[理学]水声学-海洋中的声传播理论2.pptVIP

College of Underwater Acoustic Engineering HEU 第四章 海洋中的声传播理论 第八讲 波导中的简正波与传播损失 本讲主要内容 波动声学基础 硬底均匀浅海声场 液态海底均匀浅海声场 思考题解答及大作业 射线声学基础 一、波动声学基础 硬底均匀浅海声场 截止频率： 简正波水平波数： 阶数最大取值： ：当简正波阶数 时， 为虚数，此时简正波 随距离增大指数衰减。 一、波动声学基础 硬底均匀浅海声场 截止频率： 解释： 远场，声场可用有限项和表示： 一、波动声学基础 硬底均匀浅海声场 截止频率： 临界频率：最高阶非衰减简正波的传播频率 ：当声源激发频率 时，波导中不存在第N 阶及以上各阶简正波的传播。 截止频率：最低阶无衰减传播简正波的传播频率 ：当声源频率 时，所有各阶简正波均随距离 按指数衰减，远场声压接近零。 一、波动声学基础 硬底均匀浅海声场 截止频率： 对于上下界面均为绝对硬界面的平面波导，最低阶简正波为零阶简正波，截止频率为零，任何频率的声波均能在波导中传播； 若声波频率小于一阶简正波的截止频率，则波导中只有均匀平面波一种行波 一、波动声学基础 硬底均匀浅海声场 相速和群速： 相速：等相位面的传播速度 等相位面： ：浅海水层属于频散介质。 一、波动声学基础 硬底均匀浅海声场 相速和群速： 群速度：波形包络的传播速度 一、波动声学基础 硬底均匀浅海声场 相速和群速与声波频率的关系 一、波动声学基础 硬底均匀浅海声场 第n阶简正波分解 简正波 在z方向上是由两个波迭加而形成的驻波 两平面波与z轴夹角： 一、波动声学基础 硬底均匀浅海声场 相速度：等相位面的传播速度 群速：波形包络的传播速度 ：波导为频散介质，导致脉冲波形传播畸变 一、波动声学基础 硬底均匀浅海声场 传播损失（假设单位距离处声压振幅为1 ） 当 和 均为实数时，上式等于 一、波动声学基础 硬底均匀浅海声场 传播损失 式中第二项的大小依赖于各阶简正波相位之间的相关程度，随距离作起伏变化； 而第一求和项与简正波相位无关，随距离单调减小 ：声强随距离增加作起伏下降，呈现干涉曲线 一、波动声学基础 硬底均匀浅海声场 传播损失 当层中声传播条件充分不均匀，简正波之间相位无关，则 硬质海底的浅海声场传播损失 ：该式为简正波相位无规假设下的声传播损失 一、波动声学基础 硬底均匀浅海声场 传播损失 假设声源和接收器远离海面和海底， 、 在0和1之间随机取值，对深度取平均，有 因此有： 如果波导中简正波个数较多，则 一、波动声学基础 硬底均匀浅海声场 传播损失 TL随声波掠射角的变化 一、波动声学基础 硬底均匀浅海声场 TL随声波掠射角的变化 硬质海底 非绝对硬海底 、 ，掠射角 的声波受到海底全反射， 的声波经海底反射很快衰减。它的传播损失大于硬质海底的TL值。 一、波动声学基础 硬底均匀浅海声场 TL随声源（接收点）位置的变化 声源（接收点）位于海面附近，TL变大。 声源（接收点）位于海底附近，TL变小。 原因： 主要是 取值概率变化，使其平均值不等于1/2。 1）靠近海面，小于1/2 2）靠近海底，大于1/2 一、波动声学基础 液态海底均匀浅海声场 波导模型——Pekeris模型（分层介质模型） 一、波动声学基础 液态海底均匀浅海声场 液态海底均匀浅海声场的解为 一、波动声学基础 液态海底均匀浅海声场 在液态下半空间（ZH）中，振幅沿深度按指数规律衰减，频率越高，振幅衰减越快。高频声波在界面发生全反射时，能量几乎全被反射回水层中，波的能量几乎被限制在层内传播。 简正波 临界频率 ：根据临界频率，可以反演海底介质的声速。 一、波动声学基础 液态海底均匀浅海声场 简正波 截止频率： 传播损失 海底的全内反射临界掠射角为