华北理工水声学课件04典型传播条件下的声场-2表面声道声传播.ppt

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 第十一讲第十一讲 表面声道声传播表面声道声传播 2本讲主要内容本讲主要内容n传播时间传播时间n截止频率截止频率n传播损失传播损失n传播损失的经验公式传播损失的经验公式3n传播时间传播时间 声线经过微元声线经过微元 的传播时间：的传播时间：根据折射定律，可得：根据折射定律，可得：传播时间：传播时间：4q跨度跨度 的传播时间：的传播时间：假设声源与接收器靠近海面，则由源到接收器假设声源与接收器靠近海面，则由源到接收器N次循次循环的声线的总传播时间近似为：环的声线的总传播时间近似为：又循环数为又循环数为N的声线掠射角为：的声线掠射角为：5 利用级数利用级数n讨论：讨论：1.最接近表面层底部传播的声线，传播时间最短，最先最接近表面层底部传播的声线，传播时间最短，最先到达接收点；到达接收点；2.最靠近海面传播的声线，传播时间最长，最后到达接最靠近海面传播的声线，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，其传播时间越长播时间越长3.单位时间内到达接收点的声线数目随单位时间内到达接收点的声线数目随N增加而增大。

增加而增大6q举例举例：下图为大西洋实验记录：爆炸声源位于：下图为大西洋实验记录：爆炸声源位于700米深，接收点位于米深，接收点位于1200米深，两者相距米深，两者相距1880米解：解：确定信号的整个持续时间，只考虑声道声线，有：确定信号的整个持续时间，只考虑声道声线，有：在远距离处：在远距离处：注意注意：信号持续时间与距离成正比信号持续时间与距离成正比 大西洋大西洋声信号声信号波形波形7n截止频率截止频率非均匀层的入射波和反射波非均匀层的入射波和反射波8n截止频率截止频率 在表面声道中，入射平面波为从海表面向下传播在表面声道中，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的声波，反射平面波为经过反转点后由深度H向上传向上传播的波反射波与入射波之间的相移：播的波反射波与入射波之间的相移：相移相移=传播路径相移传播路径相移+声线反转相移声线反转相移1）传播路径引起的相移）传播路径引起的相移2）声波的反转引入的相位损失）声波的反转引入的相位损失9n截止频率截止频率 假设反射波与入射波的模相等，则海面的反射系数：假设反射波与入射波的模相等，则海面的反射系数：根据自由海面边界条件，反射系数满足：根据自由海面边界条件，反射系数满足：10n截止频率截止频率 根据折射定理，则传播路径引起的相移：根据折射定理，则传播路径引起的相移：表面声道各阶简正波的表面声道各阶简正波的临界频率临界频率：11n截止频率截止频率 当当n=0时，可求得表面声道的时，可求得表面声道的截止频率截止频率：表面声道传播所允许的最大波长为：表面声道传播所允许的最大波长为：注意注意：这里利用：这里利用不均匀反射系数不均匀反射系数近似表示式所应满足近似表示式所应满足的边界条件，推导出表面声道的截止频率。

波动理论的边界条件，推导出表面声道的截止频率波动理论是利用是利用频散方程频散方程的根求得的根求得12n传播损失传播损失 设表面声道中有一无方向性点源，在表面声道中设表面声道中有一无方向性点源，在表面声道中作远距离传播的声线掠射角作远距离传播的声线掠射角 ，离点声源，离点声源单位距离处，在单位距离处，在 到到 范围内的声束能量分布范围内的声束能量分布在面积在面积 上：上：13n传播损失传播损失 在远距离在远距离 处，处，忽略忽略介质介质吸收吸收和和声漏射声漏射（声波海面（声波海面散射引起的），声束能量分布在高度为散射引起的），声束能量分布在高度为 、半径为、半径为 的圆柱面积的圆柱面积 上：上：通过面积通过面积 和和 的功率是相同的，则距离的功率是相同的，则距离 处处的声传播损失为：的声传播损失为：14n传播损失传播损失q当传播距离当传播距离 时，声波按球面规律扩展；时，声波按球面规律扩展；q当传播距离当传播距离 时，声波过渡为柱面规律扩展；时，声波过渡为柱面规律扩展；q 称为称为过渡距离过渡距离 一般一般q与简正波方法求解结果比较与简正波方法求解结果比较n表面声道的传播损失与简正波方法求得的浅海均表面声道的传播损失与简正波方法求得的浅海均匀声场传播损失在形式上一样匀声场传播损失在形式上一样 15n传播损失传播损失n共同点：共同点：声能被限制在深度声能被限制在深度H的层内，在远场符的层内，在远场符合柱面衰减规律。

合柱面衰减规律n不同点：不同点：临界掠射角不一样，表面声道的掠射角临界掠射角不一样，表面声道的掠射角 由由声道参数声道参数a、H和和 来决定；来决定；均匀浅海均匀浅海 由由折射率折射率n决定若考虑海水介质声吸收和声泄漏引起的衰减，声若考虑海水介质声吸收和声泄漏引起的衰减，声道的传播损失为：道的传播损失为：16n传播损失的经验公式传播损失的经验公式qBaker给出的表面声道给出的表面声道TL的经验公式：的经验公式：n近距离：近距离：n远距离：远距离：吸收系数：吸收系数：漏声系数：漏声系数：17q右图为混合声道声强级沿深度的变化：右图为混合声道声强级沿深度的变化：n混合层混合层内声强值内声强值大于大于球面扩展的声强值，传播损球面扩展的声强值，传播损失小于球面波的传播损失；失小于球面波的传播损失；n在在混合层以下混合层以下声强声强小于小于球面扩展声强，传播损失球面扩展声强，传播损失显著增加；显著增加；n声波声波频率越高频率越高，离表面声道的截止频率越远，声，离表面声道的截止频率越远，声道现象道现象越明显越明显作业n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n声速分布如下左图所示，已知H，z0，cs，a1，a2和求。