水声学基础43资料

若接收点位于负跃层的下方邻近：
r2 0 r r1
I下
W
cos 2 r2
0
sin 0 sin
若接收点位于负跃层的上方邻近，声线未形成折射：
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r2 0 r r1 0
I上
W
cos 2 r2
0
2、深海负跃层
经跃变层的传播损失为：
TL 10 lg I上 10 lg sin
I下
sin 0
c1 c2 sin 0 sin
2、深海负跃层
• 特点
声速显著减小的水层。声线通过负跃层时，声线明 显弯曲，声强减弱，对声纳作用距离影响很大。
•声道模型
负跃层上方介质声速为 c1 ，下方介质声速为 c2 ， 且 c1 c2 ，负跃层较薄。
2、深海负跃层
声线经过负跃层折射后，波阵面展宽，声强减弱。
设声源位于层上方 H1，
c1
r
ln
V2
0
3、均匀浅海声场
•传播损失
声强随距离衰减平均规律
（1）球面扩展 r H
TL 20lg r
（2）3/2次方衰减率＋介质吸收
H
r
16 H 3
22
TL 15lg r 5lg H 20r lg e
（3）柱面扩展＋介质吸收＋界面吸收
r 16 H 3
22
TL
10lg r
10lg
最大距离满足：
rm
16H 3
22
r H 1
H
rm
H
rm
16H 3
22
3、均匀浅海声场
（4）r rm 时声强衰减率规律
此时仅有一阶简正波对声场有贡献，利用声场的 简正波解可导出声强的衰减规律。经数学推导：
I r
,
z
4 kH2r
e 2 r
exp
2
16H
3
r
若考虑海面反射损失，则有：
ln V1
深海负梯度、深海负跃层和浅海表面声道
1、深海负梯度
• 特点
从声源出发的声线向海底折射，不再反转回声源所 在的水平面上，与前面介绍的波导传播情况相反，故 称为反波导传播。
•存在一个与海面相
c
r
切的极限声线；
•在极限声线以内为 声亮区；
•在极限声线以外为
z1
r1
r2
z
声影区（直射声线
无法达到）。
z
1、深海负梯度
1、深海负梯度
• 几何作用距离
从声源到观察点深度影区边缘的水平距离。
设声速分布的相对声速梯度为a，则几何作用距离：
D r1 r2
1 2 a
1 a
z1
2
1 2 1 z 2 a a
r1
2z1 a
r2
2z a
D 2z1 2z a
通常声影区不存 在通常意义上的 声线，可引入衍 射声线概念。
海底为平整硬界面。
3、均匀浅海声场
（1）硬底均匀浅海
点源 O01 位于坐标 0 , z0 处， 观察点位于坐标r , z 处，归
一化的直达波声压：
P R011e jkR01
R01 r 2 z z0 2
海底一次反射声线，它由虚源 O02发射声线，与直达声叠加：
2
I r , z
e
2
r
r
3 2
H
3/2次方 规律衰减
3、均匀浅海声场
（3）3/2次方衰减率的适用距离
掠射角 0的最大有效值量级为：
2 n
m
H
r
1
2
m m
传播简正波的总数：
fn
c 2H
n
1 2
n
2H
00
m m 2H 2
00
3、均匀浅海声场
（3）3/2次方衰减率的适用距离
根据计算平均声强的要求： m 1
kH2 4
20
2
32H 3
r lg e
3、均匀浅海声场
•传播损失
海水深度m
混合层厚度m
半经验公式 距离参数km
1
R
1 3
H
L
2
（1）近距离r<R TL 20 lg r r 60 kL 近场异常衰减dB
（2）中等距离R<r<8R
海水吸收系数dB/km
TL
15 lg r
r
T
r H
1 5lg
•浅海声场
直达声和海底、海面反射声叠加，比深海声场复 杂。
3、均匀浅海声场
•浅海平均声强
声线经过多次海面、海底反射，考虑海面、海底反
射引入的损失，同时也计入海水介质声吸收，引入衰
减因子：
E V1h V2 s 2N e2r
为海水介质的吸收系数；
N 为声线对海底或海面的反射次数，对于远距离传播，
TL 0
声波经过负跃层 引起声能损失
当 c2 c1 0.97（相当水温有10℃以上变化）时， 声源掠射角 0 2 ，则 TL 8.5dB；声源掠射
角 0 30 ，则 TL 0.35dB 。
3、均匀浅海声场
•浅海与深海的划分原则
海底对声传播影响的程度来划分；深海可忽略海 洋界面对声传播的影响；浅海的声传播明显受海面和 海底边界的影响。
则可求得传播至层下方 H2 水平距离r：
H1
0
r
r1
r2
H1
tg 0
H2
tg
c2
r1
H2
r
z
r2
r
0
H1
sin2 0
H2c2 sin 0 c1 sin3
2、深海负跃层
设声源单位立体角的辐射功率为W，则射线声学声
强公式为：
I
W cos 2 0
r 2
r1 sin r sin 0
r2 sin 0 r sin
海底和海面的反射次数近似相等； N r D0 V1h 为海底反射系数； V2 s 为海面反射系数。
3、均匀浅海声场
平均声强：
I
r
,
z
4 r
cos
D
1 1
Ed sin
1
I r , z 4 e2r r
V1
h
V2
s
2r
D
cos
0d
0
D 0 sin
3、均匀浅海声场
（1）硬底、声速均匀浅海
声速均匀
H
60
kL
（3）远距离r>8R
浅海衰减系数dB/km
TL
10 lg
r
r
T
r H
1 10 lg
H
64.5 kL
3、均匀浅海声场
•浅海声场的虚源表示
射线理论：将海面和海底的反射声线视为由各自的虚 源发出的声线，虚源数目与考虑的声线反射次数有关， 数目趋于无穷，则求得浅海总声场。
（1）硬底均匀浅海 假设浅海声速均匀层深为H，海面为平整自由界面，
0 s h
绝对反射
V1 1 V2 1
声线跨度： D 2Hctgs
平均声强： I r , z e2r
rH
3、均匀浅海声场
（2）海底有吸收的均匀浅海 海底反射系数：
msin n2 cos 2
V1
msin
n2 cos 2
V1 h eh e0
ln
V1
0
海底三参数模型中的Q
3、均匀浅海声场
（2）海底有吸收的均匀浅海
考虑海底声吸收，海底声速为复数，则可求得：
2 Re
m
平均声强：
n2 1
可由试验 数据求得
I r , z 2 e2r rH
r0
e Hctg0 d 0
I r , z 2 e2r rH
r
2 0
e H d0
r H 1
ey2 dy
0