第十章海洋中的聲、光傳播及其應(yīng)用聲波在海洋中的傳播(TransmissionofSoundintheSea)一．研究意義(Significanceofresearch)水下通訊：電磁波(ElectromagneticWave)，聲波(Acousticwave)，空氣中傳播，水中傳播1914朗之萬、康斯坦丁制成了靜電式發(fā)射器和碳粒微音接收器，1918年采用這一裝置測到海底和200m深甲板上的回波。同時(shí)又用石英晶體做成壓電式發(fā)射器和接收器并采用真空管放大器，制成第一臺回聲定位儀，以后簡稱:聲納（sonarsoundnavigationandranging)聲導(dǎo)航和回聲定位的英文縮寫。二．聲波知識(Knowledgeofacousticwave)：1、聲波是彈性波，在彈性介質(zhì)中傳播，是縱波。水中聲速為1500m/s，空氣中為330m/s。2、聲場：聲波作用的空間范圍。3、聲波頻率(frequencyofsonic)：聲源每秒振動次數(shù)，單位赫茲(Hz)。人耳可聽到的最高頻率為20KHz，因此該頻率以上的聲波稱為超聲波(ultrasonic)；可聽到的最低頻率為20Hz，低于此的稱為次聲波(infrasound)。4、聲線：波長與介質(zhì)的不均勻尺度相比可忽略，以射線方法定性描述聲波傳播軌跡?；谡凵涠伞?、折射(refraction)、反射(reflection)定律：聲線總是向聲速小的方向彎曲。三．聲波在水中傳播的速度(Soundspeedinwater)1、聲速(soundspeed)：是溫、鹽和壓的函數(shù)2、聲速與溫、鹽、壓關(guān)系1)與溫度關(guān)系：隨溫度升高而增大，溫度升高1攝氏度聲速的變化是原來的35%，設(shè)C=1450m/s，則聲速將增大5m/s。2)與鹽度關(guān)系：隨鹽度增加而增大，鹽度增加1，聲速值增加1.14m/s。3)與壓力關(guān)系：靜壓力增加，聲速值增加。海水深度變化100m，聲速增量為1.75m/s。由上可見，聲波在水下傳播隨溫、鹽、壓的增大而增大其中溫度影響最顯著，其次是壓力，通常鹽度的變化多忽略，除非極特殊海區(qū)。3、聲速垂直分布(verticaldistributionofsoundspeed)：1）一般海區(qū)GS很小，可忽略。實(shí)際應(yīng)用中以聲速梯度儀直接得出聲速鉛直剖面c(z)曲線。水平方向聲速是不均勻，但水平梯度較鉛直梯度為小。在復(fù)雜海區(qū)（冷暖水團(tuán)交混區(qū)）必須考慮聲速的水平梯度。2）大西洋、太平洋和地中海都存在聲速極小值，極小值所在平面稱聲道軸。聲波在其可傳播很遠(yuǎn)，此即水下聲道現(xiàn)象(soundchannel)。四．海洋聲學(xué)特性(Acousticcharacterofocean)1、海水的聲吸收(acousticabsorption)：將聲能變?yōu)椴豢赡娴暮Ｋ肿觾?nèi)能流體介質(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為機(jī)械能耗散。動態(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?，通常稱這部分聲吸收為由分子過程引起的聲吸收。2、海面波浪的聲散射(acousticscatter)：因不平整性、氣泡和浮游生物的散射，聲能彌散到其他方向而損失。3、海底聲學(xué)特性(acousticcharacterofseafloor)：聲波經(jīng)過海底不僅有縱波也產(chǎn)生橫波。反射和吸收是海底聲學(xué)的重要物理量。與海底的密度和其中的聲速度有關(guān)。海底巖石組成、表面粗糙度、密度及孔隙率有關(guān)。4、海洋內(nèi)部不均勻性對聲波影響(effectofasymmetryofoceantoacousticwave)：氣泡、冷暖水體、湍流、內(nèi)波和深水聲散射層等，都可引起聲場起伏。五、聲波在海洋中的傳播(Transmissionofsoundinsea)典型水位條件下的聲傳播波導(dǎo)型：(dc/dz)>0，即聲速隨深度增加而增大，聲線向上彎曲，在海面或某層反射向前傳播，不存在海底的吸收和散射，聲能傳播距離遠(yuǎn)。多見于冬季淺海和深海2000m以下。在淺海亦稱表面聲道。聲吶在淺海冬季比夏季傳播遠(yuǎn)。反波導(dǎo)型：(dc/dz)<0，聲線彎向海底，由于海底對聲波的吸收和散射，經(jīng)海底反射回來的聲能減弱，且存在聲陰影區(qū)。聲傳播距離受到限制。夏季淺海的“午后效應(yīng)”。分裂型：某層存在聲速最大層，聲能部分向上部分向下折射，使到達(dá)某區(qū)的聲能減小，存在聲陰影區(qū)。秋季，混合層下出現(xiàn)溫躍層(Thermohaline)。水下聲道(sofarchannel)：由躍層效應(yīng)，在溫躍層以下深水區(qū)，水溫隨深度增加變化減小，壓力對聲速的影響顯著，使c(z)曲線有極小值。若聲源在此附近，從聲源發(fā)出的聲線束將向聲速極小值所在的水層彎曲，此時(shí)聲能大部分限制在此水層間，沒經(jīng)過海面和海底的反射、散射和吸收，聲能損失很少，像在水下存在一聲能傳播的通道，因此傳播距離很遠(yuǎn)，稱水下通道。Atabout1000mthecombinationofsaltcontenttemperatureandpressurecreatesazoneofminimumvelocityforsound,that'sthesofarchannel。.按聲道軸（聲速最小層所在水層）所處位置可分：深水聲道(或水下聲道)和淺水聲道（或表面聲道），前者深度各大洋不同，大西洋中緯1260m附近，太平洋中緯則900m深的地方。后者常不穩(wěn)定，因?yàn)楸砻娌ɡ撕痛罅繗馀菀鸬纳⑸涫孤暷軗p失了一部分能量。水下聲道的應(yīng)用：在三個(gè)不同方位設(shè)置聲發(fā)（SOFAR）系統(tǒng)，用于海上救援等。六、海洋噪聲(Noiseinocean)物理噪聲：來自海洋介質(zhì)本身運(yùn)動，波浪、海流、湍流及冰層破裂等產(chǎn)生的噪聲。生物噪聲：動物噪聲，鯨、海豚、蝦群碰撞等引起的噪聲。海洋噪聲源在空間的分布是無規(guī)則的、運(yùn)動隨時(shí)間無規(guī)則變化。海洋中的光現(xiàn)象(LightintheSea)一、研究意義(Significanceofresearch)生物(organism)：植物(plant)，光合作用(photosynthesis)；動物(animal)，晝夜遷棲習(xí)慣。區(qū)分水團(tuán)和海流：光的散射(Scatter)和吸收(Absorption)與懸浮物質(zhì)(SuspendMaterial)、混濁度(Turbidity)有關(guān)。海洋熱力狀況：海水吸收輻射能主要在表層。海底攝影二、海水的光學(xué)特性(Opticalcharacterofseawater)太陽輻射能譜：紅外(infrared)、可見(visible)、紫外線(ultravioletradiation)。反射(reflection)與折射(refraction)1、海水對光的吸收(absorption)光能量在水中損失的過程就是吸收。有選擇性，長波優(yōu)先?！八{(lán)色窗口”。與海水渾濁度有關(guān)，混濁度大，“窗口”向長波轉(zhuǎn)移。海水中“黃色物質(zhì)”影響對光吸收與純水不同。隨深度增加指數(shù)衰減。2、海水對光的散射(scatter)散射系數(shù)隨深度增加指數(shù)衰減。分子散射：瑞利定律粒子散射：梅氏效應(yīng)3、海水對光的衰減(attenuation)：既是吸收和散射。衰減系數(shù)等于吸收系數(shù)和散射系數(shù)之和。三、透明度和水色(Transparency&Watercolor)1、定義(Definition)：1)透明度(transparency):相對透明度：直徑30cm的白色圓盤垂直沉入海水中，直到剛看不見為止的深度。透明度儀：一束準(zhǔn)平行光束，經(jīng)過一段距離后其光能強(qiáng)度與原強(qiáng)度之比。L=1/γ為衰減長度。2)水色(watercolor)：將透明度盤提升至透明度一半深度處，俯視透明度盤之上的水柱顏色。由海水的光學(xué)性質(zhì)決定。水色計(jì)3）海色(seacolor)：站在岸邊觀察的海水的顏色。主要是反映天空的顏色。2、透明度和水色的分布(Distributionoftransparency&watercolor)：二者分布一致。淺海透明度小，水色低；遠(yuǎn)洋透明度大，水色高。低緯透明度大，水色高；高緯透明度小，水色低。其分布與海流方向一致。四、光與海洋生物(Lightandmarineorganism)生物對光的吸收和散射生物發(fā)光(noctilucence)：受激發(fā)光，自然發(fā)光——海洋的神秘現(xiàn)象生物對光的利用：光合作用(photosynthesis)第十章參考文獻(xiàn)列·布列霍夫斯基。海洋聲學(xué)。北京：科學(xué)出版社，1983：1