水声学-典型传播条件下的声场

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,College of Underwater Acoustic Engineering,*,第五章 典型传播条件下的 声场,第四章知识要点,定解条件,第一类齐次边界条件（,绝对软,）,第二类齐次边界条件（,绝对硬,）,边界上密度或声速的有限间断（,压力和法向质点振速连续,）,波动声学,简正波临界频率,简正波截止频率,简正波的特征,2,College of Underwater Acoustic Engineering,简正波相速度,简正波群速度,射线声学,基本物理量的描述,射线声学,声线、声线的传播时间、传播距离,平面波、球面波的声线图,程函方程,射线声学的应用条件,Snell,折射定律,恒定声速梯度下声线轨迹方程求解,一般采用曲率半径，结合平面几何的方法,3,College of Underwater Acoustic Engineering,恒定声速梯度下声线水平传播距离求解,曲率半径和平面几何法,已知掠射角时的传播距离公式,已知深度时的传播距离公式,声线图绘制,聚焦因子物理意义,4,College of Underwater Acoustic Engineering,本章主要内容,邻近海面的水下点源声场,解的表示（重点）,声压振幅随距离的变化（重点）,表面声道声线参数,反转深度（了解）,临界声线（重点）,跨度（了解）,循环数（了解）,5,College of Underwater Acoustic Engineering,本章主要内容,传播时间（了解）,截止频率（了解）,传播损失（了解）,传播损失的经验公式（了解）,深海声道概述（了解）,深海声道的典型声速分布（了解）,MUNK,的,SOFAR,声道声速剖面标准分布,线性模型,6,College of Underwater Acoustic Engineering,本章主要内容,声道信号的基本特征（了解）,声线和信号波形,汇聚区和声影区,深海声道典型声线轨迹（,补充内容,）（了解）,深海声道中的平均场和传播损失（了解）,深海负梯度（了解）,深海负跃层（了解）,7,College of Underwater Acoustic Engineering,本章主要内容,浅海平均声强（了解）,硬底、声速均匀浅海,海底有吸收的均匀浅海,3/2,次方衰减律的适用距离,时的声强衰减规律,传播损失,传播损失的分段表示,浅海传播的,Mash,和,Schulkin,半经验公式,浅海声场的虚源表示式,从虚源表示式求传播损失,8,College of Underwater Acoustic Engineering,邻近海面的水下点源声场,解的表示,靠近海面的点源在,S,点，接收点在,P,点。将海面视为,绝对软,的平面，根据,镜反射原理,引入一个虚源,S,1,，问接收点,P,的声压为多少？,9,College of Underwater Acoustic Engineering,注意：,这里利用平面声波的反射系数代替球面波的反射系数，对于平整海面来说是正确的。,声压振幅随距离的变化,已知二项式展开式：,则：,10,College of Underwater Acoustic Engineering,声压振幅随距离的变化,则：,声压振幅近似为：,11,College of Underwater Acoustic Engineering,讨论,1,）,当 ，时，声压取,极大值 ，且是单个点源的两倍。,解释：,直达声与海面反射声同相叠加。,2,）,当 ，时，声压取极小值,解释：,直达声与海面反射声反相叠加。,12,College of Underwater Acoustic Engineering,讨论,3,）,近场菲涅耳（,Fresnel,）干涉区向远场夫朗和费,（,Fraunhofer,）区过渡点，即 ：,4,）,当 时，声压振幅为,13,College of Underwater Acoustic Engineering,菲涅耳区,夫朗和费区,注意：,近场菲涅耳区声压振幅起伏变化，远场夫朗和费区声压振幅单调变化；,对于非均匀声速分布，上述干涉现象仍然存在。,14,College of Underwater Acoustic Engineering,传播损失,根据定义：,1,）,近场,当 ，时，,当 ，时，,2,）,远场,，,15,College of Underwater Acoustic Engineering,非绝对反射海面下的传播损失,接收点处声压：,声压振幅：,传播损失：,此处不是,1,而是,16,College of Underwater Acoustic Engineering,表面声道声线参数,问题,：表面声道如何形成？有何特征？,17,College of Underwater Acoustic Engineering,声道的“线性”模型和声传播,声速模型,由,Snell,定律知：,18,College of Underwater Acoustic Engineering,反转深度,1,）,概念,：在表面声道中传播的声线发生反转的深度,2,）,反转深度处声线的特点：,声线的掠射角为零,19,College of Underwater Acoustic Engineering,根据折射定律,同理可得：,一般情况下，声线掠射角是小量，因此,反转深度,可近似为,：,和,20,College of Underwater Acoustic Engineering,临界角,概念,：在表面声道,下边界,发生反转的声线，其声源处和海面处的掠射角都达到极大值，该角称为,临界角,；该声线称为,临界声线,21,College of Underwater Acoustic Engineering,根据,Snell,定律或由反转深度与掠射角的关系式：,声源处的,临界角：,海面处的,临界角：,注意,：,1,）声源处掠射角 或海面处掠射角 的声线被束缚在声道内传播，称为,声道声线,；,2,）未被束缚的声线越出表面声道，进入深度 的水域中，在传播时经历海底反射，有较强的衰减，在较远距离上可被忽略。,22,College of Underwater Acoustic Engineering,跨度,概念,：声线在海面,相邻两次反射点,之间的水平距离,23,College of Underwater Acoustic Engineering,根据,已知掠射角的声线水平传播距离求解公式,有,若已知海面处的掠射角 ，则声线的,跨度,为：,根据,反转深度公式,，跨度,D,与反转深度 的关系为：,结论,：海面处掠射角越大，跨度也越大,24,College of Underwater Acoustic Engineering,1,）最大跨度,2,）最小跨度,海面最小掠射角：,举例,：,由乌德公式可求得 ，当混合层深度 时，临界声线海面掠射角,，最大跨度,25,College of Underwater Acoustic Engineering,循环数,N,概念,：在声源与接收点之间所容纳的不同掠射角声线跨度的数目，称为,循环数,。,假设声源和接收器位于海面附近，相距为 ，有许多不同循环次数的声线（,信道的多途,）可以到达接收点（,特征声线,），它们在海面处的掠射角满足方程：,特征声线对应的掠射角为：,26,College of Underwater Acoustic Engineering,结论,：,循环数,N,越大，声线越接近海面，相应于沿海面传播的声线。,循环数,N,越大，相邻声线的掠射角越接近，声线越密集，声能越集中。,声源辐射到层厚 内的声能量,W,与掠射角有如下关系,声源辐射声能主要集中在海表面层附近，类似于“,北京天坛的回音壁,”。,27,College of Underwater Acoustic Engineering,传播时间,声线经过微元 的传播时间：,根据折射定律，可得：,传播时间：,28,College of Underwater Acoustic Engineering,跨度 的传播时间：,假设声源与接收器靠近海面，则由源到接收器,N,次循环的声线的总传播时间近似为：,又循环数为,N,的声线掠射角为：,29,College of Underwater Acoustic Engineering,利用级数,讨论：,最接近表面层底部传播的声线，传播时间最短，最先到达接收点；,最靠近海面传播的声线，传播时间最长，最后到达接收点。换句话说，声线在海面反射的次数越多，其传播时间越长。,单位时间内到达接收点的声线数目随,N,增加而增大。,30,College of Underwater Acoustic Engineering,举例,：下图为大西洋实验记录：爆炸声源位于,700,米深，接收点位于,1200,米深，两者相距,1880,米。,解：,确定信号的整个持续时间，只考虑声道声线，有：,在远距离处：,注意,：,信号持续时间与距离成正比,大西洋,声信号,波形,31,College of Underwater Acoustic Engineering,截止频率,非均匀层的入射波和反射波,32,College of Underwater Acoustic Engineering,截止频率,在表面声道中，入射平面波为从海表面向下传播的声波，反射平面波为经过反转点后由深度,H,向上传播的波。反射波与入射波之间的相移：,相移,=,传播路径相移,+,声线反转相移,1,）传播路径引起的相移,2,）声波的反转引入的相位损失,33,College of Underwater Acoustic Engineering,截止频率,假设反射波与入射波的模相等，则海面的反射系数：,根据自由海面边界条件，反射系数满足：,34,College of Underwater Acoustic Engineering,截止频率,根据折射定理，则传播路径引起的相移：,表面声道各阶简正波的,临界频率,：,35,College of Underwater Acoustic Engineering,截止频率,当,n=0,时，可求得表面声道的,截止频率,：,表面声道传播所允许的最大波长为：,注意,：这里利用,不均匀反射系数,近似表示式所应满足的边界条件，推导出表面声道的截止频率。波动理论是利用,频散方程,的根求得。,36,College of Underwater Acoustic Engineering,传播损失,设表面声道中有一无方向性点源，在表面声道中作远距离传播的声线掠射角 ，离点声源单位距离处，在 到 范围内的声束能量分布在面积 上：,37,College of Underwater Acoustic Engineering,传播损失,在远距离 处，,忽略,介质,吸收,和,声漏射,（声波海面散射引起的），声束能量分布在高度为 、半径为,的圆柱面积 上：,通过面积 和 的功率是相同的，则距离 处的声传播损失为：,38,College of Underwater Acoustic Engineering,传播损失,当传播距离 时，声波按球面规律扩展；,当传播距离 时，声波过渡为柱面规律扩展；,称为,过渡距离,一般,与简正波方法求解结果比较,表面声道的传播损失与简正波方法求得的浅海均匀声场传播损失在形式上一样,39,College of Underwater Acoustic Engineering,传播损失,共同点：,声能被限制在深度,H,的层内，在远场符合柱面衰减规律。,不同点：,临界掠射角不一样，表面声道的掠射角,由,声道参数,a,、,H,和 来决定；,均匀浅海 由,折射率,n,决定。,若考虑海水介质声吸收和声泄漏引起的衰减，声道的传播损失为：,40,College of Underwater Acoustic Engineering,传播损失的经验公式,