weixin 发表于 2017-11-22 15:18

水声学基础知识:深海声道及其声传播

  深海声道概述  声源位于声道轴附近时,在一定角度范围内出射的声线被限制于声道内传播,这部分声线不受海面散射和海底反射的影响,声信号传播很远。受季节影响小,声道效应稳定。
  SOFAR:SOund Fixing And Ranging——声学定位和测距。利用深海声道效应可以有效地定位和测距。通常利用若干水声接收基阵来测量爆炸声信号的到达时间,来确定爆炸点的位置和距离。例如进行大地测量、确定导弹溅落点的位置。

  深海声道的典型声速分布  一、Munk声速标准分布模型
  纬度越高,海面水温受热小,声道轴也越浅。我国南海的声道轴接近1000米。

  二、线性声速分布模型

  声道信号的基本特征  我国南海深海声道声速分布与声线轨迹图  一、声线和信号波形
  1. 声线
        · 偏离声道轴较远的声线,路程最长,但最先到达;
        · 沿声道轴传播的声线,路程最短,但最迟到达;
        · 沿声道轴传播的声线最密集,携带能量最大。

  2. 信号波形
  特点:
        · 多途径传播的爆炸信号,接收信号强度由小变大直至峰值,然后突然截止;
        · 与表面声道声传播具有类似规律。


  二、会聚区和声影区
        · 汇聚区:AiAi‘高声强焦散的区域
        · 声影区:Ci反转折射声线无法达到区域
  声纳可利用水下声道的会聚区来实现远程探测。声影区内,只存在海面或海底的反射声线,声强明显小于会聚区声强。

  会聚区宽度随会聚区序号增加而变宽,声影区宽度随声影区序号增加而变窄。

  1. 会聚区内平均声强
  设无指向性声源的发射功率为W,形成会聚区的声线掠射角范围为(-χm,χm),空间会聚区内的总声功率:
  假设水平距离处的声线平均掠射角χ=χm/2,则垂直声线方向的环形截面积等于
  式中:Δr——会聚区宽度,与会聚区序号有关。

  2. 会聚增益:
  会聚区声强与球面扩展声强之比。

  3. 声强异常
  会聚增益的分贝值,即
  为球面波损失高于会聚区损失的分贝数。

  4. 波动理论的解释
  会聚现象是焦散线上大量同相简正波叠加的结果,同相叠加的简正波数目越多,会聚增益越大。会聚增益也与简正波的深度分布函数有关,即与z有关。

  深海声道典型声线轨迹  一、典型声线演示

  二、典型声线轨迹

  深海声道中的传播损失  考虑海水介质声吸收引起的衰减:
  近距离处,球面波扩展衰减;远距离处,柱面波扩展衰减。深海声道是远距离传输的波导。

  深海负梯度  一、深海负梯度特点
  从声源发出的声线向海底折射,不再反转回声源所在的水平面上,与波导传播情况相反,故称为反波导传播。存在一条与海面相切的极限声线,在极限声线以内为声亮区;在极限声线以外为声影区(直达声无法到达的)。

  二、几何作用距离
  定义:从声源到观察点深度影区边缘的水平距离。

  几何作用距离为多少?
  通常,声影区中不存在通常意义上的声线,可引入衍射声线的概念。

  深海负跃层  一、负跃层特点
  描述: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。

  二、声道模型
  负跃层上方介质声速为c1,下方介质声速为c2,且c1>c2,负跃层较薄。

  声线折射后,介质中的声强如何变化?
  H2处的水平距离:
  水平距离的偏导数:
  的求解:
  射线声学声强求解公式:
  声线折射后的声强:
  声强变化分析:要考虑负跃层对声传播的影响,只需考虑跃变层上下边界处的声强变化关系即可。

  上边界声强:
  下边界声强:
  经跃变层的传播损失:
  分析:c1>c2→sinχ0<sinχ→TL>0


  结论:声波经过负跃层引起声能损失。

  举例:当c2/c1=0.97(相当水温有10℃以上变化),声源处掠射角χ0≈2°时,传播衰减TL=8.5dB,相当于声强减小7倍。

  来源:节选自《水声学》哈尔滨工程大学水声工程学院

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