第第4章章 典型传播条件下的典型传播条件下的 声场声场第十三讲第十三讲 深海负梯度和深海负跃深海负梯度和深海负跃 层以及均匀浅海声场层以及均匀浅海声场 2本讲主要内容本讲主要内容 n深海负梯度深海负梯度n深海负跃层深海负跃层n浅海平均声强浅海平均声强q硬底、声速均匀浅海硬底、声速均匀浅海q海底有吸收的均匀浅海海底有吸收的均匀浅海q3/2次方衰减律的适用距离次方衰减律的适用距离q 时的声强衰减规律时的声强衰减规律 3本讲主要内容本讲主要内容 q传播损失传播损失n传播损失的分段表示传播损失的分段表示n浅海传播的浅海传播的Mash和和Schulkin半经验公式半经验公式q浅海声场的虚源表示式浅海声场的虚源表示式q从虚源表示式求传播损失从虚源表示式求传播损失 4n深海负梯度深海负梯度q深海负梯度特点深海负梯度特点n从声源发出的声线向海底折射，不再从声源发出的声线向海底折射，不再反转回反转回声源声源所在的水平面上，与前面介绍的波导传播情况相所在的水平面上，与前面介绍的波导传播情况相反，故称为反，故称为反波导传播反波导传播反波导传播声线反波导传播声线5n深海负梯度深海负梯度n存在一条与海面相切的存在一条与海面相切的极限声线极限声线n在极限声线以内为在极限声线以内为声亮区声亮区n在极限声线以外为在极限声线以外为声影区声影区（直射声无法达到的）（直射声无法达到的）q几何作用距离几何作用距离 定义定义：从声源到观察点深度影区边缘的水平距离：从声源到观察点深度影区边缘的水平距离 问题问题：如何求解几何作用距离？：如何求解几何作用距离？6n深海负梯度深海负梯度 设声速分布的相对声速梯度为设声速分布的相对声速梯度为a，则，则几何作用距离几何作用距离：由于由于 ，则有：，则有：几何作用距离几何作用距离为：为：注意注意：通常，声影区中不存在通常意义上的声线，可：通常，声影区中不存在通常意义上的声线，可引入引入衍射声线衍射声线的概念。
的概念7n深海负跃层深海负跃层q负跃层特点负跃层特点n声速显著减小的水层声线通过负跃层时，声线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明显弯曲，声强减弱，对声纳作用距离影响很大q声道模型声道模型 负跃层上方介质声速为负跃层上方介质声速为 ，下方，下方介质声速为介质声速为 ，且，且 ，负跃层较，负跃层较薄问题：问题：声线折射后，介质中的声强如声线折射后，介质中的声强如 何计算？何计算？8n深海负跃层深海负跃层q传播损失传播损失设声源位于层上方设声源位于层上方 ，则声波传播至层下方则声波传播至层下方 处的水平距离处的水平距离 为为求导得：求导得：9n深海负跃层深海负跃层由由Snell定律：定律：可得：可得：所以：所以：10n深海负跃层深海负跃层 设声源单位立体角的辐射功率为设声源单位立体角的辐射功率为 ，根据射线，根据射线声学的声强公式声学的声强公式有：有：分析分析：要考虑负跃层对声传播的影响，只需考虑跃变：要考虑负跃层对声传播的影响，只需考虑跃变层层上下边界处上下边界处的声强变化关系即可的声强变化关系即可11n深海负跃层深海负跃层n讨论讨论q若接收点位于负跃层的下方邻近，则若接收点位于负跃层的下方邻近，则 ，因此，因此下边界声强下边界声强为：为：q若接收点位于负跃层的上方邻近，声线未形成若接收点位于负跃层的上方邻近，声线未形成折射，则折射，则 ，上边界声上边界声强强为：为：12n深海负跃层深海负跃层经跃变层的经跃变层的传播损失传播损失为：为：由于由于 ，所以有，所以有 ，所以，所以 。
结论结论：声波经过负跃层引起声能损失声波经过负跃层引起声能损失举例举例：当：当 （相当水温有（相当水温有10以上变化）时，以上变化）时，声源掠射角声源掠射角传播衰减传播衰减 相当于声相当于声强减小强减小7倍倍13n均匀浅海声场均匀浅海声场q浅海平均声强浅海平均声强n硬底、声速均匀浅海硬底、声速均匀浅海n海底有吸收的均匀浅海海底有吸收的均匀浅海n 时的声强衰减规律时的声强衰减规律 适用距离适用距离：14n均匀浅海声场均匀浅海声场q传播损失传播损失n传播损失分段表示传播损失分段表示1）球面扩展）球面扩展，2）3/2次方衰减规律次方衰减规律+介质吸收介质吸收 ，15n均匀浅海声场均匀浅海声场q传播损失传播损失n传播损失分段表示传播损失分段表示3）柱面扩展）柱面扩展+介质吸收介质吸收+界面吸收界面吸收 16n均匀浅海声场均匀浅海声场q传播损失传播损失n浅海传播的浅海传播的Marsk和和Schulkin半经验公式半经验公式1）近距离范围内）近距离范围内 2）中等距离范围内）中等距离范围内17n均匀浅海声场均匀浅海声场q传播损失传播损失n浅海传播的浅海传播的Marsk和和Schulkin半经验公式半经验公式3）远距离区域）远距离区域 n结论结论 声强衰减规律：球面扩展声强衰减规律：球面扩展3/2次方扩展次方扩展柱面扩展；与理论变化公式一致。
柱面扩展；与理论变化公式一致18n浅海声场的虚源表示式浅海声场的虚源表示式q基本思想基本思想n将海面和海底的将海面和海底的反射声线反射声线视为由各自的视为由各自的虚源发出虚源发出的的声线声线，虚源，虚源数目数目与考虑的声线反射与考虑的声线反射次数次数有关，有关，数目趋于无穷，则可求得浅海总声场数目趋于无穷，则可求得浅海总声场q硬底均匀浅海硬底均匀浅海 假设浅海声速均匀层深为假设浅海声速均匀层深为H，海面为平整自由界面，海底为平海面为平整自由界面，海底为平 整硬界面点源整硬界面点源 位于坐标位于坐标 ，观察点位于坐标，观察点位于坐标 处19n浅海声场的虚源表示式浅海声场的虚源表示式由右图可得：由右图可得：因此，因此，直达波声压直达波声压：又又因此，因此，海底反射波声压海底反射波声压：20n浅海声场的虚源表示式浅海声场的虚源表示式 考虑对称于海面考虑对称于海面 的两个虚源的两个虚源 和和 （即（即海面一次反射波海面一次反射波），），四个点源合成声压为：四个点源合成声压为：21n浅海声场的虚源表示式浅海声场的虚源表示式 上式满足上界面上式满足上界面 条件，但不满足下界面条条件，但不满足下界面条件，为恢复下界面的对件，为恢复下界面的对称性，再叠加两个虚源称性，再叠加两个虚源 和和 ，则得六个，则得六个点源的合成声压：点源的合成声压：22n浅海声场的虚源表示式浅海声场的虚源表示式q分析分析n六点源关于海底界面对称，满足下界面的边界条六点源关于海底界面对称，满足下界面的边界条件，但破坏了上界面的对称性。
因此，需继续增件，但破坏了上界面的对称性因此，需继续增加虚源对数；加虚源对数；n每增加一对虚源，相应于多计入一次海面或海底每增加一对虚源，相应于多计入一次海面或海底的反射声线；的反射声线；n虚源阶数越高，声线经过海面和海底的反射次数虚源阶数越高，声线经过海面和海底的反射次数越多，虚源离观察点距离越远，对合成声压贡献越多，虚源离观察点距离越远，对合成声压贡献越小23n浅海声场的虚源表示式浅海声场的虚源表示式q硬底均匀浅海声场虚源表示式硬底均匀浅海声场虚源表示式q一般均匀浅海声场虚源表示式一般均匀浅海声场虚源表示式 q两者差别两者差别n反射系数不同反射系数不同24n浅海表面声道浅海表面声道q前面介绍的表面声道的有关计算适用于深海表面声前面介绍的表面声道的有关计算适用于深海表面声道情况；道情况；q在冬季，由于冷空气和风浪搅拌作用，浅海也经常在冬季，由于冷空气和风浪搅拌作用，浅海也经常形成表面声道（等温层或弱正声速梯度分布）形成表面声道（等温层或弱正声速梯度分布）浅海表面声道中的两类声线浅海表面声道中的两类声线25n浅海表面声道浅海表面声道将浅海表面声道的平滑平均声强表示为：将浅海表面声道的平滑平均声强表示为：式中，式中，为反转声线的平均声强，为反转声线的平均声强，为海底反射声线的平均声强。
为海底反射声线的平均声强q结论结论 由于计入海底反射的贡献，浅海表面声道的传由于计入海底反射的贡献，浅海表面声道的传播损失小于深海表面声道的传播损失播损失小于深海表面声道的传播损失。