第二章 水声信道传播特性和信道分析.ppt

简介：
本章探讨水下声音信号传输的特点及规律，并介绍如何进行水声通信中的信道分析。通过理论与模型解析水中声波的传播特性，为后续研究奠定基础。 ### 第二章 水声信道的传播特性与信道分析 #### 一、水声信道的物理效应 **1.1 海洋中的声速与声波传播模型** 海洋中的声速是一个关键参数，它受到多种因素的影响，包括温度、深度、盐度以及季节变化等。这些因素共同作用使得声速呈现出时空变异特性，这是由海水物理性质的随机不均匀性所导致的。声速在声场分析中扮演着基础角色，对于理解声波的传播特性至关重要。 尤立克给出的经验公式为：\[ c = 1449 + 4.6 \cdot Te - 0.055 \cdot Te^2 + 0.00029 \cdot Te^3 + (1.34 - 0.01 \cdot Te) \cdot (Se - 35) + 0.016 \cdot z\] 其中，c为声速（单位：ms），Te为海水温度（单位：℃），Se为盐度（单位：‰），z为测量处的深度（单位：m）。 这个公式的适用范围是：\[ 0 \leq Te \leq 35^\circ C, 0 \leq Se \leq 45\text{‰}, 0 \leq z \leq 1000 米。\] 温度、深度和盐度的增加都会导致声速的增加。其中，温度对声速的影响最为显著。海面附近温度变化范围较大，因此声速也会在1430～1530ms之间波动。 在传播水平距离不太远的情况下（几百公里以内），可以假设海水温度是水平分层且均匀分布的。“三层”结构是常见的声速剖面分布形式，不同层具有不同的特征和出现概率。 深海中声速的三层剖面分布会产生波导效应，即声波沿着特定路径传播的现象。这种效应对于近海面声源和深海声源有不同的传播模型。 近海面声源的传播模型包括表面声道、海底反射和会聚区。 深海声源的传播模型包括SOFAR声道和折射—海面反射—折射（RSR）模型。 **1.2 浅海声速剖面与传播模型** 在沿岸浅海及大陆架上，声速剖面受到多种因素的影响，变得更加不规则且难以预测。平均而言，声速剖面具有明显的季节性变化特征。冬季的典型声速剖面通常是等温层，而夏季则可能形成负跃层或负梯度。 对于浅海环境，传播模型更加复杂，因为受海底的影响较大。波导效应主要表现为海底和海面之间的多次反射和折射。能量损失程度取决于声速剖面分布以及海底的声学性质。 海底反射和透入海底的能量损失与频率密切相关。对于低频声波，海底发射能力较弱而透射能力强，可以穿透更深的海床；对于高频声波，海底反射能量较强，而透射能力较差。 #### 二、声能量的传播损失与计算传播损失的经验公式 **2.1 传播损失概述** 声信号在从声源传播到接收点的过程中，信号能量会逐渐减弱。这是由于海水介质不是理想无耗损介质造成的。传播损失用来量化声信号在传播过程中的能量衰减程度。 具体定义为距声源1m处的声强 \( I_0 \) 与远处任一点处的声强 \( I \) 的比值（单位：dB）： \[ TL = 10 \log_{10} \left( \frac{I_0}{I} \right)\] **2.2 传播损失的原因** 造成传播损失的主要原因包括： - **波阵面的几何扩展**：声能从声源向外传播时，波阵面扩大而引起的能量减弱。 - **海水的吸收**：声波在传播过程中转变为热能，导致能量真正损失。 - **边界损失**：声波在界面处反射和透射过程中产生的能量损失。 - **散射**：声波遇到障碍物或不规则介质时发生的能量分散现象。 **2.3 扩展损失与衰减损失** - **扩展损失**：在无限均匀介质中表现为球面扩展，在非均匀有限空间中则呈现为柱面扩展。损失大小取决于声速分布和界面条件。 - **衰减损失**：包括吸收、散射和声能泄露。吸收是指声波能量转化为热能的过程，与海水介质和界面介质（如海底）的特性有关。散射则是声波遇到不规则物体时发生的方向改变。 了解海洋中的声速变化、