【文章內容簡介】 碩士學位課程 水聲學原理 34 海水的特性 ? 聲吸收 – 數學上如何考慮介質的聲吸收衰減？ 設介質的聲吸收系數為 ，聲速為 。復聲速 可表示為 復波數 為： )(?? c c~ixcc?? 1~k~ir ikkixcck ????? )1(~~ ??dB/λri kkx /?ckr /??哈爾濱工程大學 碩士學位課程 水聲學原理 35 海水的特性 ? 聲吸收 平面波聲壓 可表示為： 聲強 可表示為： 聲波傳播單位波長的衰減為： prkrikrikkirki irir eeep ?? ??? )(~cecpI rk i?? 2222 ???IikerIrITL ???? ????? l o g20)()(l o g10 )(哈爾濱工程大學 碩士學位課程 水聲學原理 36 海水的特性 ? 聲吸收 ??????????4010ln4010ln4010ln2l og20)Hzm()m()λ()λ( cfcekkxri???????Hz:f m/s:c m:?? 海洋的可變性及對聲波的影響 – 從聲學的角度看，海洋是極端變化的：洋流、內波、小尺度湍流擾亂了聲速的水平分層，導致了聲傳播的空間和時間的起伏。 – 大尺度洋流和鋒區(qū)（ Frontal Zone） ? 大尺度洋流的邊界稱為鋒區(qū) —墨西哥灣暖流、自臺灣東面的菲律賓海流向日本的暖流 ? 在鋒區(qū)處，海水的 溫度、鹽度、密度和聲速變化強烈 —墨西哥灣暖流的北邊，向北 ，每 5海里溫度降低 10℃ ；南面則是弱的鋒區(qū)，在馬尾藻海和墨西哥灣暖流之間，溫度只下降 12℃ 。 哈爾濱工程大學 碩士學位課程 水聲學原理 37 海水的特性 N35?哈爾濱工程大學 碩士學位課程 水聲學原理 38 海水的特性 ? 海洋的可變性及對聲波的影響 – 大尺度洋流和鋒區(qū) 左圖為實驗測量的遠距離聲傳播， 傳播路徑為 從東南到西北 橫跨墨西哥灣暖流。聲源為 TNT炸藥，深度為244m，投放點為覆蓋墨西哥灣暖流部分傳播路徑，距離布放在百慕大海底兩個深水水聽器 600900km。接收信號按照 1/3倍頻程進行分析，中心頻率分別為 50Hz、 80Hz、 160Hz。從圖中可以看出，在南面和北面鋒區(qū)邊緣投放的聲源，接收聲級最低。聲源位置小的平移導致了 610dB的聲強 的變化。理論研究表明，這種變化可根據傳播路徑上的聲速剖面的變化來解釋，特別是馬尾藻海冷水坡和暖水區(qū)之間聲道軸深度的增大。 哈爾濱工程大學 碩士學位課程 在開闊海域中也有中尺度渦漩。 中尺度渦的參數變化范圍極大， 其直徑為 25500km，水流速度 30150cm/s，漩渦中心運動速 度 10cm/s。 漩渦區(qū)域聲速極其復雜，等速線 上升高達 700m， 聲速梯度朝向圓環(huán)中心顯著增加 。 水聲學原理 39 海水的特性 ? 海洋的可變性及對聲波的影響 – 中尺度渦漩 在接近強烈的鋒 區(qū)處，如墨西哥灣暖流、自臺灣東面的 菲律賓海流向日本海的暖流，中尺度渦漩頻繁可見。 700m 哈爾濱工程大學 碩士學位課程 水聲學原理 40 海水的特性 ? 海洋的可變性及對聲波的影響 – 中尺度渦漩 當無指向性點源位于環(huán)狀中心，深度為 200m，接收水聽器位于 300m，聲波通過環(huán)狀北面一半的區(qū)域后，其傳播損失見下圖。 當聲波沿著氣旋環(huán)傳播時， 由于向下折射聲線的增加， 信道中等深度的聲能被移 向深海聲信道， 聲強級減 小 ；匯聚區(qū)水平寬度減小。 哈爾濱工程大學 碩士學位課程 水聲學原理 41 海水的特性 ? 海洋的可變性及對聲波的影響 – 中尺度渦漩 在 1000m接收深度上， 聲強級卻升高 了。分析聲線軌跡可知，這是由于深海聲信道中有效的聲傳播發(fā)生了。在300m接收深度，第一和第二匯聚區(qū)向聲源方向移動了5km；但在 1000m接收深度，它們分別移動了 20km和30km。渦漩引起了較大的聲場擾動。 哈爾濱工程大學 碩士學位課程 水聲學原理 42 海水的特性 ? 海洋的可變性及對聲波的影響 – 內波 ? 海洋中的內波是 重力波 ，深水處的振幅比海面處大 ? 內波的周期從十幾分鐘變化到慣性周期 ? 周期為一晝夜或半晝夜的內波，波長達幾十公里到幾百公里，波高從 10m到 100m ? 周期為 510min到 24h的短周期內波，波高較小 (120m)，波長從幾百米到幾千米 ? 外海內波的速度在幾十厘米 /秒到幾米 /秒，沿海區(qū)域內波的速度不超過幾十厘米 /秒 ? 內波不能存在于均勻液體中，可以傳播內波的最簡單的介質模型是雙層模型（ Lamb模型 ） ?s in/hour s12?T哈爾濱工程大學 碩士學位課程 水聲學原理 43 海水的特性 ? 海洋的可變性及對聲波的影響 – 內波 ? 在 Lamb模型中，內波振幅在 兩種液體分界面上最大 ? 海水密度隨深度連續(xù)變化，它依賴于溫度、鹽度和流體的靜壓力 ? 深度 4千米處的海水密度約比海面大 % ? 內波最常出現在密度梯度最大的層中 ? V228。is228。l228。頻率 N（自由振動頻率）是海洋最重要的動力學特性之一 ? 慣性頻率：它等于地球自轉角速度的兩倍乘以緯度的正弦 哈爾濱工程大學 碩士學位課程 水聲學原理 44 海水的特性 ? 海洋的可變性及對聲波的影響 – 內波 ? 產生機制 –潮流 –海底不平整性 –海流系統(tǒng)中流體動力擾動 –表面波的相互作用 –水文氣象的擾動 –與航行和地震活動有關的機械擾動 哈爾濱工程大學 碩士學位課程 水聲學原理 45 海水的特性 ? 海洋的可變性及對聲波的影響 – 內波 ? 危害 – 18931896年北極探險過程中， 莫名其妙地減速。這是由于船只航行在很淺的密度躍層上方時，其動力造成在躍層處產生內波，船只的動能被消耗而顯著減速，這種現象稱為“死水” – 1963年 4月 10日，美國“長尾鯊”號核潛艇在大西洋距波士頓港口 350公里處突然沉沒，沉沒原因是內波將艇拖曳至海底，在巨大壓力作用下破碎。 哈爾濱工程大學 碩士學位課程 水聲學原理 46 海水的特性 ? 海洋的可變性及對聲波的影響 – 內波 ? 下圖給出了 367Hz信號幅度 和 相位 的時間 起伏 。聲源布放在近海底斜坡上，深度 527m。接收水聽器布放在近百慕大海底上，深度 1723m。 哈爾濱工程大學 碩士學位課程 水聲學原理 47 海水的特性 ? 海洋的可變性及對聲波的影響 – 內波： 左圖