水声学基础第二章.ppt

2.4 海面 海面波浪特征描述： 周期性——周期、波长、波速和波高 随机起伏性——概率密度函数、方差、谱和相关函数 2.4 海面 （1）重力波 以重力作为恢复力的波动 1、波浪基本特征 忽略粘滞性的影响，水深 h的均匀海洋波速： 2.4 海面 （2）表面张力波 以表面张力作为恢复力的波动。 小风速，海洋波速为： 波长与波速之间的变化关系，重力波与表面张力波不同。 2.4 海面 （2）表面张力波 对于小波长的波： 波速与频率有关，形成波浪频散——弥散波。 对于多个频率传播的波，其传播速度由群速度决定。 2.4 海面 （3）波浪形成和等级 波浪形成：与风速、风持续时间、风区等因素有关。 风传给波浪的能量 波浪破碎损失能量 ﹦ 充分成 长波浪 国际标准：海况分成9级，见书中列表。了解不同海况 的海面征兆描述。 2.4 海面 （3）波浪形成和等级 平均波高 记录中1/10最大波高的平均值 波峰到波谷垂直距离的平均值 有效波高 记录中1/3最大波高的平均值 平均1/10最大波高 2.4 海面 （1）波浪概率密度分布 海面偏离平衡位置的位移服从高斯分布 2、波浪统计特征 实际测量表明：海面的概率分布服从正偏态的Gram-Charlier分布，与高斯分布稍有差别。 2.4 海面 （2）波浪谱 P-M（Pierson-Moskowity）谱： 2、波浪统计特征 2.4 海面 有风浪的海面下经常形成一层空气泡，它的厚度和浓度取决于波浪要素、表层水的湍动混合强度、空化强度以及溶解在水中的空气饱和程度。 3、海表面气泡层 2.5 海面的声反射及对声传播影响 海面反射性质：镜反射和漫散射，随着海面粗糙度增加，漫散射场占主要分量。 海面反向散射是海面混响的形成原因。 海面散射场中含有多普勒频移分量。 2.5 海面的声反射及对声传播影响 1、波动表示方法 x o S S1 z P(x,y,z) (0,z1) (0,-z1) R1 R2 R 设点源S靠近海面，视海面为绝对软平面，根据镜反射原理引入虚源S1。P点接收声压： 2.5 海面的声反射及对声传播影响 1、波动表示方法 从射线声学的角度来讲，接收点是由直达声线和海面反射系数为-1的反射声线叠加。 对于平整海面，为什么可利用平面声波的反射系数代替球面波的反射系数？ 2.5 海面的声反射及对声传播影响 2、声压振幅随距离的变化 假设 、 ，则可得 2.5 海面的声反射及对声传播影响 2、声压振幅随距离的变化 接收点P声压： 2.5 海面的声反射及对声传播影响 2、声压振幅随距离的变化 （1） 声压取极大值 ，且是单个点源的两倍。直达声与海面反射声同相叠加。 2.5 海面的声反射及对声传播影响 2、声压振幅随距离的变化 （2） 声压取极小值 。直达声与海面反射声反相叠加。合成声压不等于零，是由于两者到接收点距离不等。 2.5 海面的声反射及对声传播影响 （3）近场菲涅耳（Fresnel）干涉区向远场夫朗和费（Fraunhofer）区过渡点： 近场菲涅耳区声压振幅起伏变化，远场夫朗和费区声压振幅单调变化。对于非均匀声速分布，该干涉现象仍存在。 2.5 海面的声反射及对声传播影响 3、传播损失 2.5 海面的声反射及对声传播影响 4、非绝对反射海面下的传播损失 海面散射 镜向反射 弥漫散射 相干波 非相干波 2.5 海面的声反射及对声传播影响 4、非绝对反射海面下的传播损失 反射系数由平均反射系数给出： 反映海面散射场中相干散射成分的大小，与波浪的垂直位移、声波频率和掠射角有关。 2.5 海面的声反射及对声传播影响 4、非绝对反射海面下的传播损失 直达声与海面反射声的合成声场： 2.6 海洋内部的不均匀性（自学） 海洋的不均匀性： 海底海面的不均匀性 海水温度和盐度垂直分层特性 内部湍流、内部、海流和深水散射层等等。 2.6 海洋内部的不均匀性（自学） 湍流：流体流经固体表面或是流体内部出现的一种不规则运动。 它是一种随机运动的旋转流。它形成海水中温度和盐度的细微结构变化，引起声速的微结构变化。 2.6 海洋内部的不均匀性（自学） 内波：两种不同密度液体在其叠合界面上产生波动。 内波波长可达几十公里到几百公里，波高从10米到100米。它对低频、远距离的声传播信号有中大影响。 2.6 海洋内部的不均匀性（自学） 海流：海水从一地方向另一地方作连续流动现象。 基本在水平方向上流动，流速较快，呈