水声分析
理论：海中声速与衰减
概述
听说水中声音比空气中传得远得多，为什么？
水会很快吸收光和电波，却几乎不吸收声音，尤其是低频声音。所以在海中远距离交换信息的手段就是声音。声音减弱的原因有两个：扩展变稀和被水吸收。吸收大致与频率平方成正比增加，所以越低的声音传得越远。而且海中声速随水温、盐度、深度变化，声音向声速慢的方向弯曲。1,000 m左右深度有声速最慢的层，被困在其中的声音有时能传几千公里。水声分析就是计入这种声速分布和吸收，计算声音能传到哪里、强度多大。
声速公式（Medwin）
T为水温（℃），S为盐度（实用盐度），z为深度（m）。
吸收与传播损失（Thorp公式）
第一式为Thorp吸收系数（几十kHz以下的近似）。传播损失为球面扩展与吸收之和，在浅海等处从某一距离起变为柱面扩展（距离增大10倍减弱10 dB）。
泰坦尼克号与声呐
1912年泰坦尼克号沉没后开始了用声音发现冰山的研究，一战期间朗之万用石英压电换能器制成了超声收发器。二战期间发现海中声速分布使声音弯曲，潜艇可以躲在声音到达不了的影区，推动了海洋声速研究。在深处声速极小的层（SOFAR声道）中，证实了小爆炸的声音能在几千公里外听到。
算例
例1：不同水温和深度的声速（盐度35）
| 水温 | 表面 | 深1,000 m |
|---|---|---|
| 5 ℃ | 1,470.9 m/s | 1,486.9 m/s |
| 15 ℃ | 1,506.8 m/s | 1,522.8 m/s |
| 25 ℃ | 1,534.4 m/s | 1,550.4 m/s |
15℃淡水（盐度0）为1,465.2 m/s。实际海洋中越深水温越低，所以在某一深度声速最慢。
例2：不同频率和距离的传播损失（球面扩展＋吸收）
| 频率 | 波长 | 吸收 | 1 km | 10 km | 50 km |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 kHz | 1.5 m | 0.069 dB/km | 60 dB | 81 dB | 97 dB |
| 10 kHz | 0.15 m | 1.19 dB/km | 61 dB | 92 dB | 153 dB |
| 50 kHz | 0.03 m | 17.5 dB/km | 77 dB | （超出实用范围） | （超出实用范围） |
在浅海中把1 km以外视为柱面扩展，10 km处损失1 kHz为71 dB，10 kHz为82 dB。
到1 km为止频率差别不大，越远高频越不利。
扩展损失与频率无关，随距离的对数增加；而吸收与距离成正比增加，其系数随频率差别很大。所以近处扩展损失占大部分，频率差别小；远处吸收开始起作用。10 kHz的吸收在1 km时为1.2 dB，在50 km时接近60 dB。高频波长短，能分辨小物体，装置也能做小，但传不远。所以声呐要根据目标距离和要分辨的大小选择频率。而且实际海洋中声速分布使声音弯曲形成到达不了的区域（影区），海面和海底还会反射，所以用声线法或抛物方程计算传播。
分析流程
- 根据海域水温、盐度、深度分布建立声速剖面。
- 根据频率和距离决定使用声线法、简正波法还是抛物方程法。
- 计入海面、海底的反射与吸收以及海底地质。
- 收发换能器附近用有限元法求解结构与声场耦合（换能器、导流罩）。
- 与实测传播损失比较，校准海底特性等。
“一到夏天就传不到的声音”
某海湾的水下通信装置冬季几公里外都能稳定连接，夏季在同样距离通信却经常中断。夏季表层水温升高，形成越深水温越低的层，声速也越深越慢。声音向声速慢的下方弯曲，靠近表面的接收器进入了声音到达不了的影区。用声线法计算再现了这一影区，把接收器移到较深位置后通信稳定了。
常见错误
错误与对策
| 错误 | 后果 | 对策 |
|---|---|---|
| 声速取常数 | 漏掉影区 | 计入深度分布 |
| 吸收与频率无关 | 高估高频传播距离 | 按频率计吸收 |
| 浅海用球面扩展 | 高估远处损失 | 按柱面或简正波处理 |
| 忽略季节变化 | 夏季中断 | 按季节计算 |
| 海底视为全反射 | 低估损失 | 计入海底地质 |
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