度变化1度，声速变化约4m/s 盐度变化1‰ ，声速变化约1m/s 压力变化1个大气压，声速变化约0.2m/s 典型深海