淡水湖声速及千岛湖典型声速分布

刘雨东

（大连测控技术研究所，辽宁大连 116013）

0 引言

在水声试验中，介质的水文条件是影响试验结果的一个重要因素，其中声速又经常是一个必不可少的参数。声速受水深、水温、含盐度等参数影响，在海水中这些参数对声速的影响已经有经验公式来描述。而在淡水或湖水中，由于2种水介质的含盐度不同，直接引用经验公式会产生一定的误差。本文通过对海水和抚仙湖的声速计算经验公式对比，结合千岛湖典型时间获得的温度深度剖面测量结果，给出了千岛湖水域典型声速剖面，为在该水域进行水声试验提供参考。

1 海水中的声速度

声速度是海水介质最重要的声学参数，它对声传播有重要影响。通常所说的声速度是指平面波的相速度。海洋中声速c的变化相对来说是比较小的，通常c的值在1 450～1 540 m/s之间。但c的很小变化却足以影响海洋中声的传播条件。因此，在进行海上水声试验时，声速测量是必不可少的一个步骤。

声速可以用一种专门仪器——声速计进行直接测量，或者当已知水温T、盐度s和静压力P（或深度h）时由经验公式推算而得到。海水中的声速随海水温度、含盐度、深度的增加而增加，一个比较准确的经验公式为［1］

式（1）的适用范围是:－3℃＜T＜30℃，33‰＜s＜37‰和10 m＜h＜10 km。

上述公式是比较准确的计算公式，在允许的误差为万分之几或0.5 m/s时，一些较简单的计算公式可以满足实际工作的需要，如表1中给出了3个计算公式和适用的参数范围［2］。

表13 个声速计算公式及其适用的参数范围Tab．1Three calculation formulas of sound velocity and their parameter range

表中式（3）是实际工作中最常使用的计算公式。

相同条件下，利用表1中3个公式计算得到的声速剖面对比如图1所示。计算条件为含盐度35‰，温度15℃等温层，深度0～150 m。

从图中对比可以看出，在设定计算条件下，式（3）和式（4）给出的结果更接近，式（2）给出的结果要大一些，差值在1 m/s以内。

2 抚仙湖声速计算经验公式

抚仙湖水深比较深，比较适合进行多种水声试验，因此人们对其研究工作开展的较多。包括湖水的声速、温度、底质、地貌等影响水声试验的各种环境参数。抚仙湖水中声速计算经验公式有2个，分别有式（5）［3－4］和式（6）［5］。

图1 不同计算公式得到的海水声速剖面对比Fig.1The sound velocity profile contrast figure of sea from different formula

式中:c为声速，m/s;T为温度，℃;h为深度，m。

抚仙湖湖水含盐度约为0.24‰，式（5）计算的声速值与纯水中的声速值基本接近。

抚仙湖声速计算另1个公式参照式（3）给出如下:

式中:c为声速，m/s;T为温度，℃;h为深度，m。

同样，利用表1中3个公式和上面2个公式计算得到的声速剖面对比如图2所示。计算条件为含盐度0.24‰，温度15℃等温层，深度0～150 m。

图2 不同计算公式得到的抚仙湖湖水声速剖面对比图Fig.2The sound velocity profile contrast figure of Fuxian lake from different formula

从图中对比可以看出，在设定计算条件下，式（2）给出的结果要小一些，式（3）和式（4）给出的结果比较相近，式（5）和式（6）给出的结果也比较相近但要大一些，2组结果差值均在1 m/s以内。

从表1中公式的适用参数范围可以看出，式（2）和式（4）的含盐度条件均为30‰以上，也就是只适用于海水条件，式（3）可用于淡水条件。式（5）和式（6）是分别从理论和实践工作中得出的抚仙湖的声速计算经验公式，应该说，其计算结果更准确。

3 千岛湖水文分布

结合某项目湖上试验计划，分别在不同季节对千岛湖的温度深度剖面进行了测量，测量结果如图3所示。测量时间分别为3月、8月、10月和12月。

从图中曲线可以看出该水域典型的季节性温跃层现象和深水等温层现象。其中3月份是最冷的季节，从表面5 m以下开始基本上都是等温层。到8月份，表层水温最高，在10～20 m深度上形成剧烈变化的温跃层。10月份，受天气影响，表层水温降低，但表面等温层深度增加，温跃层出现在15～35 m厚度和深度也加大，变化斜率减小。12月份时，大气温度降低，表面水温降低，表面等温层厚度增加，温跃层出现在20～25 m厚度变小深度增大，温度跃变量减小。40 m以下深度可以作为深水等温层。

图3 不同季节获得的千岛湖水域温度深度剖面Fig.3The temperature-depth profile of Qiandao lake in the different season

不同季节千岛湖水域的声速剖面曲线如图4所示。这里的结果是参照式（5）计算得到的。

从图中曲线可以看出，声速剖面存在着明显的跃层现象和典型的季节性规律。

4 结语

图4 不同季节千岛湖水域的声速剖面Fig.4The sound velocity profile of Qiandao lake in the different season

声速是影响水声试验结果的重要因素，湖上试验时由于水体较小，其声速剖面的季节性特性和跃层现象更明显。尽管本文给出的是几次独立测量结果，但能从这些测量结果中看出千岛湖水域声速剖面明显的跃层现象和典型的季节性规律，可以为在该水域进行水声试验提供参考。

［1］刘伯胜，雷家煜．水声学原理［M］．哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社，2006.59－60．

LIU Bo-sheng，LEI Jia-yu．Hydroacoustics principle［M］．Harbin:Harbin Engineering University Press，2006.59－60．

［2］URICK R J．水声原理［M］．哈尔滨:哈尔滨船舶工程学院出版社，1990．89．

URICK R J．Principies of underwater sound［M］．Harbin: Harbin Engineering University Press，1990．89．

［3］崔国平，李志舜．F湖水声场FFP建模研究［J］．哈尔滨工程大学学报，2002，（6）:12－15．

CUI Guo-ping，LI Zhi-shun．Underwater acoustic modeling in F lake by fast field program［J］．Journal of Harbin Engineering University，2002，（6）:12－15．

［4］王春林，刘宪朝．F湖水下环境特性研究报告［R］．中国船舶科技报告．昆明:七五〇试验场，1995．

WANG Chun-lin，LIU Xian-zhao．Underwater environmental characteristic research report in F lake［R］．China Ship Scientific Report．Kunming:750 Testing Field，1995．

［5］罗松，高俊荣．抚仙湖各个月份的温度剖面［J］．声学与电子工程，2000，（1）:35－39．

LUO Song，GAO Jun-rong．Monthly temperature profile of Fuxian lake［J］．Acoustics and Electronic Engineering，2000，（1）:35－39．