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声音在浅水区是如何传播的?
来源:*** | 作者:*** | 发布时间: 2026-06-24 | 34 次浏览 | 🔊 点击朗读正文 ❚❚ | 分享到:

     在海洋声学领域,“浅水”通常指的是从海岸线延伸到大陆架边缘,深度约为200米的近海区域,此处海底坡度增加。根据这一定义,浅水区域约占海洋和海湾面积的8%。这些地区非常重要,因为它们靠近人类居住区,这些地区对海洋栖息地、渔业、国家安全、商业、能源开发和娱乐具有重要意义。


浅水声通道


      声音在海洋中传播的速度随着温度盐度压力的增加而加快。在浅水区域,冬季常因风和波浪的混合使得温度、盐度与深度相关不大。因此,声音速度也往往主要与深度无关。这与深水区域截然不同,在中纬度地区,深水区域在约1000米的深度上有一个声音速度的最小值,形成一个声波通道或波导,声音可以在其中长距离传播而不会与海面或海底相互作用(SOFAR通道在浅水区),声音沿着与海底和海面波浪相互作用的路径传播。

声音在浅水中的传播


     在冬季浅水区,声速在很大程度上独立于深度。这一点在中纬度地区尤为明显。当声速恒定时,声音以直线传播。从声源向上传播的声音直到触及海面都以直线传播。到达海面时,声音被反射并向下返回海底。几乎没有声音进入空气。从声源向下传播的声音直到触及海底都以直线传播。到达海底时,部分声音被反射并向上返回。然而,并不是所有声音都被反射,有部分声音进入海底。

      声音在遇到海面或海底时会失去能量。每当声音从粗糙的海面反射时,一些声音能量会被散射和失去。同样,每当声音遇到粗糙的海底时,一些声音能量会被散射和损耗。此外,一些声音能量可以进入海底并被衰减海底的吸收比海水中的吸收大得多

      声音是否进入海床取决于声音水平传播的角度。当海床中的声速大于其上方水中声速时(这种情况通常会发生),有一个特殊的角度,称为临界角。临界角通常约为15º。当声音以小于临界角的角度水平传播时,声音几乎完全反射。当声音以大于临界角的角度水平传播时(如下面图中的黄线所示),部分声音进入海床。以大于临界角的角度传播的声音在几次反射后消失进入海床。这是浅水区能量损失的主要来源。海底特性(包括声速、密度衰减的不确定性使得准确预测声音在浅水区的传播变得困难。

       声波在声波通道中沿着许多不同的路径传播。尽管声音从声源向各个方向传播,但只有从声源以特定角度离开并到达特定位置的接收器的声音才会到达。从声源到接收器的不同路径上传播的声波具有稍微不同的传播时间。因此,单一脉冲声源将被听到为多个单独到达的声音。直接从声源到接收器传播的声波走最短的路径,先到达。从海面或海底反射的声波传播得更远,到达得更晚。这与深水中的声波传播不同,在深水中的声波最短路径在声波通道轴上最后到达。

浅水声通道的地理变异


      在浅水区,声速随深度的变化方式并非处处相同,因为决定声速的海洋温度和盐度剖面在不同位置和不同时间可以有很大的差异。沿海地区的变异性比深海要高得多。

      在浅水区,当风和波浪强劲时,声速与深度无关,导致完全混合的条件。这最常发生在冬季靠近海岸的水深约为30米左右的水体中。在夏季和离海岸更远的深水区,太阳加热了表层附近的水,但加热并未延伸到海底。表层附近的暖水中的声速比靠近海底的冷水中高。通常有三层,表层附近有一个混合层,声速相对较高,中间层中温度和声速降低,底层是位于海底上方的冷层,声速较低。

      每当它遇到声速的变化时,声音在海洋中传播产生折射。声波不断被折射向声速较低的区域。因此,不同的声速剖面会使声波走完全不同的路径。对于三层剖面,从海底附近的冷水中向上传播的声波,当它进入具有较高声速的较暖水层时,会被偏折回海底。结果是,声波与海底反复相互作用并迅速变弱。在浅水区,声速通常会随着地理位置和深度的变化而变化。因此,声速剖面可以很复杂,随时间和空间变化,导致复杂的声波传播。