第二章声波在海水中传播损失

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1、北京交通大学毕业设计（论文）第页第二章声波在海水中传播损失声波、电磁波等各种形式的能量在其发射和传播过程中，不论介质以何种形式存在，能量的耗散是必然的。声波能量的损失一般表现为振幅的减小，但对接收信号的作用来看，振幅的随机震荡也被认为信号能量的衰减。在这一章中我们将讨论能量衰耗的前一种形式，即随距离增加振幅减小的规律。并给出声传播过程中损失形成的原因和主要计算方法。2.1声波损失的度量声波的传输损失(PL)是度量声源到远处接收机之间声强衰减大小的一个物理量。其中PL多用声强I来表示：单位时间流经单位面积的能量（单位面积功率）称为声强。对于平面波，声强计算公式：(2.1.1)

2、如果表示距离声源中心1m远处的声强，是接收机处的声强，则声源到接收机处的传播损失定义为：(2.1.2)如果只考虑介质空间中某确定两点间的传输损耗，计算公式一般采用：(2.1.3)式中、分别表示声波经过1、2两点时的声强。对于信号传播损失的瞬时度量，一般采用能流密度之比，即(2.1.4)利用这些度量标准就可以计算出传播一定距离能量的损耗。在海水中声波的损耗要比电磁波、光波小2~3个数量级，这也就是为目前的水下通信只能采用频率不高的声波作为信息载体的原因。2.2水声传播损失的表现形式和原因水声传播损失主要有三类：扩展损耗、吸收损耗、边界损耗。其中扩展损耗是因为声波在传输过程中波

3、阵面不断扩大，造成单位面积上的能量减小，波阵面上的平均功率密度减小，表现为声强的衰耗。扩展损耗主要由水声发射设备的方向性系数确定，能在一定程度上减小，但这种损耗是始终存在的。9北京交通大学毕业设计（论文）第页吸收损耗是指声波在水中传播时由于海水的非理想性，导致声能被海水吸收而转化为热能等不可逆的过程。海水对不同频率声波的吸收损耗不同，所以只能应用15kHz以下的声音频段。海水总是有上下边界的，当声波到达边界时，总会产生能量的“泄漏”和明显的衰耗，这就是边界损耗。2.2.1扩展损耗：根据通信距离与海底深度比值的大小可以将海洋中水声信道分为深海声道、浅海声道。一般将浅海理解为，

4、声波传播距离要至少数倍于海洋深度。这样的信道最突出的特点就是声波在其中传播时要反复进行海底、海面的多次反射。我们研究舰艇深度为200米，通信距离100海里以上，海洋深度若取2000m，很显然这样的通信信道属于浅海信道。在无线电传播中，也用到了扩展损耗。无线电波用的是球面扩展模型，即(2.2.5)式中r表示通信距离，此公式要求信号向空间为均匀辐射，且通信距离R小于截至边界L，在水声深海声道也可以应用，如图(2.2.1)所示。但在浅海声道情况就大不相同了，如图(2.2.2)所示，模型必须修改为柱面模型，相应的计算公式也要进行修订。图2.2.1球面扩展如图所示：A、B、C、D均可

5、以用球面扩展模型。因为波阵面在未遇到反射面时已经到达接受点，采用球面模型是可以接受的。图2.2.2柱面扩展如图所示9北京交通大学毕业设计（论文）第页：E、F、G、H点到声源的距离要比海洋深度大，可以采用柱面模型，但H点用柱面模型计算出的损耗要明显比E、F、G点精确。也就是说，接收点到声源的距离越大利用柱面模型计算损耗就越精确。下面简单推倒一下柱面模型的损耗计算公式。同球面模型思路一样，以能量守恒为基础，对于球面模型，不同波阵面上功率相同，即(2.2.6)对于柱面模型，功率守恒：(2.2.7)推出：(2.2.8)无线电波在自由空间传输路径损耗与距离平方成正比，而在实际无线信道

6、中却与距离的三次方甚至四次方成正比，这说明扩展损耗模型跟实际情况还是有很大差别的。球面扩展和柱面扩展都是理想化的模型，在实际中由于海区的不均匀性，声信号产生折射、散射等现象，尤其是海水界面的反射产生多径的干涉，所以实际的扩散损耗较少出现以上两种简单的情况。在实际损耗计算中，当近距离通信时(r8H)，扩展损耗应用柱面模型：2.2.2吸收损耗声波在海水中传播时，主要通过两种机制产生吸收损耗：粘性：由粘性产生的损耗在海水和淡水中都存在，与频率的平方成正比

7、。分子弛豫：因分子弛豫产生的损耗仅在海水中存在。这是因为由于声压的诱发作用使一些分子分离为离子，分离过程所需要的能量来自于声能。在频率较高时，压力的变化远快于分子弛豫的产生，因此无能量损耗。在500kHz以下时，硫酸镁分子、硼酸分子的弛豫都将发挥作用。对于吸收损耗已经进行了大量的测量，9北京交通大学毕业设计（论文）第页而且得到了几个经验公式，这些公式给出了吸收损耗与频率、深度、盐度之间的关系。总的吸收损耗可用吸收系数来表示。吸收系数岁频率增加而迅速增加，虽温度变化而变化，但跟深度、盐度、关系并不明显。吸收系数随频率