水声学-声传播起伏2

null第九章 声传播起伏 第九章 声传播起伏 第二十五讲 随机界面上的声散射和声传播起伏本讲主要内容本讲主要内容瑞利参数 海面声散射 振幅起伏和相位起伏null瑞利参数 海水介质的随机不均匀性是远距离传播引起声信号起伏的原因 随机海面的声散射经常是近距离声传播起伏的原因 随机界面的声散射是表面声道传播起伏的主要原因 在不平整界面的散射理论中，通常用瑞利参数描述界面的垂直不平整度。 设一平面波以入射角 （或掠射角 ）入射到不平 整海面上。声程a-o-b为经海 面平均平面反射的路程；声 程a-e-c为经垂直位移 的海面反射的路程，见上图示。null瑞利参数 由右图可得两条声线的程差： 相位差： 提示： 为随机变量， 也为随机变量。 令相位差的均方根值等于瑞利参数 ，null瑞利参数 结论：瑞利参数 代表海面不平整性引起反射信号附加相位差的均方根值；可以用于判断海面不平性程度的依据；随比值 增加而增加；随 增加而增加。 海面散射 经海面散射的声场中，包含镜反射方向传播的波和其它方向的散射波。镜反射方向的波是散射波场中的相干分量，在绝对软的界面，其反射系数为-1。由于界面不平整，平均反射系数绝对值总是小于1，且随瑞利参数的增大而减小。null海面散射 相干参数与瑞利参数的关系 不同均方根波高下 声强的相干分量与总声 强之比随瑞利参数的变 化关系。 总声强=相干分量声强+ 非相干分量声强 图中虚线为 ，与实验值吻合较好。图中结果表明：海面不平整性的宽角声散射减弱了镜反射信号。null海面散射 严格求解随机不平整界面的声散射理论目前还没有 经常采用的两种近似方法： 小波高、小斜率界面——微扰法 大不平整界面，但变化平缓——Kirchhoff 振幅起伏和相位起伏 考虑绝对软的不平整海面，经过海面反射后的总声场用 表示，由镜反射声场 和海面随机散射声场 的迭加null振幅起伏和相位起伏 注意：上式未考虑直达声，这是采用尖锐指向性发射时的情况。 将上式改写为： 式中 和 分别为相应信号的振幅和相位。在界面作微小扰动的情况下有 在等式两端同除以 ，取自然对数得：null振幅起伏和相位起伏 振幅起伏： 相位起伏： 又由于： 由上两式可以得到振幅和相位的均方起伏以及振幅、相位起伏的相关函数。null振幅起伏和相位起伏 振幅均方起伏： 相位均方起伏： 振幅、相位起伏相关函数：null振幅起伏和相位起伏 观察点位于弗朗和菲区远场区，且 时有： 其中 为不平整表面的随机起伏的相关半径。 因而： null内波简介 内波的传播速度 海洋内波是在海洋介质内部传播的重力波。 内波的形成：分界面处的液体受到外界压力驱动时，体元就产生偏离原来分界面的垂直运动，在重力作用下发生上下振动，沿液体界面传播。null内波简介 内波的传播速度 按照两层液体模型（Lamb模型）求得内波相速度等于 其中 ， 为重力加速度。 当 时，类似于空气与水组成的两层介质，由上式得 ——小波高表面波浪的相速度。null内波简介 内波的传播速度 提示： 海面波浪是两层液体界面内波的特例。 海洋内波可以看作海洋表面波浪在不均匀海洋内部的传播。 内波相速只是表面波相速的百分之几。 开阔海洋中内波的传播速度在数米/秒至数十米/秒的范围。 近岸内波传播速度不超过数十厘米/秒。null内波简介 内波频率 内波频率介于惯性频率 和Brunt-Vaisala频率之间。 运动物体的惯性频率： 其中 为地球自转角速度， 为纬度。 Brunt-Vaisala频率：是指海洋中液体微元的自由振动频率，它表示海洋介质的分层性质。null声传播起伏简介 早期的声传播起伏主要限于高频、近程和单一传播途径的问题，起伏的原因归结为温度微结构和界面的随机不均匀性 近年来研究低频、远程的声传播起伏 高频、近程的声信号，其振幅和相位起伏具有相同的时间尺度 低频、远程的声信号，在数分钟甚至数小时内，相位稳定，但振幅起伏快 内波对低频、远程传播的声信号起伏有重要影响null信号起伏引起的测向误差 测量信号的方向可以通过相位测向法来完成。相位测向法是根据测量信号间的相位差来确定目标方向。 假设有间隔距离为 的两个基元A和B所组成的接收基阵，一平面波信号从偏离AB垂直角度为 的方向入射，当信号无相位起伏时，两基元收到的信号相位差为 当信号有起伏时，null信号起伏引起的测距误差 考虑三阵元等间距直线阵测距问题。用 、 、 代表目标离水听器1、2、3的距离，阵元间距 。由余弦定理可得 由于 ，所以有nullTHE END