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海洋中的声光传播及其应用 10.1声波在海洋中的传播 1.1海洋声学概说 一、迄今为止,人们所熟知的水中的各种能量辐射形式中,以声波的传播性能为最好。广泛应用于水下目标探测、通讯、导航、地质勘探、鱼群探测等方面 。 二、其研究方法和特点属于物理学中声学范畴,而它受海洋环境的制约又使之成为海洋科学中不可分割的部分。反过来又可应用海洋中声波的特性来反演各种海洋参数,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。 三、声波的性质:弹性波,在弹性介质中传播,是纵波。在海洋中是由于海水介质周期性疏密而产生的。(在动力海洋学中,把海水作为不可压缩流体处理,但研究海洋声学时,必须考虑海水的可压缩性质) 1914朗之万、康斯坦丁制成了静电式发射器和碳粒微音接收器,1918年采用这一装置测到海底和200m深甲板上的回波。同时又用石英晶体做成压电式发射器和接收器并采用真空管放大器,制成第一台回声定位仪,以后简称:声纳(sonar: sound navigation and ranging)声导航和回声定位的英文缩写。 四、1、声速:波在水中的传播速度约为1500m/s,比在空气中的传播速度330m/s大四倍。声源每秒振动的次数称频率,单位是赫兹(Hz)。人耳可听到的最高频率约为20×103Hz,因此在20×103Hz以上的声波称为超声波。人耳可听到的最低频率约为20Hz,低于20Hz以下的声波称为次声波。两个相邻密层(或疏层)之间距离就是波长,频率与波长成反比。 2、声场:声波作用的空间范围。 3、声线:波长与介质的不均匀尺度相比可忽略,以射线方法定性描述声波传播轨迹。基于折射定律。 4、折射(refraction)、反射(reflection)定律:声线总是向声速小的方向弯曲。 五、几个基本概念 1、声压和声强 声压:由于声波作用而产生的压强叫“声压”。声波在传播过程中,空气中任一点附近质点由于声波作用,时而疏松,时而紧密,因而压强也相应地忽强、忽弱变化。当介质中有声波传播时该点的压强与没有声音到达时的压强之差叫做该点的声压。声压的单位是牛顿/米2,又称帕。声压的大小和传声介质中质点在声波作用下振动速度、介质的密度以及声波的传播速度有关。 声强:声强是指单位时间内通过垂直于声波传播方面单位面积的平均声能量。 2、声级:通常用分贝表示。实测的声强于参考声强之比,取以10为底的对数,然后再乘以10,即为分贝数。 1.2声波在海水中的传播速度与温、盐和压的关系 一、公式 式中γ,ρ,βt是可由实验测定的物理量。声速度公式(10-9)不适用于非线性声波。声传播速度是一个重要的物理量,它与介质的特性有关。实际海洋是非均匀介质,声波在其间传播,各处的声速度也不相同。如果在一个波长范围内,海水不均匀性的变化可以忽略,我们就可以用射线声学描写声波的传播规律。为此需要了解声波在海水中的传播速度与哪些因素有关,它们在海洋中不同深度的变化与哪些海洋参数有关。 二、声速c与海水中温、盐和压的关系 在海洋中,由公式(10-9)所给出的γ,ρ,βt等物理量与海水的温度、盐度和压力有关。所以,c=c(s,t,p), ρ=ρ(s,t,p), 在海洋中,平均而言: 1) 与温度关系:随温度升高而增大,温度升高1摄氏度声速的变化是原来的0.35%,设C=1450m/s,则声速将增大5m/s。 ??? 2) 与盐度关系:随盐度增加而增大,盐度增加1,声速值增加1.14m/s。 ??? 3) 与压力关系:静压力增加,声速值增加。海水深度变化100m,声速增量为1.75m/s。 P~100m c~1.75m/s 即1℃(5m/s)~4.39s~286(p) 由上可见,声波在水下传播随温、盐、压的增大而增大其中温度影响最显著,其次是压力,通常盐度的变化多忽略,除非极特殊海区。 三、声速垂直分布(vertical distribution of sound speed) 公式 1)一般海区GS很小,可忽略。实际应用中以声速梯度仪直接得出声速铅直剖面c(z)曲线。水平方向声速是不均匀,但水平梯度较铅直梯度为小。在复杂海区(冷暖水团交混区)必须考虑声速的水平梯度。 2)大西洋、太平洋和地中海都存在声速极小值,极小值所在平面称声道轴。声波在其可传播很远,此即水下声道现象(sound channel)。 1.3 海洋声学特性(Acoustic character of ocean) 1、海水的声吸收(acoustic ab
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