水声学基础知识：深海声道及其声传播

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　　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