水声学原理2.1.8海洋的声学特性-海水的声速.pdf

海水中的声速 海水中的声速是海洋环境重要的声学参数之一，也是水声物理实验研究中必 须测量的环境参数。它随时间和空间而变化，对声波的传播有重要影响。该案例 给出了水声物理实验研究中海水中声速获取的常用设备及测量结果，用实验数据 证明了声速分布的不同结构及时变空变特性。目前常用的测量设备有 CTD （电 导率-温度-深度仪）、SVP （声速剖面仪）、XBT （消耗式温深传感器）、温度链（温 度传感器阵）四类。其中CTD 和SVP 需要人工改变设备的深度以测量不同深度 的声速，所以测量速度缓慢，不能同时刻长时间进行海水中声速剖面的观测； XBT 可以测量获得海水温度剖面，但获得的温度也不是同时刻海水的温度，且 该传感器是一次性的；为了同时刻长时间对海水介质的声速剖面进行测量，为海 洋内波的研究提供环境参数，实验中将采用高精度温度传感器组成的垂直阵进行 测量。图1 给出了几种仪器设备的实物图。 图1 左：CTD 中：SVP 右：XBT 图2 给出了CTD 实验吊放方法及海上实验中声速剖面的测量结果。不同地 理位置的声速不一致性表明了声速的空间变化特性。图3 给出了同一地理位置海 水温度剖面随时间的变化。根据温度剖面数据和乌德公式计算得到声速剖面。计 算过程中盐度选取 35‰。跃变层附近声速的随机起伏特性表明了声速的时间变 化特性。图中声速剖面曲线与温度剖面曲线结构的相似性表明了海水介质的声速 主要由温度控制。 图2 左：CTD 吊放方法 右：不同地理位置的声速剖面 图3 海上实验温度链测量数据 2011 年，海上实验测量的声速剖面如图 4 所示。实验之前台风刚刚经过实 验海域，海水受到风浪的充分搅拌，形成了等温层，因此在压力的作用下，声速 随着深度线性缓慢增大。对实验测量的声速数据进行拟合，得到声速梯度为 0.0175s-1 ，该梯度与乌德公式中声速随着压力的变化梯度完全吻合。乌德公式如 下式所示： 1450 +4.21 −0.037 1+.14 T−35 c +0.175T S 2 ( ) P 图4 浅海混合层声道声速分布