第十章 海洋中的声光传播

第十章海洋中的声、光传播1海洋声学1.1水声学与海洋声学的发展水中的各种能量辐射形式中，以声波的传播性能为最好，在含有盐、气泡和浮游生物的海水中，光波和电磁波的衰减都非常大。它们的传播距离较短，远不能满足人类在海洋活动中的需要。因此，在水下目标探测、通讯、导航等方面均以声波做为水下唯一有效的辐射能。发现过程：第一次大战期间，由于德国的潜艇活动，约4000多艘同盟国舰船被击沉，这个数目相当于同盟国拥有舰船的三分之一，从而迫使同盟国集中很大力量去研究同潜艇做斗争的手段。1914年郎之万、康斯坦丁首先做成了电容(静电式)发射器和碳粒微音接收器。1918年利用这样的发射和接收器，接收到来自海底的回波和于200m深处一块甲板的回波。同时，郎之万等人用石英晶体做成压电式发射器和接收器，并采用了刚研制成的真空管放大器，制成第一台回声定位仪，以后简称声呐(sonar)。“声呐”名称的由来，是仿照雷达一词对“声导航和回声定位”的英文“soundnavigationandranging”的缩写。用途：除军事的用途之外，也广泛应用于声导航系统、探鱼、测深和海底地形测绘、海底底质剖面结构等方面。目前水声技术已是开发海洋和研究海洋广泛采用和行之有效的手段，如水下通讯、声遥测遥控、数据图像传输，以及用声波遥测海洋涡旋的运动和变化与全球海洋温度的监测等方面。声波在海洋中的传播规律与海洋环境的定量关系：取决于海洋的边界条件、海水的温、盐分布、海水中含有成分(如MgSO4)对声波的吸收等；而且还受到海洋动力因素和海洋时空变化的制约。1.2海洋声学研究内容正问题：因海洋中的声速铅直分布不均匀而形成的深海声道传播特性，以及声的波导传播与非波导传播；海水因含MgSO4等化学成分引起的超吸收；对远距离传播有极大影响的海底沉积层的声学特性；沉积层的分层结构和海底的不平整地形等的反射损失和散射；内波引起声传播振幅和相位的起伏；海洋水层中浮游生物群和游泳动物的声散射；大洋深处的湍流、涡旋对声波传播的影响以及海洋动力噪声、水下噪声和海洋生物发声等；逆问题：反过来又可应用上述的声传播信号特征寻求海洋内部的运动规律和边界状态，如声学方法监测大洋温度等，则为海洋声学的逆问题。逆问题在开发海洋和研究海洋方面具有可观的潜力。1.3海水中声能的损失海水、海面和海底构成一个复杂的声传播空间，声波通过这个空间时，声信号将减弱、延迟和失真，并损失部分声能。引起声能损失的原因有：声能在空间扩展；海水介质的吸收；海中气泡、浮游生物和海水团块的散射；波动海面的反射与散射；以及海底沉积层的反射和吸收等。1.3.1海水的声吸收海水声吸收是将声能变为不可逆的海水分子内能，声在流体介质中的传播过程近似地认为是绝热过程。根据弹性理论，纵向应力由切变和压缩应力组成，声波对介质状态的扰动直接由压力变化引起；或者是由于体积变化时相伴生的温度升、降所致。流体介质存在粘滞性与导热性，介质因压缩变形而引起声能耗散称为机械能耗散。动态压缩时，分子间的非弹性碰撞使部分声能转变为热能，通常称这部分声吸收为由分子过程引起的声吸收。1.3.2海面波浪的声散射如果海面平静如镜，可以看作理想的声反射面。声波在其上反射后，只有相位变化没有能量损失。波动的海面有大量的气泡和浮游生物，既是声的反射界面又是声的散射体。海面波浪可看作两部分叠加，即周期波(或准周期波)和随机波的叠加。用周期、波长和波高等量描述波浪的特性，同时也用随机过程的能量谱的概率密度分布、方差、相关函数等描述波浪特征。声波入射到具有波浪的海面即相当于入射到周期变化的不平整表面，因不平整性、气泡和浮游生物的散射，一部分声能弥散到其它方向而损失，只有那些遵从折射定律的声波到达接收点。所损失的声能与海况和浮游生物有关。1.4海水中声学特性1.4.1海底声学特性海底是海洋的另一个声反射和散射界面，它虽然是静止不动的，但海底表面粗糙不平，其组成成分因地而异，可从软泥、沙质到坚硬的岩石。海底沉积层各层的密度不同，因而各层的声速值也不同；相同的组成成分又因孔隙率的不同其声速值也不同。声波经过海底不仅有纵波也产生横波。因此海底的声反射系数和海底底质的声吸收是表征海底声学特征的重要物理量。海底的反射系数与海底的密度和其中的声速度有关，由于海底沉积物及分层结构的复杂性，实际测量中仅能测其综合效果即海底反射损失，以分贝(dB)表示。从现有资料可知，多数学者认为海底的吸收系数与频率的关系接近线性关系。表面波浪和大量气泡引起的散射使声能损失了一部分。深海水下声道声的超远距离传播称为声道现象。世界各大洋区都有水下声道。用射线的概念，很容易解释水下声道现象。大洋中各层海水的温度、盐度、静压力不同，各层的声速也相应不同。在温带和热带的大洋深水区，由于水温随深度增加而下降，在某个深度上压力对声速有显著影响，使c(z)曲线有极小值。若将声源置于声速极小值所在处，从声源向各方向辐射的声线束将按图10-10（图略）中的路径向声速极小值所在的水层弯曲。此时声速极小值上下的水层有类似透镜聚焦的作用，将声能的大部分限制在此水层间。声速极小值所在的深度为声道轴。根据折射定律，从声源向各方向辐射的声线经过一段距离后，重新会聚在声道轴上下的水层中，所辐射的大部分声能被限制在声道轴上下具有一定厚度的水层中传播，能量损失最小，声能大部分集中的水层称为声道。在极地海域，声道轴上升到冰层以下的水面附近。有些近岸的大陆架海区，声道轴约在水下60～100m附近，这种情况称为表面声道。有的海区有两个声道：一个是表面声道，另一个是水下声道。表面声道常常是不稳定的，声波在表面声道中不如在水下声道中传播得远。这是因为1.4.2浅海表面声道中国沿海广阔海域大部属于浅海大陆架海域，深度大多在200m以内。声呐在冬季的作用距离比夏季远得多。这是因为冬季的传播条件为波导型，而夏季为反波导型传播。中国大陆架浅海区冬季水温铅直分布基本上是均匀的，而由于静压力作用，下层声速略大于上层，形成弱的表面声道。如果发射器有方向性，声波在其间传播，除海面波浪和气泡的散射外，能量损失较小，因此传播距离相对增加。其它季节里，多数海区出现温度跃层。在中国近海黄海海区夏季可形成强的温跃层，其它如渤海、东海也有弱的温跃层。春季出现的温跃层较弱，跃层的深度也较浅，秋季跃层逐渐变弱，至冬季上层变为混合层或弱的负梯度，此种传播条件形成了浅海表面声道。1.4.3海洋中声的波导传播和反波导传播在图10-7a（图略）中声线没有经过海底而弯向海面反射回来，在此情况下不存在海底吸收和散射，所以冬季声能的传播距离较夏季远得多。这种声线传播路径称为海洋中声的波导传播。于炎热夏季的浅海中声速随深度的分布多为负梯度，从声源辐射的声线束弯向海底(10-7b)。由于海底对声波的吸收和散射，经海底反射回来的声能减弱；特别是在图中斜线表示声的影区内，没有直达声，只有散射声。所以声的传播距离受到极大的限制，这就是在10.1.1中所说的“午后效应”。这种声的传播路径称为反波导型传播。海水的温度不仅随深度变化，也随昼夜变化，因此传播条件是不稳定的。表层温度比底层愈高，则声线愈向海底弯曲，传播的条件也愈差。夏季热而无风的天气，表层温度很高，故声的传播条件最差。1.5海洋的环境噪声看作干扰或视为信号，这取决于观察者的意图。通常称海洋本身的噪声为环境噪声，包括海浪飞溅形成的噪声、风与海浪表面相互作用产生的噪声、击岸浪发出的声音、雨滴声、海洋湍流、生物噪声、海水分子热运动所辐射的噪声、远处航船噪声和沿岸工业噪声(指已形成平稳随机过程的随机噪声)、地震扰动形成的低频声波、冰层破裂产生的噪声、火山爆发以及远处风暴引起的噪声等等。频率从人耳听不到的超低频直到超声频段。在低频范围，海洋环境噪声听起来像低沉的隆隆声；在高频段则像煎炸爆裂的咝咝声。上述的噪声源中有一些被称做间歇噪声源，如能发声的海洋生物。甲壳类的虾群，人们用水听器在海中测听到许多间歇性的呜声、哼声、音节声、呻吟声、吼声等，大半都是由海洋生物发出的。时、空分布：是无规则的、运动的。2海洋的光学性质主要研究海洋水体的光学性质、光在海中的传播规律、激光与海水的相互作用以及光学波段探测海洋的方法与技术。核心问题：海洋辐射传递的研究或光在海洋中传播规律的研究成为海洋光学基础研究。海洋光学调查的主要目的就是调查海洋的光学性质或光在海中的传播规律，同时由海洋光学参数的测量获取各类海洋学参数，以便进行海洋光学的各种研究。研究过程：19世纪初，人们在进行海洋调查时，用一个直径30cm的白色圆盘(透明度盘)垂直沉入海水中，直到刚刚看不见为止时的深度，这一深度叫海水的透明度。将透明度盘提升至透明度一半深度处，俯视透明度盘之上水柱的颜色，称为海水的水色。19世纪末，海洋学工作者把海水光学性质的研究和海洋初级生产力结合起来，并测量了海洋的辐照度。20世纪30年代到60年代是海洋光学的形成阶段。研制了水中辐照计、水中散射仪、海水透射率计、水中辐亮度计等海洋光学仪器，系统地测量了海水的衰减、散射和光辐射场的分布，积累了基本的海洋光学参数数据；对光在海洋中的传播规律，尤其是海洋辐射传递理论也进行了基本的研究。60年代中期到80年代是海洋光学的发展阶段。近代光学、激光和光学遥感技术的发展大大开拓了海洋光学的研究领域，多光谱卫星遥感技术已成为探测海洋的重要手段。2.1海洋光学中的一些辐射量海洋光学中有两个基本的辐射度量，用于描述海中光场的分布。是辐亮度L，它是指沿特定方向垂直于单位截面积并沿此方向单位立体角的辐射量大小；辐照度E，它表示单位面积接收到的辐射量2.2海-气交界面的光学性质入射到海水表面的光，一部分被反射回空气中，一部分折射到海中。光在海面的反射和折射遵从光的反射定律和折射定律。海面受到风作用时产生随机起伏，这种风生的海面斜率的随机分布属于高斯分布，故海面的均方斜率和风速成正比。在太阳高度较小或观察角较大的情况下，当风速增加时，海面均方斜率的增加使海面平均入射角减小，导致海面平均反射系数减小。在太阳高度较大或观察角较小的情况下，当风速增加时，海面均方斜率虽然增加，但平均入射角变化不大，因此海面平均反射系数几乎不随风速而变。2.3光在海水中的衰减光进入海中，受到海水的作用将衰减。即使最纯净的水，这种衰减也是很严重的。引起衰减的物理过程有两个：吸收和散射。（1）海水中光的吸收：光能量在水中损失的过程就是吸收。吸收也存在不同的物理过程：有些光子是在它的能量变为热能时损失了，有些光子被吸收后由一种波长变为了另一种波长的光。（2）海水中光的散射：散射时，光子没有消失，只是光子的前进方向发生了变化。也导致水中准直光束能量的衰减海水中引起光散射的因素很多，主要有水分子和各种粒子，包括悬移质粒子、浮游植物及可溶有机物粒子等。散射的机制主要有两种：瑞利散射和米氏散射。水分子散射遵从瑞利散射规律；粒子的散射遵从米氏散射规律。清洁大洋水主要是水分子散射，沿岸混浊水主要是大粒子散射。2.4海洋光学仪器测量海洋光学性质的仪器可分为两类：①测量海水固有光学性质的仪器。因为固有光学性质不受环境条件的影响，可采样在实验室中测量，也可在现场测量，故这类仪器又分为实验室仪器和现场测量仪器两种。②测量海洋表观光学性质的仪器。因为表观性质都与环境有密切的关系，故必须在现场观测。1）测定海水固有光学性质的仪器：测定体积衰减系数的c仪(或准直光透射率仪)、测定体积散射函数的β仪、测定总散射系数的b仪，其中β仪和b仪都称为水中光散射仪。2）测定表观光学性质的仪器：辐照度仪和辐亮度仪。2.5水中光的辐射传递理论海洋辐射传递是研究光辐射通过海洋水体受到多次散射和光谱吸收所导致的海洋中辐射场的变化。海洋辐射传递理论是海洋光学的基本理论，它是水中能见度、激光水中传输、海面向上光谱辐射等应用研究的理论基础。（1）水中能见度即水中视程，它比大气能见度低得多，一般水平