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1、第十章 海洋中的声、光传播及其应用10.1海洋声学概说10.1.1水声学与海洋声学的发展迄今为止，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。在含有盐、气泡和浮游生物的海水中，光波和电磁波的衰减都非常大。它们的传播距离较短，远不能满足人类在海洋活动中的需要。因此，到目前为止，在水下目标探测、通讯、导航等方面均以声波做为水下唯一有效的辐射能。声呐是应海战需要而发展起来的水下目标探测设备。它的普遍使用开始于第二次世界大战期间。据可查的文献记录，早在1490年，达芬奇写过：“如果使船停航，将长管的一端插入水中，将管的开口放在耳旁，则可听到远处的航船。”这种声呐的雏形不能确定目标的方
2、位。在一次大战期间，于船的另一侧加了一根管，采用双耳测听，初步解决了测向问题。第一次大战期间，由于德国的潜艇活动，约4000多艘同盟国舰船被击沉，这个数目相当于同盟国拥有舰船的三分之一，从而迫使同盟国集中很大力量去研究同潜艇做斗争的手段。恰好1914年郎之万、康斯坦丁首先做成了电容(静电式)发射器和碳粒微音接收器。1918年利用这样的发射和接收器，接收到来自海底的回波和于200m深处一块甲板的回波。同时，郎之万等人用石英晶体做成压电式发射器和接收器，并采用了刚研制成的真空管放大器，制成第一台回声定位仪，以后简称声呐(sonar)。“声呐”名称的由来，是仿照雷达一词对“声导航和回声定位”的英文“
3、soundnavigationandranging”的缩写。在第一次和第二次大战期间，交战国双方热衷于水下定位设备的研究。在2030年代，由于对声在海中的传播规律了解很少，曾认为声呐性能有一种神秘的不可靠性。即声呐的性能有时早晨较好，到下午性能变得很坏，尤其在夏季的午后最差。当时称这种现象为“午后效应”。后来测量海水各层温度发现，由于太阳的照射，海表层温度升高，构成较小的温度梯度，形成了声的折射，使声波部分能量弯曲入射到海底。从此便开始了声波在海洋介质中传播特性的研究，此内容称为水声学。二次战后声呐技术的一个重要发展，是除军事的用途之外，也广泛应用于声导航系统、探鱼、测深和海底地形测绘、海底底
4、质剖面结构等方面。目前水声技术已是开发海洋和研究海洋广泛采用和行之有效的手段，如水下通讯、声遥测遥控、数据图像传输，以及用声波遥测海洋涡旋的运动和变化与全球海洋温度的监测等方面。这些应用技术要求进一步研究声波传播规律与海洋环境的定量关系。由于海洋介质的复杂性和多变性，声波在海洋中的传播规律不仅取决于海洋的边界条件、海水的温、盐分布、海水中含有成分(如MgSO4)对声波的吸收等，而且还受到海洋动力因素和海洋时空变化的制约。因此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。国外已出版了多部海洋声学专著。10.1.2海洋声学研究内容声波是海洋中可进行远
5、距离传播的唯一能量辐射形式，因此海洋声学成了海洋科学中发展较快，有广泛应用前景的新领域。它所研究的内容有，因海洋中的声速铅直分布不均匀而形成的深海声道传播特性，以及声的波导传播与非波导传播；海水因含MgSO4等化学成分引起的超吸收；对远距离传播有极大影响的海底沉积层的声学特性；沉积层的分层结构和海底的不平整地形等的反射损失和散射；内波引起声传播振幅和相位的起伏；海洋水层中浮游生物群和游泳动物的声散射；大洋深处的湍流、涡旋对声波传播的影响以及海洋动力噪声、水下噪声和海洋生物发声等。以上都属海洋声学研究的正问题。反过来又可应用上述的声传播信号特征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
6、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。10.1.3海洋声学遥感的应用前景卫星遥感使气象数据收集分析既快捷又准确。声学遥感在海洋中的应用，使原来用绳子和重锤测海深的方法由回声测深仪在几秒钟内即可自动记录完成。以往用几年和数十艘调查船承担的海图测深，已可在数月内用单船作业完成测绘。其它如海底地层石油和矿藏勘探、探鱼和海洋生物遥测、冰山水下部分、海上石油井口定位和声释放器、远距离声发定位援救大洋中遇难船只和确定火山爆发位置，水下通讯用的水声电话，水下电视信号传递，波浪和海平面测量，预告台风和海啸，用声浮标监测海流和中尺度涡，观测内波的位置、变化和海岸泥沙的搬运，
7、以及最近成立的全球大洋声学监测网(ATOC)等等，这些都证明声学遥感对开发和研究海洋有广泛的应用前景10.2声波的基本理论 10.2.1声波我们生活在波的世界里，看到的是光波，听到的是声波，收音机和电视机接收到的是电磁波，它们是不同性质的波。其中声波是弹性波，是在弹性介质中传播的波。空气、水和固体都是弹性介质，它们对声波而言，都可看作可压缩的弹性介质。以水为例，若其中有一个球体突然膨胀，推动周围的水介质向外运动，但水介质因惯性不可能立即向外运动，因此靠近球体的一层水介质被压缩成为密层，这层水因具有弹性又会膨胀，又使相邻的外层水压缩，于是弹性波就这样一密一疏地传播出去。声波在水中的传播速度约为1
8、500m/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20103Hz，因此在20103Hz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。10.2.2理想流体中的小振幅声波为简明起见，我们只研究平面波，我们选最简单的单色简谐波并导出一维简谐平面波的波动方程。如图101所示，在水介质中截取一块截面积为1，长度为x的管状介质，我们认为水介质为连续介质。声波在此管状介质中传播，于t时刻，的量不随时间变化，但其密度和体积随时间变化。令
9、0为未受扰动前的密度，为受声波扰动后t时刻介质的密度，根据质量守恒原理，应有如下关系：根据牛顿第二定律，该介质的运动方程为式中p为介质中任一点的压强。我们假定介质状态变化过程为绝热过程，则有因此式(10-2)可改写为：由式(10-1)和式(10-2)式整理得式(10-3)为有限振幅声波的波动方程，它是一个非线性方程，下标S表示声波传播时介质状态的变化是绝热过程，因为声振动的频率与介质的状态变化相比是很迅速的，在一个周期的声波变化过程中，介质来不及与周围产生热振幅平面声波的波动方程令C即为声波的传播速度，严格说是指某一简谐波的相速度。(10-5)式又可写为s是介质的绝热压缩系数。若介质为水，则上
10、式为水中小振幅平面声波于绝热过程的相速公式。故式(10-4)小振幅平面声波方程可写为求解上式得波方程的条件。以水介质为例，看在多大功率下是小振幅声波。设水的质点振动速度为C=1.5103m/S，得J3104W/m2。通常声功率小于3104W/m2，方程式(10-6)是适用的，若声功率超过3104W/m2则为非线性声波。10.2.3海水中声波的传播速度波动方程式(10-6)是单色简谐波的小振幅平面声波方程。实际上的声波不可能是单色波，而是一些具有一定频率宽度的波的叠加，这样的波称为波群。波群有群速度，单一频率波的速度称为相速度，群速度和相速度在原则上是不相同的。我们所应用的水声频段，海水可认为是
11、非频散介质，因此通常所说的声速度既是群速度，也是相速度。由(10-5)式知声速度与介质的压缩系数和密度有关，由热力学定律可知式中t是等温压缩系数，cp是定压比热，cv是定容比热。因此式(105)又可写为式中,t是可由实验测定的物理量。声速度公式(109)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。在海洋中，由公式(109)所给
12、出的，t等物理量与海水的温度、盐度和压力有关。下面分别讨论上述因素对声速的影响。一、温度的影响介质的温度变化时，压缩系数s随之发生较大变化，此时介质的密度也产生相应的变化，其变化量较小可以忽略不计。已知压缩系数s当温度增加时变小，温度降低时s增大。压力为101325Pa，盐度为0的纯水，其压缩系数依赖于温度的经验公式为s48110-13-3.410-13t310-15t2当温度为常温时，可略去t2项，则有s48110-13(1-0.00707t)若令s048110-13，Vt0.00707则有ss0(1-Vtt) (10-10)在通常海洋水温的变化范围内，水的密度变化较小，可以忽略不计，则有前
13、二项近似，即有声速度的变化为上式说明，当温度变化1时，声速的变化是原来的0.35。设C0=1450m/S，当温度变化1时，声速的变化是5m/S。表明，如果海水的温度变化不大，则压缩系数可以认为与温度成线性关系。海水的温度在017范围内每升高1其相应的声速度增加4.21m/S，而Vt应相当于0.0058。二、盐度的影响由克鲁逊公式=0(10.0008S) (1013)所决定，式中S是盐度。该公式还可以写为=0(1VSPS) (1014)式中VSP=0.0008，也就是说当盐度增加1时密度增加0.08。盐度对压缩系数的影响由克雷米尔公式得出：ss0(1-0.0024s)S0(1-VSkS) (10
14、-15)式中S0是盐度为零的压缩系数，其中VSk0.00245。可见当盐度增加1时，压缩系数要减少0.00245，使水中的声速值增加。当然盐度增加时，水的密度也增加，会使声速减少。综合效应是，由于盐度增加，而使海水中的声速增大。将式(10-14)与式(10-15)代入式(10-5)，并令S1可得将Vsk0.00245和Vsp=0.0008代入，得当盐度升高1时，声速近似地增加0.00083。若C0=1450m/s，声速的增加为cs14500.00083=1.2m/s在海水中测量结果表明，盐度每增加1，声速值增加1.14m/s，小于因温度变化所引起的声速度变化。若海水含有空气泡，其密度和盐度都降低，因而声速将减小，且声能量在传播过程中有损耗。据实验，由于水中含有气泡而引起的声速度的变化是很小的，它与测量误差同量级，可以忽略。三、压力变化的影响静压力变化时引起水的密度变化是很小的，声速度变化主要取决于压缩系数s的变化。对水而言，压力愈大，愈不易压缩。因此，压缩系数s反而因压力的加大而减小了。即压力愈大处，声速值也大。由经验公式得知，在海水静压力为(01000)101325Pa范围内变化时，压缩系数s的变化可以由下式表示：ss0(10.00044)=
