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1、表面声道及其声传播表面声道及其声传播 本章主要目的本章主要目的运用射线声学方法讨论常见海洋波导的声传播规律。运用射线声学方法讨论常见海洋波导的声传播规律。了解声波在何种海洋波导的可以实现远距离传播以及了解声波在何种海洋波导的可以实现远距离传播以及对水声设备的影响。对水声设备的影响。4.1 4.1 表面声道（混合层声道）表面声道（混合层声道）声道形成原因：声道形成原因：声道形成原因：声道形成原因： 由于海洋中湍流和风浪对表面海水的搅拌作用，在由于海洋中湍流和风浪对表面海水的搅拌作用，在海表面下形成一定厚度的温度均匀的混合层（等温层）海表面下形成一定厚度的温度均匀的混合层（等温层）。在层内温度均匀
2、，压力随深度增加，声速呈正梯度。在层内温度均匀，压力随深度增加，声速呈正梯度分布。分布。 4.1 4.1 表面声道（混合层声道）表面声道（混合层声道）声道特点：声道特点：声道特点：声道特点： 在混合层中，声线几乎被完全限制在表面层中传播，在混合层中，声线几乎被完全限制在表面层中传播，声线不断受海面声线不断受海面反射反射，小掠射角声线在混合层底部不，小掠射角声线在混合层底部不断发生断发生反转反转，因而，声信号在表面声道中可远距离传，因而，声信号在表面声道中可远距离传播。播。 4.1 4.1 表面声道（混合层声道）表面声道（混合层声道）1 1 1 1、表面声道、表面声道、表面声道、表面声道“ “
3、“ “线性线性线性线性” ” ” ”模型和声传播模型和声传播模型和声传播模型和声传播 根据表面声道传播的主要特征，把声速简化为线性根据表面声道传播的主要特征，把声速简化为线性正梯度分布：正梯度分布： 海表面声海表面声速值速值 海表面混合海表面混合层的厚度层的厚度 4.1 4.1 表面声道（混合层声道）表面声道（混合层声道）（1 1 1 1）声线和参数）声线和参数）声线和参数）声线和参数 4.1 4.1 表面声道（混合层声道）表面声道（混合层声道）（1 1 1 1）声线和参数）声线和参数）声线和参数）声线和参数反转深度反转深度：在表面声道中传播的声线发生反转的深度：在表面声道中传播的声线发生反转
4、的深度反转深度特点反转深度特点：声线的掠射角：声线的掠射角 根据折射定律，可得反转深度根据折射定律，可得反转深度 4.1 4.1 表面声道（混合层声道）表面声道（混合层声道）（1 1 1 1）声线和参数）声线和参数）声线和参数）声线和参数 一般来说在表面声道传播的声线掠射角都是小量，一般来说在表面声道传播的声线掠射角都是小量，近似可得：近似可得： 临界角临界角：在表面声道层深处发生反转的声线，其声源处和海面在表面声道层深处发生反转的声线，其声源处和海面处的掠射角最大，称为临界角；该声线为临界声线。处的掠射角最大，称为临界角；该声线为临界声线。 4.1 4.1 表面声道（混合层声道）表面声道（混
5、合层声道）当声源处掠射角当声源处掠射角 或海面掠射角或海面掠射角 的的声线被束缚在声道内传播，称为声线被束缚在声道内传播，称为“声道声线声道声线”；反之，未被束缚的声线越出表面声道，进入反之，未被束缚的声线越出表面声道，进入 深水域中，在传播时经历海底反射，有较强的衰深水域中，在传播时经历海底反射，有较强的衰减，因而在较远距离上可被忽略。减，因而在较远距离上可被忽略。 4.1 4.1 表面声道（混合层声道）表面声道（混合层声道）（1 1 1 1）声线和参数声线和参数声线和参数声线和参数跨度跨度D D：声线在海面相邻两次反射点之间的水平距离。声线在海面相邻两次反射点之间的水平距离。 4.1 4.
6、1 表面声道（混合层声道）表面声道（混合层声道）（1 1 1 1）声线和参数声线和参数声线和参数声线和参数声线传播水平距离公式声线传播水平距离公式: : 海面掠射角海面掠射角声线的跨度声线的跨度D D： 跨度跨度D D与反转深度与反转深度的关系的关系 4.1 4.1 表面声道（混合层声道）表面声道（混合层声道）（1 1 1 1）声线和参数声线和参数声线和参数声线和参数由跨度的表达式可知：海面掠射角越大，跨度也越大。由跨度的表达式可知：海面掠射角越大，跨度也越大。 最大跨度：最大跨度： 最小跨度：最小跨度： 4.1 4.1 表面声道（混合层声道）表面声道（混合层声道）（1 1 1 1）声线和参数
7、声线和参数声线和参数声线和参数循环数循环数N N：在声源与接收点之间所容纳不同掠射角声线跨度数目。：在声源与接收点之间所容纳不同掠射角声线跨度数目。 讨论：讨论：讨论：讨论： 循环数循环数N N越大，声线越接近海面，越大，声线越接近海面， 循环数循环数N N越大，相邻声线的掠射角越接近，声线越密集，声能越大，相邻声线的掠射角越接近，声线越密集，声能 越集中。越集中。 声源辐射到层厚声源辐射到层厚内的声能量内的声能量W W与掠射角有如下关系为：与掠射角有如下关系为：沿海面传播的声线。沿海面传播的声线。（声源均匀辐射）（声源均匀辐射）声源辐射声能主要集中在海表面层附近，类似于声源辐射声能主要集中在
8、海表面层附近，类似于“北北京天坛的回音壁京天坛的回音壁”、“夜半钟声到客船夜半钟声到客船”。 4.1 4.1 表面声道（混合层声道）表面声道（混合层声道）（2 2 2 2）传播时间传播时间传播时间传播时间假设声源与接收器靠近海面，则有源到接收器N次循环的声线的总传播时间近似为： 讨论：讨论：最接近海底传播的声线（N最小），传播时间最短，最先到达接收点；最靠近海面传播的声线（N最大），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。 4.1 4.1 表面声道（混合层声道）表面声道（混合层声道）（2 2 2 2）传播时
9、间传播时间传播时间传播时间大西洋实验记录：爆炸声源位于700米深，接收点位于1200米深，两者相距1880千米。 确定信号的整个持续时间，只考虑声道声线，有： 信号持续时间与距离成正比。信号持续时间与距离成正比。 4.1 4.1 表面声道（混合层声道）表面声道（混合层声道）、表面声道截止频率、表面声道截止频率、表面声道截止频率、表面声道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：深度方向上，传播路径引起的相移 声波的反转引入的相位损失。在反转点以上声场为上行波和下行波之和；在反转点以下声场为沿深度方向指数衰
10、减的非均匀波。 4.1 4.1 表面声道（混合层声道）表面声道（混合层声道）、表面声道截止频率、表面声道截止频率、表面声道截止频率、表面声道截止频率根据不均匀反射系数满足自由海面边界条件，表面声道的各阶简正波的临界频率： 表面声道的截止频率： 4.1 4.1 表面声道（混合层声道）表面声道（混合层声道）、传播损失、传播损失、传播损失、传播损失近距离： 远距离： 混合声道声强级沿深度的变化：混合声道声强级沿深度的变化： 混合层内声强值大于球面扩展的声强值，传播损失小于球面波的传播损失；在混合层以下声强小于球面扩展声强，传播损失显著增加；声波频率越高，离表面声道截止频率越远，声道现象越明显。THE END作业1表面声道的混合层中的声线传播具有那些特点？ 2什么是反转深度？什么是临界声线和跨度？3画出表面声道声速分布，应用射线理论解释声波在表面波道中远距离传播的原因？4分别说明或画图表示表面波道中声强沿深度和水平方向的分布规律。
