1、本科毕业论文（20 届）海水声速测量方法研究所在学院 专业班级 海洋科学 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 本科毕业论文 目录- 2 -目 录摘要 .IAbstract.II1 前 言 .11.1 海水声速及海水声速测量方法的研究意义 .11.2 海水声速测量方法的研究历史和现状 .12 海洋声速剖面测量的具体方法介绍 .52.1 间接测量法 .52.2 直接方法 .153 声速剖面反演技术 .203.1 声速剖面反演技术理论 1415.203.2 一种基于声线理论反演声速剖面的方法 16 .214 对海水声速测量方法和水声学发展前景的展望 .26参考文献 .27致 谢 .28
2、本科毕业论文 中文摘要I海水声速测量方法研究摘要 海水声速，即声波在海洋中的传播速度，它是反映海水介质特性的极为重要一个的物理参量。实时精准地测量海水声速，可以快速、有效、方便地为探测仪、声纳等水声设备校正测量误差提供实时声速数据，为舰船等水声设备的活动搜集和提供重要的海洋环境参数。因此，研究出有效、准确的海水声速测量方法具有重要的现实意义。本文首先介绍了海水声速测量方法的研究背景、意义及其研究历史与国内外的研究现状。然后列举了一些获取海洋声速剖面的具体方法，根据能否使用仪器直接测得海水声速可将它们分为间接测量法和直接测量法。间接接测量法是指通过测量海水的盐度、温度、深度，再利用海水经验公式来
3、计算得到海水声速的方法。因此本文介绍了几种声速经验计算公式的来源与发展、应用限制条件及其测量精确度，并对这几种经验公式进行对比分析。另外也归纳了目前用于直接测量海水声速的几种基本方法的原理。海水声速剖面反演技术是一种能够在复杂多变的海洋环境中快速地反演海水声速剖面的有效方法,对改善和提高水声设备的工作性能以及海洋研究与开发都是十分重要的。为此，本文中将其单独作为一章进行叙述。关键词 海水声速；声速测量法；经验公式；声速剖面反演本科毕业论文 英文摘要IIResearch of seawater acoustic velocity measurementAbstract The speed of
4、sound wave in the ocean is vital physical parameters of seawater. Accurately and quickly measuring the sound speed in seawater can provide the real sound speed data for the underwater acoustic system like fathometer and sonar quickly, effectively and conveniently, it also provides the important ocea
5、n environmental parameters. Therefore, developing the measurement method in getting more effective and accurate seawater sound speed is of important.At the first place of the paper, it introduces the seawater velocity measurement methods research background, research history and current research at
6、home and abroad. Then, it enumerates some specific seawater velocity measurement methods, according to which we can directly or indirectly measure seawater speed, so we divide them into direct measurement and indirect measurement. Direct measurement means using water temperature, salinity, depth dat
7、e and by means of seawater empirical formula calculate seawater velocity. Therefore, the paper introduces the source and development, the application constraints, the measurement accuracy of some different seawater empirical formulas. Besides, recommends some direct measurement methods principle.The
8、 inversion technology of sound speed profile in the ocean is a kind of effective method of inversion of the sound speed profile in the complex and changeful marine. Researches on inversion of sound speed profile have practical meaning to improve capability of underwater sound equipments and exploita
9、tion of ocean resources. Therefore, in the dissertation, the presentation of inversion technology of sound speed profile to be separate.Key words Seawater velocity; velocity measurement; empirical formula; the inversion of the sound speed profile本科毕业论文 前言11 前 言1.1 海水声速及海水声速测量方法的研究意义浩瀚的海洋，覆盖在地球表面约 71
10、。随着社会经济的不断发展，人类的活动越来越离不开海洋：丰富的海洋资源，已成为人类社会可持续发展的必然要求；海洋环境对全球气候的变化也起着举足轻重的作用。随着二十一世纪的到来，海洋的研究和开发受到了人们的普遍重视。其中，水声学已成为海洋研究的一个重要方面。1.1.1 海水声速的研究意义海水声速，即声波在海洋中的传播速度，它是反映海水介质特性的极为重要一个的物理参量。声波在海水中的反射、折射、声线弯曲等传播现象与声速直接有关，因此海水声速的研究在军事部门如反潜、通讯、导航、定位、鱼雷制导、水雷引爆，民用方面如用于渔业的探测仪、电缆铺设、采矿以及科学研究如水文地质调查、地球物理探测、声层分析、水体微
11、结构分析、水文水道测量、海洋调查勘察等都有着广泛的应用和重要的作用。如今，海水声速不仅是水声学研究中的一个重要参数，而且越来越明显地被列为海洋学的基本要素之一。然而对这些课题的研究没有声速在海洋空间中的分布资料是不可能的。可见，海水声速的精确测量和计算是极为重要的，它受到了世界各国有关研究部门的普遍重视。1.1.2 海水声速测量方法的研究意义声波在海洋中的传播速度随时间、地点的不同而变化，一般为 14301550m/s。实时精准地测量海水声速，可以快速、有效、方便地为探测仪、声纳等水声设备校正测量误差提供实时声速数据，为舰船等水声设备的活动搜集和提供重要的海洋环境参数。1.2 海水声速测量方法
12、的研究历史和现状1.2.1 研究历史对声音在水中传播的最早记载是 1490 年的意大利达芬奇做出的，他写道：“如果停船将长管的一端插入水中，而将管的开口放在耳旁，能听到远处的航船” ，距今已五百年 1。而水中声速的首次测量则是在 1827 年间由瑞士物理学家科拉顿(D.Colladon)和德国数学家斯特姆(C.Sturm)合作，在日内瓦湖中用敲击大钟的方法进行的。该实验动用了两艘船只、一只大钟、炸药发光、薄壁声管等，如图 1.1 所示：本科毕业论文 前言2图 1.1 首次声速测量 Figure 1.1 surveys the velocity of sound for the first ti
13、me用其中一只船将大钟悬吊于水下 3 米处，通过杠杆 m 作用使水下大锤敲击大钟，在发出钟响的同时，引爆炸药使之发处强光，因为光速相对声速极大，其传播时间可忽略不计。在另一只船上就用薄壁管听水下声音。听测员记录下自观测到强光到听到水下钟声的时间，即水声传播的时间。经过多次测量取得这一时间的平均值，又测得两船之间的距离即声音传播的距离，然后根据 c=L/t 就可以计算得到日内瓦湖水中的声速为 1435 米/秒。此值与现代测量值是十分接近的。1840 年焦耳有实验得出了磁致伸缩效应，接着 1880 年皮埃尔居里发现了压电效应，后人在此他们的基础上发明了水声压电换能器和磁致伸缩换能器，实现了水中电能
14、和声能的相互转换 2。正式换能器的问世和放大微弱信号的电子技术发展，使现代水声学的广泛利用成为可能，也使海水声速测量方法的研究与发现提供了极大便利。科拉顿设计的方法虽然能测出水中的声速，但是在波涛滚滚的大海中，让两条调查船保持固定的距离十分困难，因此实际应用中这一方法并不可行。在海洋中，海水的温度、盐度及静压力的变化，声速也会随之变化。100 多年来，科学家们已经由大量的实验结果和理论分析找到了声速与海水的温度、盐度和压力的关系：温度越高，声速越大，盐度及静压力的增加也会引起声速的增大，由此还得出了海水声速经验公式。其中一个典型的公式表示如下：(1.1)HST17.035012.39T0.5.
15、0-6T4.219C32 式中 C 为声速（m/s ） ，T 为海水温度（） ，S 为海水盐度（） ，H 为海水深度（m） 。从公式中可以看出，温度、盐度及海水静压力（深度）都对海水中声速有影响，而温度对声速的影响特别显著。海水温度的分布及其变化主要由海水从太阳辐射获得的热量变化引起的。此外，海水蒸发、海洋表面的热交换、海流、对流、冰的凝结与溶化等因素也可引起海水温度的不均匀分布。在海洋中，由于不同海区不同季节，海水的物理状态是不一样的，所以在不同海区、不同季节不同深度时声速也就各不相同。因此只要测出海水的温度、盐度和压力，就可以根据公式算出海水中的声速了。而温度、盐度和压力这三个基本量可以在
16、海洋观测中测量出来。本科毕业论文 前言3这种利用经验公式计算海水声速的方法曾是多年来获得海水声速的惟一方法。经过多年的不断努力，在 20 世纪 70 年代初，科学家们终于找到了直接测量海水中声速的方法，并根据这一方法设计制造了声速测量仪。很快声速仪就成为人们迅速、准确测量水下声速的重要工具。1.2.2 国内外研究现状在海洋中，声速约在 14501550ms 之间变化。近年来，随着科学技术的发展，人们对声速测量方法的应用范围和测量精度要求越来越高。纵观国内外的海水声速测量的研究现状，可分为两种方法：直接测量法、间接测量法。间接测量法，即通过测量海水的电导率、温度、深度，利用海水经验公式来计算声速
17、的方法。目前国际上公认的且计算精度比较好的计算声速的经验公式有三个，即：Chen-Millero 声速算法、Del.Grosso 声速算法和 Wilson 声速算法。国内外已有一些文章已经对这三个公式进行了比较，如 Christopher 和 Watts 3的声学研究结果表明，在海水中 Del Gross 的声速算法要比 Chen-Millero 的好。陈红霞 4等使用在西太平洋调查中获取的 3 次 CTD 水文调查数据做的一系列的计算表明：用 Wilson 方程计算声速要比用 Chen在 02000m 深的范围内，用 Chen-Miller 公式来计算声速剖面是可行的；在水深小于 600m
18、内，用 Wilson 算法的计算结果误差会比较大；历史上大量的 CTD 资料( 河口区除外)可直接用来换算声速剖面，进而用于声场预报。利用海水的经验公式来计算声速，精准的的 CTD 测量仪是必不可少的。如今，美国、日本、加拿大以及欧洲的一些发达国家如英国、意大利、挪威等一直进行着CTD 测量技术的研究和开发。其中，美国的 CTD 设备无论在质量上还是数量上都名列前茅，仪器精度和种类也是数一数二的。日本流行体积小、重量轻、功耗低的自容式 CTD 仪器，令人耳目一新。虽然采用 CTD 仪器测量海水的电导率、温度和深度，再通过海水的经验公式来计算海水声速的精确度很高，但受 C、T、D 测量精度的限制
19、，声速测量结果的可信度不高。尤其在近岸、港湾等浅海海水中有大量的悬浮物，尤其是导电颗粒，对电导率的测量产生很大的影响，由此得到的声速误差可能会较大。而目前使用直接测量得到的声速精度已接近用 CTD 的换算精度，且已有取代 CTD 测量的趋势。直接测量液体声速的方法主要有脉冲时间法、脉冲环鸣法、共振声谱法、超声波干涉法、相位法、驻波法、超声光栅测量等。它们都是通过测量声波在某一固定本科毕业论文 前言4距离上传播的时间或相位，从而直接获得海水声速的，因而我们把它们统称为声速直接测量法。在直接测量声速的研究中，较为成熟的是脉冲环鸣法。脉冲环鸣法又名脉冲循环法，也是通过直接测量声信号在固定的一直距离内
20、的传播时间进而得到的声速，但实际上为了得到较高的声速测量精度，通常用接收到后的反射回波去触发发射电路，再发射下一个脉冲，如此不断地循环下去，就大大降低了时间测量的相对误差，但却导致了一个误差累计的效应。目前使用脉冲环鸣法直接测量海水声速的声速仪大量涌现，测量精度从 0.05m/s 到 0.25m/s 不等。如OCEANO INSTRUMENT 公司的 SV 5XO 声速仪和 APPLIED MICOSYSTEMS 公司的 SV Plus 声速计，测量精度均为 0.25m/s；丹麦 AQUAMATIC 公司的 AQSV1500 型声速仪，测量精度为 0.2m/s。国内的的，如海鹰集团的 HY12
21、00 型声速仪，其测量精度在 0.25m/s 左右。本科毕业论文 海水声速剖面测量的具体方法介绍52 海洋声速剖面测量的具体方法介绍在第一章中讲述海水声速测量方法研究的国内外现状时已经提到海水声速测量方法可分为直接测量法和间接测量法。早期海水声速是通过测得的间接参量温度、盐度、水深来计算的，到上世纪六十年代，随着一系列声速测量仪的诞生，直接测量法才得到广泛应用。2.1 间接测量法间接测量法即通过测量海水的电导率、温度、深度（CTD） ，利用海水的经验公式来计算声速的方法。2.1.1 经验计算公式的发展经过长时间对海洋水声学的研究，科学家们发现：由于海水介质中温度、盐度分布的不均匀以及海水深度的
22、变化都会造成声速分布的不均匀。进一步研究表明海水声速可表示为温度、盐度和深度(或压力)的函数。从 20 世纪 50 年代起,一些学者先后提出了适用不同海况的声速经验公式。因此当知道海水温度、盐度和深度时，利用这些经验公式即可计算出海水声速。对海水声速计算方法的探讨，可追朔到 19 世纪 20 年代。从那时起，许多国家的学者从 (其中 即定压比热与定容比热之比， 是海水密度，VvCp是等温压缩系数) 这个理论公式出发曾先后推导出海水声速与温度、盐度和压力的函数关系式，并编制出一系列的海水声速查算表。其中以马特威斯(Mattews)所发表的纯水与海水声速表和桑原(Kuwahara)所发表的海水声速
23、表最为著名。后来为了能够使用高速计算机处理所积累的海洋学资料，一些学者根据桑原的声速表提出了海水声速与温、盐、压的函数关系式。像 1951 年梅琴兹(Machenzie)根据桑原声速表建立了一个声速与温度、盐度、深度和纬度相关的效应表达式，以及当温、盐、深变化时他们之间相互作用的效应表达式 6。从 50 年代未开始，声速的测量技术不断改进，更多精密的声速测量资料由此测得，有关声速计算方程式的研究也得到了迅猛的发展，可以说是日新月异。一系列新的声速计算方程式相继出现，不仅这些方程式越来越精密，越来越完善，而且声速方程式的推到方法和导出型式更是有了相应的进展。迄今最准确的计算公式被认为是威尔逊公式
24、。威尔逊的声速测量资料首次涉及了压力效应的系统研究，他的第二方程式即考虑了温、盐和压单独变化时的声速订正值，也涉及了它们在同一时间变化时的综合效应，使得该方程式更为完整，适用范围更为广阔。可以说，威尔逊第二方程式自发表以来，就有效地取代了其他声速计算方程式，广泛地被世界各水声学研究机构和海洋学研究机构用于转换海水温、盐、压资料到海洋声速分布资料。更是说，目前世界各国海洋机构所储存的声速分布资料大都是用威尔逊第二方程式计算得到的。在国内自上世纪六十年代以来，也本科毕业论文 海水声速剖面测量的具体方法介绍6陆续使用威尔逊第二方程式计算声速，尤其是 70 年以后，都采用了这个方程式来计算声速资料。弗
25、赖伊（Frye）和皮尤(Pugh)在威尔逊公式的基础上，给出了更简单的，按照温度 T（ C）及盐度 S（ ） 、静压力（kg/cm 2）计算声速的公式如下 1。(2.1)其中式中 c 表示声速（米 /秒） ，P 表示静压力（千克/厘米 2） ，T 表示时间（秒） ，S表示盐度（） ，而静压力 P（千克/厘米 2）与深度 z（米）的关系为：(2.2)这样，用现场测得的温度、盐度、深度代入上述公式即可精确计算出海水的声速值。但冗长的计算公式有时会显得十分麻烦，在保证精度的前提下一些工程上就可以采用下面简化的方程式来计算：(2.3)PSTTc16.0)35)(01.34.( 29.62932又因为通
26、常近海海水的盐度比较稳定近似为 35，其压力修正项也可以忽略不计，则声速公式又可以进一步简化：(2.4)205.6.4219Tc由于式中只有温度 T 这一参数变量，所以只要用海水温度计测出某一剖面的垂直温度分布就可以计算出该处的声速剖面。2.1.2 几种经验公式计算声速值的分析比较德尔格罗索（Del.Grosso）研究发现，在一个大气压力下，梅琴兹的方程式具有 3 米/秒多的系统偏差，因为桑原声速表给出的声速常数项，即在温度 0、盐度35和标准大气压力下的声速 C0,35,0 是 1445.5 米/秒，而德尔.格罗索用精密的实验室测量资料所测得的 C0,35,0 值是 1448.6 米/秒。在高压下桑原声速表计算值也出现不同程度的差值。后来威尔逊(Wilson)、及其他学者的研究成果也证实了桑原声速表的计算值具有+3+4 米/秒的系统误差。若从中消除这个系统偏差，该方程式的计算结果和其它较精密的方程式都具有良好的一致性。1959 年，威尔逊在实验室条件下用循环式声速仪获得了较多的精密声速测量资料。之后他用最小二乘法对他首次在海水中取得的 581 个测量结果所组成的声速资
