海洋中的聲光傳播第1頁(yè)，課件共21頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1海洋聲學(xué)1.1水聲學(xué)與海洋聲學(xué)的發(fā)展水中的各種能量輻射形式中，以聲波的傳播性能為最好，在含有鹽、氣泡和浮游生物的海水中，光波和電磁波的衰減都非常大。它們的傳播距離較短，遠(yuǎn)不能滿足人類(lèi)在海洋活動(dòng)中的需要。因此，在水下目標(biāo)探測(cè)、通訊、導(dǎo)航等方面均以聲波做為水下唯一有效的輻射能。發(fā)現(xiàn)過(guò)程：第一次大戰(zhàn)期間，由于德國(guó)的潛艇活動(dòng)，約4000多艘同盟國(guó)艦船被擊沉，這個(gè)數(shù)目相當(dāng)于同盟國(guó)擁有艦船的三分之一，從而迫使同盟國(guó)集中很大力量去研究同潛艇做斗爭(zhēng)的手段。1914年郎之萬(wàn)、康斯坦丁首先做成了電容(靜電式)發(fā)射器和碳粒微音接收器。1918年利用這樣的發(fā)射和接收器，接收到來(lái)自海底的回波和于200m深處一塊甲板的回波。同時(shí)，郎之萬(wàn)等人用石英晶體做成壓電式發(fā)射器和接收器，并采用了剛研制成的真空管放大器，制成第一臺(tái)回聲定位儀，以后簡(jiǎn)稱(chēng)聲吶(sonar)。“聲吶”名稱(chēng)的由來(lái)，是仿照雷達(dá)一詞對(duì)“聲導(dǎo)航和回聲定位”的英文“soundnavigationandranging”的縮寫(xiě)。第2頁(yè)，課件共21頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月用途：除軍事的用途之外，也廣泛應(yīng)用于聲導(dǎo)航系統(tǒng)、探魚(yú)、測(cè)深和海底地形測(cè)繪、海底底質(zhì)剖面結(jié)構(gòu)等方面。目前水聲技術(shù)已是開(kāi)發(fā)海洋和研究海洋廣泛采用和行之有效的手段，如水下通訊、聲遙測(cè)遙控、數(shù)據(jù)圖像傳輸，以及用聲波遙測(cè)海洋渦旋的運(yùn)動(dòng)和變化與全球海洋溫度的監(jiān)測(cè)等方面。聲波在海洋中的傳播規(guī)律與海洋環(huán)境的定量關(guān)系：取決于海洋的邊界條件、海水的溫、鹽分布、海水中含有成分(如MgSO4)對(duì)聲波的吸收等；而且還受到海洋動(dòng)力因素和海洋時(shí)空變化的制約。第3頁(yè)，課件共21頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.2海洋聲學(xué)研究?jī)?nèi)容正問(wèn)題：因海洋中的聲速鉛直分布不均勻而形成的深海聲道傳播特性，以及聲的波導(dǎo)傳播與非波導(dǎo)傳播；海水因含MgSO4等化學(xué)成分引起的超吸收；對(duì)遠(yuǎn)距離傳播有極大影響的海底沉積層的聲學(xué)特性；沉積層的分層結(jié)構(gòu)和海底的不平整地形等的反射損失和散射；內(nèi)波引起聲傳播振幅和相位的起伏；海洋水層中浮游生物群和游泳動(dòng)物的聲散射；大洋深處的湍流、渦旋對(duì)聲波傳播的影響以及海洋動(dòng)力噪聲、水下噪聲和海洋生物發(fā)聲等；逆問(wèn)題：反過(guò)來(lái)又可應(yīng)用上述的聲傳播信號(hào)特征尋求海洋內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和邊界狀態(tài)，如聲學(xué)方法監(jiān)測(cè)大洋溫度等，則為海洋聲學(xué)的逆問(wèn)題。逆問(wèn)題在開(kāi)發(fā)海洋和研究海洋方面具有可觀的潛力。第4頁(yè)，課件共21頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.3海水中聲能的損失海水、海面和海底構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜的聲傳播空間，聲波通過(guò)這個(gè)空間時(shí)，聲信號(hào)將減弱、延遲和失真，并損失部分聲能。引起聲能損失的原因有：聲能在空間擴(kuò)展；海水介質(zhì)的吸收；海中氣泡、浮游生物和海水團(tuán)塊的散射；波動(dòng)海面的反射與散射；以及海底沉積層的反射和吸收等。第5頁(yè)，課件共21頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.3.1海水的聲吸收海水聲吸收是將聲能變?yōu)椴豢赡娴暮Ｋ肿觾?nèi)能，聲在流體介質(zhì)中的傳播過(guò)程近似地認(rèn)為是絕熱過(guò)程。根據(jù)彈性理論，縱向應(yīng)力由切變和壓縮應(yīng)力組成，聲波對(duì)介質(zhì)狀態(tài)的擾動(dòng)直接由壓力變化引起；或者是由于體積變化時(shí)相伴生的溫度升、降所致。流體介質(zhì)存在粘滯性與導(dǎo)熱性，介質(zhì)因壓縮變形而引起聲能耗散稱(chēng)為機(jī)械能耗散。動(dòng)態(tài)壓縮時(shí)，分子間的非彈性碰撞使部分聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，通常稱(chēng)這部分聲吸收為由分子過(guò)程引起的聲吸收。第6頁(yè)，課件共21頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.3.2海面波浪的聲散射如果海面平靜如鏡，可以看作理想的聲反射面。聲波在其上反射后，只有相位變化沒(méi)有能量損失。波動(dòng)的海面有大量的氣泡和浮游生物，既是聲的反射界面又是聲的散射體。海面波浪可看作兩部分疊加，即周期波(或準(zhǔn)周期波)和隨機(jī)波的疊加。用周期、波長(zhǎng)和波高等量描述波浪的特性，同時(shí)也用隨機(jī)過(guò)程的能量譜的概率密度分布、方差、相關(guān)函數(shù)等描述波浪特征。聲波入射到具有波浪的海面即相當(dāng)于入射到周期變化的不平整表面，因不平整性、氣泡和浮游生物的散射，一部分聲能彌散到其它方向而損失，只有那些遵從折射定律的聲波到達(dá)接收點(diǎn)。所損失的聲能與海況和浮游生物有關(guān)。第7頁(yè)，課件共21頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.4海水中聲學(xué)特性1.4.1海底聲學(xué)特性海底是海洋的另一個(gè)聲反射和散射界面，它雖然是靜止不動(dòng)的，但海底表面粗糙不平，其組成成分因地而異，可從軟泥、沙質(zhì)到堅(jiān)硬的巖石。海底沉積層各層的密度不同，因而各層的聲速值也不同；相同的組成成分又因孔隙率的不同其聲速值也不同。聲波經(jīng)過(guò)海底不僅有縱波也產(chǎn)生橫波。因此海底的聲反射系數(shù)和海底底質(zhì)的聲吸收是表征海底聲學(xué)特征的重要物理量。海底的反射系數(shù)與海底的密度和其中的聲速度有關(guān)，由于海底沉積物及分層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，實(shí)際測(cè)量中僅能測(cè)其綜合效果即海底反射損失，以分貝(dB)表示。從現(xiàn)有資料可知，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為海底的吸收系數(shù)與頻率的關(guān)系接近線性關(guān)系。表面波浪和大量氣泡引起的散射使聲能損失了一部分。第8頁(yè)，課件共21頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月深海水下聲道聲的超遠(yuǎn)距離傳播稱(chēng)為聲道現(xiàn)象。世界各大洋區(qū)都有水下聲道。用射線的概念，很容易解釋水下聲道現(xiàn)象。大洋中各層海水的溫度、鹽度、靜壓力不同，各層的聲速也相應(yīng)不同。在溫帶和熱帶的大洋深水區(qū)，由于水溫隨深度增加而下降，在某個(gè)深度上壓力對(duì)聲速有顯著影響，使c(z)曲線有極小值。若將聲源置于聲速極小值所在處，從聲源向各方向輻射的聲線束將按圖10-10（圖略）中的路徑向聲速極小值所在的水層彎曲。此時(shí)聲速極小值上下的水層有類(lèi)似透鏡聚焦的作用，將聲能的大部分限制在此水層間。聲速極小值所在的深度為聲道軸。根據(jù)折射定律，從聲源向各方向輻射的聲線經(jīng)過(guò)一段距離后，重新會(huì)聚在聲道軸上下的水層中，所輻射的大部分聲能被限制在聲道軸上下具有一定厚度的水層中傳播，能量損失最小，聲能大部分集中的水層稱(chēng)為聲道。在極地海域，聲道軸上升到冰層以下的水面附近。有些近岸的大陸架海區(qū)，聲道軸約在水下60～100m附近，這種情況稱(chēng)為表面聲道。有的海區(qū)有兩個(gè)聲道：一個(gè)是表面聲道，另一個(gè)是水下聲道。表面聲道常常是不穩(wěn)定的，聲波在表面聲道中不如在水下聲道中傳播得遠(yuǎn)。這是因?yàn)榈?頁(yè)，課件共21頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.4.2淺海表面聲道中國(guó)沿海廣闊海域大部屬于淺海大陸架海域，深度大多在200m以內(nèi)。聲吶在冬季的作用距離比夏季遠(yuǎn)得多。這是因?yàn)槎镜膫鞑l件為波導(dǎo)型，而夏季為反波導(dǎo)型傳播。中國(guó)大陸架淺海區(qū)冬季水溫鉛直分布基本上是均勻的，而由于靜壓力作用，下層聲速略大于上層，形成弱的表面聲道。如果發(fā)射器有方向性，聲波在其間傳播，除海面波浪和氣泡的散射外，能量損失較小，因此傳播距離相對(duì)增加。其它季節(jié)里，多數(shù)海區(qū)出現(xiàn)溫度躍層。在中國(guó)近海黃海海區(qū)夏季可形成強(qiáng)的溫躍層，其它如渤海、東海也有弱的溫躍層。春季出現(xiàn)的溫躍層較弱，躍層的深度也較淺，秋季躍層逐漸變?nèi)?，至冬季上層變?yōu)榛旌蠈踊蛉醯呢?fù)梯度，此種傳播條件形成了淺海表面聲道。第10頁(yè)，課件共21頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.4.3海洋中聲的波導(dǎo)傳播和反波導(dǎo)傳播在圖10-7a（圖略）中聲線沒(méi)有經(jīng)過(guò)海底而彎向海面反射回來(lái)，在此情況下不存在海底吸收和散射，所以冬季聲能的傳播距離較夏季遠(yuǎn)得多。這種聲線傳播路徑稱(chēng)為海洋中聲的波導(dǎo)傳播。于炎熱夏季的淺海中聲速隨深度的分布多為負(fù)梯度，從聲源輻射的聲線束彎向海底(10-7b)。由于海底對(duì)聲波的吸收和散射，經(jīng)海底反射回來(lái)的聲能減弱；特別是在圖中斜線表示聲的影區(qū)內(nèi)，沒(méi)有直達(dá)聲，只有散射聲。所以聲的傳播距離受到極大的限制，這就是在10.1.1中所說(shuō)的“午后效應(yīng)”。這種聲的傳播路徑稱(chēng)為反波導(dǎo)型傳播。海水的溫度不僅隨深度變化，也隨晝夜變化，因此傳播條件是不穩(wěn)定的。表層溫度比底層愈高，則聲線愈向海底彎曲，傳播的條件也愈差。夏季熱而無(wú)風(fēng)的天氣，表層溫度很高，故聲的傳播條件最差。第11頁(yè)，課件共21頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.5海洋的環(huán)境噪聲看作干擾或視為信號(hào)，這取決于觀察者的意圖。通常稱(chēng)海洋本身的噪聲為環(huán)境噪聲，包括海浪飛濺形成的噪聲、風(fēng)與海浪表面相互作用產(chǎn)生的噪聲、擊岸浪發(fā)出的聲音、雨滴聲、海洋湍流、生物噪聲、海水分子熱運(yùn)動(dòng)所輻射的噪聲、遠(yuǎn)處航船噪聲和沿岸工業(yè)噪聲(指已形成平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程的隨機(jī)噪聲)、地震擾動(dòng)形成的低頻聲波、冰層破裂產(chǎn)生的噪聲、火山爆發(fā)以及遠(yuǎn)處風(fēng)暴引起的噪聲等等。頻率從人耳聽(tīng)不到的超低頻直到超聲頻段。在低頻范圍，海洋環(huán)境噪聲聽(tīng)起來(lái)像低沉的隆隆聲；在高頻段則像煎炸爆裂的咝咝聲。上述的噪聲源中有一些被稱(chēng)做間歇噪聲源，如能發(fā)聲的海洋生物。甲殼類(lèi)的蝦群，人們用水聽(tīng)器在海中測(cè)聽(tīng)到許多間歇性的嗚聲、哼聲、音節(jié)聲、呻吟聲、吼聲等，大半都是由海洋生物發(fā)出的。時(shí)、空分布：是無(wú)規(guī)則的、運(yùn)動(dòng)的。第12頁(yè)，課件共21頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2海洋的光學(xué)性質(zhì)主要研究海洋水體的光學(xué)性質(zhì)、光在海中的傳播規(guī)律、激光與海水的相互作用以及光學(xué)波段探測(cè)海洋的方法與技術(shù)。核心問(wèn)題：海洋輻射傳遞的研究或光在海洋中傳播規(guī)律的研究成為海洋光學(xué)基礎(chǔ)研究。海洋光學(xué)調(diào)查的主要目的就是調(diào)查海洋的光學(xué)性質(zhì)或光在海中的傳播規(guī)律，同時(shí)由海洋光學(xué)參數(shù)的測(cè)量獲取各類(lèi)海洋學(xué)參數(shù)，以便進(jìn)行海洋光學(xué)的各種研究。第13頁(yè)，課件共21頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月研究過(guò)程：19世紀(jì)初，人們?cè)谶M(jìn)行海洋調(diào)查時(shí)，用一個(gè)直徑30cm的白色圓盤(pán)(透明度盤(pán))垂直沉入海水中，直到剛剛看不見(jiàn)為止時(shí)的深度，這一深度叫海水的透明度。將透明度盤(pán)提升至透明度一半深度處，俯視透明度盤(pán)之上水柱的顏色，稱(chēng)為海水的水色。19世紀(jì)末，海洋學(xué)工作者把海水光學(xué)性質(zhì)的研究和海洋初級(jí)生產(chǎn)力結(jié)合起來(lái)，并測(cè)量了海洋的輻照度。20世紀(jì)30年代到60年代是海洋光學(xué)的形成階段。研制了水中輻照計(jì)、水中散射儀、海水透射率計(jì)、水中輻亮度計(jì)等海洋光學(xué)儀器，系統(tǒng)地測(cè)量了海水的衰減、散射和光輻射場(chǎng)的分布，積累了基本的海洋光學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)；對(duì)光在海洋中的傳播規(guī)律，尤其是海洋輻射傳遞理論也進(jìn)行了基本的研究。60年代中期到80年代是海洋光學(xué)的發(fā)展階段。近代光學(xué)、激光和光學(xué)遙感技術(shù)的發(fā)展大大開(kāi)拓了海洋光學(xué)的研究領(lǐng)域，多光譜衛(wèi)星遙感技術(shù)已成為探測(cè)海洋的重要手段。第14頁(yè)，課件共21頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1海洋光學(xué)中的一些輻射量海洋光學(xué)中有兩個(gè)基本的輻射度量，用于描述海中光場(chǎng)的分布。是輻亮度L，它是指沿特定方向垂直于單位截面積并沿此方向單位立體角的輻射量大??；輻照度E，它表示單位面積接收到的輻射量第15頁(yè)，課件共21頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2海-氣交界面的光學(xué)性質(zhì)入射到海水表面的光，一部分被反射回空氣中，一部分折射到海中。光在海面的反射和折射遵從光的反射定律和折射定律。海面受到風(fēng)作用時(shí)產(chǎn)生隨機(jī)起伏，這種風(fēng)生的海面斜率的隨機(jī)分布屬于高斯分布，故海面的均方斜率和風(fēng)速成正比。在太陽(yáng)高度較小或觀察角較大的情況下，當(dāng)風(fēng)速增加時(shí)，海面均方斜率的增加使海面平均入射角減小，導(dǎo)致海面平均反射系數(shù)減小。在太陽(yáng)高度較大或觀察角較小的情況下，當(dāng)風(fēng)速增加時(shí)，海面均方斜率雖然增加，但平均入射角變化不大，因此海面平均反射系數(shù)幾乎不隨風(fēng)速而變。第16頁(yè)，課件共21頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.3光在海水中的衰減光進(jìn)入海中，受到海水的作用將衰減。即使最純凈的水，這種衰減也是很?chē)?yán)重的。引起衰減的物理過(guò)程有兩個(gè)：吸收和散射。（1）海水中光的吸收：光能量在水中損失的過(guò)程就是吸收。吸收也存在不同的物理過(guò)程：有些光子是在它的能量變?yōu)闊崮軙r(shí)損失了，有些光子被吸收后由一種波長(zhǎng)變?yōu)榱肆硪环N波長(zhǎng)的光。（2）海水中光的散射：散射時(shí)，光子沒(méi)有消失，只是光子的前進(jìn)方向發(fā)生了變化。也導(dǎo)致水中準(zhǔn)直光束能量的衰減海水中引起光散射的因素很多，主要有水分子和各種粒子，包括懸移質(zhì)粒子、浮游植物及可溶有機(jī)物粒子等。散射的機(jī)制主要有兩種：瑞利散射和米氏散射。水分子散射遵從瑞利散射規(guī)律；粒子的散射遵從米氏散射規(guī)律。清潔大洋水主要是水分子散射，沿岸混濁水主要是大粒子散射。第17頁(yè)，課件共21頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.4海洋光學(xué)儀器測(cè)量海洋光學(xué)性質(zhì)的儀器可分為兩類(lèi)：①測(cè)量海水固有光學(xué)性質(zhì)的儀器。因?yàn)楣逃泄鈱W(xué)性質(zhì)不受環(huán)境條件的影響，可采樣在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)量，也可在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，故這類(lèi)儀器又分為實(shí)驗(yàn)室儀器和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)x器兩種。②測(cè)量海洋表觀光學(xué)性質(zhì)的儀器。因?yàn)楸碛^性質(zhì)都與環(huán)境有密切的關(guān)系，故必須在現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)。1）測(cè)定海水固有光學(xué)性質(zhì)的儀器：測(cè)定體積衰減系數(shù)的c儀(或準(zhǔn)直光透射率儀)、測(cè)定體積散射函數(shù)的β儀、測(cè)定總散射系數(shù)的b儀，其中β儀和b儀都稱(chēng)為水中光散射儀。2）測(cè)定表觀光學(xué)性質(zhì)的儀器：輻照度儀和輻亮度儀。第18頁(yè)，課件共21頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.5水中光的輻射傳遞理論海洋輻射傳遞是研究光輻射通過(guò)海洋水體受到多次散射和光譜吸收所導(dǎo)致的海洋中輻射場(chǎng)的變化。海洋輻射傳遞理論是海洋光學(xué)的基本理論，它是水中能見(jiàn)度、激光水中傳