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5声与海洋
5．1水声学中的基本概念
在人们所熟知的各种辐射形式中，以声波在海水中的传播为最佳．在混浊和含盐的海水中，无论光波或电磁波的衰减都远较声波的衰减为大．
我们在5.2中已介绍过，水声中取具有均方根声压1μPa（微帕），即1×10－6N·m－2（牛顿·米－2）的平面波声强为声强的单位．
海洋及其边界的详细特征对声传播的影响是非常复杂的．声速是温度、深度和盐度的函数．而温度又是深度、季节、地理位置（纬度）和气候条件的函数．海洋表面有时是非常光滑的反射体，有时又是随机散射声波的非常粗糙且扰动的表面，海底的构造、斜度及粗糙度也是变化多端的．所有这些因素都影响声的传播．声束与海面及海底边界相互作用的效果产生了最终的声传播特性．
根据实验结果与理论分析，声速的典型公式如下：
c=1449+4.6T－0.055T2+0.0003T3+（1.39－0.012T）
（S－35）+0.017Z（5.16）
式中c为声速（m·s－1），T为温度（℃），S为盐度，Z为深度（m）．
讨论声速随深度变化的特性时，最好是将海洋划分成如图5－5所示的一系列水平分层，称为声速剖面．
海水的表面层从海面扩展到约150m深度，这一层受局部气候甚至一天中不同时刻的影响很大．在平静的海况下，水温随着表面层的深度而迅速降低，导致了很强的声速负梯度．
表层以下的水温受风暴或瞬变因素的影响很小，但随季节却有很大的变化．此层被称为季节温度跃变层．它延伸到300m左右，并具有负梯度的特征．第三层具有温度负梯度结构，被称为主温跃层．随着深度的增加，温度减小到接近冰点，声速逐渐下降到最小值，在中纬度区，这一深度大约在1000m左右，称为深道轴．最下面一层为等温层．此层中声速随深度而增加，所以是正声速梯度．
我国近海基本上是浅海大陆架．声速剖面图随季节变化更大．一般在冬天是等温层，而到夏天会出现明显的负梯度或负跃层．
1．海洋表面的声损失
在空气和水的分界面，由于阻抗严重不匹配，反射系数近似为－1．当声波波长甚大于波高时，反射声损失基本上为零．
2．海底的反射损失
即使海底是绝对平面，反射过程也相当复杂．入射到海底的声能一部分被传输到海底沉积物中，一部分被反射．据实际测量，对于沙质海底，反射损失约为7dB．
3．海洋中的声吸收
声波在海水中传播时，部分能量以热能的形式耗散掉．我们可以用传播损失TL来刻划由于声吸收带来的传播方面的损失．若用分贝来表示可以写成
TL=20lgr+10lg[exp（br）]（5.17）
其中r为距离，b为指数衰减因子．声吸收的大小与声波的频率有很大关系．
4．海洋噪声
海洋噪声的来源有自然的也有人为的．不同的噪声源呈现不同的方向特性和频谱特性．自然噪声源有地震的扰动，风、雨使海面的搅动和水分子的热运动．各种发声的鱼类也对海洋噪声做出贡献．人为的噪声指的是远处航船产生的噪声．
5．混响
海洋本身和其界面包含着许多不同类型的不均匀性，其尺度小至灰尘那么大的粒子（它使深海成为蓝色），大至海水中的鱼群和海底的峰峦与海底山脉．这些不均匀性形成媒质物理性质上的不连续性，因而就阻挡照射到它们上面的一部分声能，并把这部分声能再辐射回去．这种现象称为散射．来自所有散射体的散射成分的总和称作混响．
如果往水下扔一颗手榴弹，那么在炸药爆炸之后，我们还会听到一阵长的，慢慢变弱的颤动的声响，这就是混响．
5．2射线理论与简正波理论
在5.2中我们已给出了描述理想均匀媒质中平面波和球面波传播的方程．实际上，影响声在海洋中传播的因素在三维空间中是变化的．同样也可随时间变化．在水声学中，特别重要的还是随深度的变化．从声速剖面来看，海洋好象是被分层的．从水和空气的分界面开始，到海底的各种沉积层为止．
波动方程的一般形式就是式（5.11）给出的偏微分方程．这个方程的解是与初始条件和边界条件有关的．有两种方法可以解这个方程．
一种是简正波理论．它用称为简正波的特征函数来描述声传播．每一特征函数都是波动方程的一个解．把简正波叠加起来，以满足边界条件和源条件，其结果就是一个复杂的数学函数．虽然它适于在计算机上进行数值计算，但在直观上不容易理解声源能量在时间与空间上的分布．简正波理论比较适于描述浅海中的声传播．
波动方程的另一种解法是射线理论．它的出发点是声波在传播过程中存在波阵面．从声源发出的声能沿着射线传到空间各处．射线声学有很大的直观的优点，它用声线图给出传播的图像．它的缺点是不能给出波动方程的精确的解．
由于波动方程求解十分复杂，超出本书的范围，我们在此不详谈．
5．3声呐声呐方程
声呐（Sonar）一词是第二次世界大战期间由声音（Sound）、导航（Navigation）和测距（Rang－ing）三个英文单词的字头构成的．它是利用声波判断海洋中物体的存在、位置及类型的设备．在军事上，它是海军的重要电子设备．在民用方面，又是海洋开发不可缺少的手段．
图5－6给出了一个基本的声呐系统的模型．它有两种工作方式．第一种称为主动声呐．由发射换能器把电信号变为声信号，在水下发射出去．当它照射到一个目标时，反射信号或称“回波”就被接收换能器收到，再变换为电信号送给接收机．第二种称为被动声呐，目标由于它所辐射的噪声而被发现．
对于工程应用来说，声呐方程是用于设计声呐与对声呐性能作出预估的最有力的工具．它把与声呐设计有关的各种参数以等号的形式联系在一起．正确地在各种参数之间作出选择就可能设计出适合各种特殊用途的声呐设备来．
在声呐方程中，出现的参数可以分为三类．
1．由声呐系统决定的参数：
SL：发射时的指标声压，即离发射换能器1m处所接收到的声压．
GS：声呐系统的空间增益．它是由多个换能器布阵而取得的．用于发射系统时，也用DI来表示．
GT：声呐系统的时间增益．它是由信号处理系统在时间上的积累而取得的．
DT：检测阈，它表示声呐员判断有目标时所必需的最小输出信噪比．
2．由目标决定的参数：
SL：辐射噪声源的指标声压级（即离辐射源1m处所接收到的声压），又称为声源强度．
TS：目标强度，表示目标截获声能并将它重新辐射出去的能力．
3．由环境决定的参数：
NL：背景噪声级，它可以仅仅由自然噪声构成，也可能由自然噪声加混响和舰艇的自噪声构成．
TL：传播损失，表示在水声信道中从1m处到某一距离的传播损失．
我们先介绍主动声呐方程．设指标声压为SL．当它传输到距发射换能器为r的目标时，变为SL－TL．由于目标强度为TS，所以当信号重新被辐射出来时，声压为SL－TL+TS．经过同样的传播损失，在到达接收水听器时，成为SL－2TL+TS－NL，加上增益GS及GT应等于最小可检测信噪比，即
SL－2TL+TS－NL+GS+GT=DT（5.18）
再来讨论被动声呐方程．假定目标辐射噪声的指标声压为SL．经过距离为r的衰减变为SL－TL．水听器所接收到的应是SL－TL－NL．经接收机处理之后获得增益GS+GT，于是
SL－NL－TL+GS+GT=DT（5.19）
声呐方程可以方便地用于计算声呐的作用距离．
5．4海洋开发中的水声学
人类赖以生存的地球，海洋占表面积的70%．开发和利用海洋是人类生产、生活的重要活动．据估计，海底石油、天然气的储量约占地球总蕴藏量的50%左右．大洋洋底分布的锰结核约有15000亿吨．海洋每年大约可以为人类提供30亿吨食物．海洋中大约有80种化学元素．大洋的变化又是地球气候变化的重要因素．
几乎每一项开发海洋的工程活动都或多或少地与水声学有关．
1．海洋环境参数测量
（1）波浪测量