《计算海洋声学》读书笔记
今天开始自学美国物理学会出版的“现代声学与信号处理”丛书之一的《计算海洋声学》一书，英文名称Computational Ocean Acoustics，作者:(美)Jensen F.B. , W.A.Kuperman, M.B.Porter, H.Schmidt，张润中、唐宗瑜译。
本帖笔记为纸质笔记本上的二次摘选。多数为自己的理解，如果正确，权作备忘;如果错误，敬请指正。
希望从今天起，人生有所改观。
第1章 海洋声学基础
1.1 引言
1. 什么是“声掩蔽”,
简单地说就是，由于波的相互干扰，而使得有些波(信号)被“掩盖”了，不易被察觉。
例如，在一个漆黑的房间中，一个手电筒不停地开关开关，这时候，手电筒的光很容易看到，甚至分散人的注意力;如果把房间的灯打开，而手电筒同样还是在不停地开关开关，这时候手电筒的光就不容易被看到了，因为它被 “掩盖”了。
相互干扰的波(信号)所组成的系统，可称为“声掩蔽系统”。如，可以人为地将一些比较顺耳的背景声音加的环境中，“掩蔽”掉分散人注意力的一些声音(信号)，从而改善工作环境，提高工作效率。这就是一种“声掩蔽系统”的工作原理。
2. 什么是“射线理论”,
一般认为“射线理论”针对于“波动理论”，是指粒子运动理论。将物体运动理解为粒子沿曲线(射线)运动，并有运动轨迹。特别在光学和电磁学领域，射线理论和波动理论长期处于争斗之中。爱因斯坦的波粒二象性指出，光既有粒子特性，也有波动特性„„扯远了
声学中的“射线”概念是对波动理论的一种近似而得出的，是研究声波传播的一种重要工具。
1.2 海洋声学环境
1. 声速(c)
声速c是温度T、盐度S、深度z的递增函数。一般经验函数简化地表示为:
c = 1449.2 + 4.6T - 0.055T? + 0.00029T? + ( 1.34 - 0.01T )( S -
35 ) + 0.016z
其中单位，T:摄氏度，S:克(或质量千分数)，z:米。
※ “下午效应”:略(百度百科有)。
2. 海水分层(按声学特性):
混合层(等温层)、温跃层、深海等温层(恒温4?)。
一般在温跃层与深海等温层间有个声速极小值，此深度成为“深海声道轴”。
※ “波导”:实际大气和海洋中，由于边界或者由于介质的不均匀性对波能的折射或反射，使得波能被局限在有限区域或通道内，这样的区域或通道称为波导。
1.3 一些声学预备知识
1. 声强
声传播时也伴随着能量的传播。用单位时间内通过垂直于声波传播方
向的单位面积的能量(声波的能量流密度)表示。声强的单位是瓦/平方米。声强的大小与声速成正比，与声波的频率的平方、振幅的平方成正比。
声音强度由振动幅度的大小决定。以能量来计算称声强，以压力计算表示时称声压。声强(I)与声压(P)的关系为:
I = P?/(ρc) (此时P为有效值，若P为幅值，则 I = P?
/(2ρc) )
其中ρ-介质密度，c-声速。
2. 声强级
为了简化表示，一般用声强级来表示声音的强度(如声源级、噪声级等)。某一处的声强级，是指该处的声强与参考声强的比值，取常用对数后再乘以10，度量它的单位为分贝，符号为dB。如:SIL=10lg(I/Io)，Io表示参考声强。一般公认的参考声强是:均方根声压为1μPa的平面波的声强。
由声强与声压的关系:I = P?/(ρc)，及海水中ρc=1.5*10^6 kg/(m?s)，则1μPa的平面波的声强为0.67*10^-18 W/m?(0dB=1μPa)。
※ 声压级，其实就是声强级写成声压表示的形式:
SPL=20lg(P/Po)。 【I=10lg(I/Io)=10lg(P?/Po?)=20lg(P/Po)，均匀介质】
3. 谱级
考虑带宽时的声强级。常用的参考带宽为1Hz。
4. 传播损失
是信号强度随距离变化的标准量度。定义为:声场中某一点的声强与距离声源1m处的声强之比(取对数乘-10)。简言之，就是某点相对于参考点(声源1m处)的声强级(取负值)。即:
TL = -10 lg [ I(r,z) / Io ] = -20 lg [ |P(r,z)| / |Po| ]
两种主要的几何扩展规律:
球面扩展:I?1/(4πr?)，TL = 20 lg r 【dB re 1m】;
柱面扩展:I?1/(2πrh)，TL = 10 lg r 【dB re 1m】。
※传播损失可认为是“几何扩展损失”与“衰减损失”之和。
20110718海口
?讨论:有关1.2节声速经验公式的讨论。
c = 1449.2 + 4.6T - 0.055T? + 0.00029T? + ( 1.34 - 0.01T )( S -
35 ) + 0.016z
比较容易看出:c是z的增函数，c是S的增函数(T?100);但不易看出;c是否T的增函数，或增区间与S有什么关系。下面来讨论:
c对T的导数:
?c / ?T = 0.00087T? - 0.11T +4.95 - 0.01S = 0.00087(T-63.2184)?
+1.4730-0.01S
是个关于T的二次函数，分情况讨论:
?当S?147.30时，c / T ? 0，此时c恒为T的增函数; ??
?当S>147.30时，?c/?T 的两个零点为:
T1,T2 = ? [ (0.01S-1.4730)/0.00087 ]^? + 63.2184
对于右侧零点:当S?(0.00087×36.7816?+1.4730)×100?265.0011，
即T2?100时，在[T2,100]内有?c/?T?0;
对于左侧零点:当S?(0.00087×63.2184?+1.4730)×100?495.0013，即T1?0时，在[0,T1]内有?c/?T?0;
另外，当S>495.0013时，?c/?T?0，此时在[0,100]内c恒为T减函数。
综上，S取值与T的c增减关系如下:
当 495.0013
A=A0?exp(-
αx) 【A0是x=0时的均方根幅度】
衰减系数常以分贝的形式表示，如:
表示成单位距离的，α'=Loss/x=-20lg(A/A0) /x=20lge?α?8.686α;
表示成单位波长数的，α''=Loss/Nλ=-20lg(A/A0) ?λ/x=20lge?αλ?8.686αλ;
2. 海水中的衰减
“弛豫”:“反应比诱因在时间上要延缓一段时间，这就叫弛豫”;“从非平衡态(旧平衡打破后)逐渐恢复到平衡态的过程称为弛豫过程”。
“粘滞性”:流体内部以内摩擦的形式抵抗外部剪切力造成的形变的性质。【牛顿粘滞定律】
“体积粘滞性”:,
海水衰减系数与频率的关系(经验式): α' ? 3.3×10-? + 0.11f?/(1+f?) + 44f?/(4100+f?) + 3.0×10^(-4) f? 【dB/?】
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1.6 海底损失
“压缩波”:是指弹性媒质中使媒质各部分改变体积而转动的波。压缩波在数学上是速度场中旋度为零的波。在无限均匀气体和固体中传播的纵波就是压缩波的一种形式，其媒质中的质点运动方向与波传播方向一致。**“在气体动力学中，波是扰动区和未扰动区的分界面。若穿过此界面，扰动使气体的压强升高，则此波称为压缩波;反之称为膨胀波。”
“切变波”:是指弹性媒质中使媒质各部分变形而体积不变的波。切变波在数学上是速度场的散度为零的波。切变波也是横波。传播速度等于切变弹性模量和材料密度比值的平方根。
“孔隙度”:在自然状态下材料中的的孔隙体积与材料体积之比，叫材料的孔隙度(总孔隙度)，以百分数表示。它包括材料中所有的孔隙，不管它们是否连通。【有效孔隙度是指那些互相连通的，在一般压力条件下，可以允许流体在其中流动的孔隙体积之和与岩样总体积的比值，以百分数表示。】
特别声明:
1:
资料
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