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
页:
[1]