1.声场几何结构引起能损失

一般而言，声源发出的声波均具有球形波的性质，即以球面为波阵面沿一定立体角向空间传播。球形波声场的几何结构引起的声能损失与声源的距离平方R2成比例，如图3-26所示。

在不存在物理或化学原因造成能量吸收的前提下，在不同的波阵面上，声能Π为守恒量，即

式中，A为波阵面的面积，其中Ω为声场波阵面相对声源的立体角。

因此，声强比为（IHO，2005）：

若取距声源R1＝1m处的声强级（声源级）为参考（比较基准），则所考察的波阵面R2处的声强级，即几何传播的能量损失为：

即在相距声源r的波阵面上，与声源级相比，传播损失为：

而声源级（source level，SL）的分贝数为R1＝1m处的声强与标准声强pref＝1μPa比值的常用对数的10倍。

图3-26　声波能量的几何损失

2.声能的物理和化学吸收过程

声波传播过程中的能量吸收决定于水的物理和化学性质及声波的频率。介质中的能量吸收包括介质的热传导吸收、黏滞吸收、弛豫吸收、共振吸收等过程。

声波传播是介质的稠密和稀疏交替变化过程，稠密区因介质质点压缩而温度升高，稀疏区因膨胀而温度降低。尽管这种热量的分布宏观上无法察觉，但对微观过程却是不能忽略的。压缩区的热量向周围介质的传播形成热传导过程，反映能量的吸收或损失。

承载声波传播的介质具有黏滞性，即介质质点之间存在黏滞力。声波传播本质上是由近及远地激发机制质点振动的过程。在此过程中，介质产生相对运动，因摩擦而做功，消耗声能形成声能吸收。

介质的弛豫吸收包括结构弛豫和化学弛豫两种吸收过程。在水介质压缩过程中，水分子产生相对位移，造成分子间束缚关系的破坏，使分子中原子配置，即结构发生变化，而这一过程滞后于压力变化（滞后时间称为弛豫时间），此现象称为结构弛豫。海水中的电解质在声波作用下发生离解和缔合过程，造成对声能的吸收。在海水中典型的化学弛豫来源于硫酸镁，它的弛豫频率是100kHz，对相应频率的声波吸收现象明显。

在水中，特别是存在大量浮游生物的海水中，对某些频率的声波产生共振吸收而引起声波能量衰减。

声波能量被传播介质的吸收程度通常用吸收系数α衡量。在此，首先研究平面声波的衰减规律，然后推广至球面声波情形。

在均匀介质中，声强为I0的平面声波沿传播方向移动dr后，声强减弱为Ir＝I0-dI，如图3-27所示。

在声波传播的短距离范围内，声强在介质中的变化可认为是均匀连续的线性关系，有dI/dr＝-αI。式中比例系数α由介质的物理性质所决定，称为声波的衰减系数或介质吸收系数，负号表示声强随传播距离而减小，故声强与距离变化的规律为：

将上式自声源级的参考位置（距声源1m处）开始积分，即结果为：

图3-27　声强传播衰减

以分贝数表示吸收损失：

式中，a为水中物理和化学因素声波吸收率，一般以dB/m或dB/km为单位。

而距声源r处的声强可写为：Ir＝10-0.1ar·Iref。

3.声能的综合衰减

综合考虑几何衰减和物理及化学吸收因素的声波衰减，则

对于声功率为W的声源，在介质中形成球面波，介质的吸收系数为α（dB/km）时，同时考虑声传播的几何衰减和物理衰减两个方面的因素，则在距离声源r千米处的声强Ir为：

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当声强单位用W/cm2，声功率单位为W，距离r的单位用km，介质吸收系数α的单位为分贝/千米（dB/km）时，上式变为：

声强的吸收系数a与介质的特性阻抗有关。例如，同一频率的声波在空气中的吸收系数比在水中的吸收系数大一千倍左右，故声波在空气中传播比在水中的传播要衰减得快，传播的距离要近得多。声强的吸收系数α与声波频率的平方f2成正比，即声波频率越高，声波传播衰减越大，故在其他条件相同的情况下，高频声波比低频声波传播距离要近得多。

海洋工作者斯查尔根和玛石根据开展的3万次海上实验，给出了计算海水声强吸收系数α的经验公式为：

该式描述了没有考虑海水静压力影响的声强吸收系数，单位是dB/km，S为盐度‰。当声波频率f远远离开弛豫频率fT时，α近似与f2成正比。其中，fT为与温度有关的弛豫频率，且，T为摄氏温度℃。

根据上式，在盐度35‰的标准参考值下，算得在不同温度下不同频率声波声强的海水吸收系数，见表3-4。

表3-4　海水吸收系数a（S＝35‰）　单位：dB/km

另外，声强吸收系数a随着海水深度（压力）的增加而增大，海深z（m）的平均吸收系数aH为：

一般规律是深度每增加1000m，声强吸收系数a减小6.7%。

综合上述分析：海水中的声强吸收系数α与声波频率f2成正比，当声波频率f大于10kHz时，海水对声波传播衰减的影响就显现出来，在声波频率范围为10k～500kHz时，声强吸收系数α的数值可达1～100dB/km。此外，声强吸收系数的数值还与海水的温度、盐度及深度有关。在各种频率下，声强吸收系数α随着深度的增大而减小。不同频率声波随深度的声强吸收系数变化情况见表3-5。

表3-5　T＝5℃，海水吸收系数α（S＝35‰）　单位：dB/km

不同温度下的水介质声强吸收系数曲线如图3-28所示（IHO，2005）。

图3-28　声强吸收系数

总体而言，吸收系数随声波频率的变化最为敏感，因此，浅水探测通常采用高频声波，以便用尽量短波长的声波保证对海底或其他目标的高分辨率探测。而随水深的增加，所应用的探测声波频率将随之减低，以尽量减少吸收造成的损失，保证对目标的可探测能力。

4.海水中气泡对声波传播的影响

海水为非均匀介质，在海水中含有各种杂质，如微小气泡、固体悬浮粒子及海洋微生物。特别是海水中所溶解的气泡，对声波传播有一定的影响。一般而言，在海水中生成气泡的原因大致有：海洋表面风浪的搅动将空气气泡带入水中；船舶航行螺旋桨搅动所形成的尾流中产生大量的气泡。除此之外，海洋生物也在海水中产生气泡。

由于海水中大量气泡的存在，在波动声压的作用下，气泡内的气体产生周期性的压缩和膨胀（即气泡产生振动），从而形成一个球形发射体向周围海水发射所谓二次声波，即气泡的散射作用。这样，由于气泡的散射作用而消耗了部分声能。当气泡固有振动频率与声波频率相同时，共振气泡的振动幅值最大，声波衰减也最大。

在海水深度为z米处，气泡半径与固有共振频率的关系式为：

式中，r为气泡半径（cm）；fr为气泡固有共振频率（kHz）；z为海面下深度（m）。从式（3.121）可见，在水深2m处，共振频率在10～100kHz范围内的气泡半径为0.036～0.003cm。声波频率越高，海水中微小气泡对声波传播的影响越大。

在实际工作中，当测量船经过前面船舶航迹的尾流时，或测量船倒车时，或者由于换能器安装位置不当，导致换能器下大量气泡的存在，将直接影响声波的发射和接收，甚至使仪器无法正常工作。

5.海水中的噪声

除了海测水声设备发射并予以接收的有用回波信号外，在海水介质中的与回波信号无关的声波统称为干扰噪声。干扰噪声与有用的回波信号一起被接收设备所接收，影响有用回波信号的质量，降低信噪比。当信噪比减小到一定值时，设备无法从噪声中检测出回波信号。除了海水中的干扰噪声外，水声测量设备电子线路本身也可形成电路噪声。

海水中噪声主要包括：海洋自然噪声、舰船噪声及海水中的交混回响。

海洋中的自然噪声源主要有物理过程产生的噪声和生物现象噪声。物理过程产生的噪声主要由海洋中的潮汐涨落、海面波浪起伏、海洋湍流、海面降雨、地震扰动等引起。海洋噪声源的频率带宽在几个赫兹至几十千赫兹。在低频范围（200～500Hz）内强度较强，而在高频范围（4000Hz）以上强度较弱。海洋噪声强度由海洋自然环境所决定。海洋生物现象的噪声包括海洋中的鱼类、海洋中的哺乳类所发出的海洋生物噪声。海洋生物噪声的频谱随海洋生物的不同而不同，具有间歇性。

海洋环境中的人为噪声主要包括舰船噪声、近岸工程活动噪声等。

舰船噪声是由于本船或它船航行所造成的噪声，主要有主副机、空调等机械工作时产生的机械振动噪声。机械振动噪声大多集中在低频范围内，其强度、频谱分布随舰船类型及运动状态而异。

螺旋桨噪声也是主要的舰船航行噪声。当螺旋桨转动时，在水中形成的湍流产生航行噪声，特别是螺旋桨叶片附近所产生的负压区使得海水中的空气逃逸出来，产生气泡层，即产生螺旋桨的空化现象。当气泡层破裂时，会发出尖的噪声，构成舰船噪声频谱分布的高频成分。对于流线型较好的舰船，其舰首所激起的破浪声也将产生舰船航行噪声。舰首所激起的破浪噪声及螺旋桨噪声构成了舰船尾流。尾流的厚度约为舰船吃水深度的两倍左右，且随着航速而加厚，长度可达几百米甚至千米以上。舰船尾流对声波有强烈的衰减吸收和散射作用，而且换能器表面吸附的气泡改变了换能器负载声阻，使换能器发射功率下降，致使水声测量设备无法正常工作。当测量舰船进入它船尾流或者本测量船倒车时，都会出现水声测量设备无法正常工作的现象。因此，换能器应有足够的拖曳长度，以避开尾流的影响。

对于船体安装换能器时，换能器应加装导流罩，避免激起水动力噪声，并远离本船机械振动源和船体突出部位或排水排气孔。

海洋噪声是水声测量设备工作的环境参数，是干扰背景，可以认为是各向同性的白噪声，其强度一般无法理论推导，大多是通过海上实际测量实验获得。用噪声水平（Noise Level，NL）衡量其强度，NL依赖于环境噪声的水平N0和声波的接受宽度W：