淡水湖聲速及千島湖典型聲速分布

劉雨東

（大連測控技術(shù)研究所，遼寧大連 116013）

0 引言

在水聲試驗中，介質(zhì)的水文條件是影響試驗結(jié)果的一個重要因素，其中聲速又經(jīng)常是一個必不可少的參數(shù)。聲速受水深、水溫、含鹽度等參數(shù)影響，在海水中這些參數(shù)對聲速的影響已經(jīng)有經(jīng)驗公式來描述。而在淡水或湖水中，由于2種水介質(zhì)的含鹽度不同，直接引用經(jīng)驗公式會產(chǎn)生一定的誤差。本文通過對海水和撫仙湖的聲速計算經(jīng)驗公式對比，結(jié)合千島湖典型時間獲得的溫度深度剖面測量結(jié)果，給出了千島湖水域典型聲速剖面，為在該水域進行水聲試驗提供參考。

1 海水中的聲速度

聲速度是海水介質(zhì)最重要的聲學(xué)參數(shù)，它對聲傳播有重要影響。通常所說的聲速度是指平面波的相速度。海洋中聲速c的變化相對來說是比較小的，通常c的值在1 450～1 540 m/s之間。但c的很小變化卻足以影響海洋中聲的傳播條件。因此，在進行海上水聲試驗時，聲速測量是必不可少的一個步驟。

聲速可以用一種專門儀器——聲速計進行直接測量，或者當已知水溫T、鹽度s和靜壓力P（或深度h）時由經(jīng)驗公式推算而得到。海水中的聲速隨海水溫度、含鹽度、深度的增加而增加，一個比較準確的經(jīng)驗公式為［1］

式（1）的適用范圍是:－3℃＜T＜30℃，33‰＜s＜37‰和10 m＜h＜10 km。

上述公式是比較準確的計算公式，在允許的誤差為萬分之幾或0.5 m/s時，一些較簡單的計算公式可以滿足實際工作的需要，如表1中給出了3個計算公式和適用的參數(shù)范圍［2］。

表13 個聲速計算公式及其適用的參數(shù)范圍Tab．1Three calculation formulas of sound velocity and their parameter range

表中式（3）是實際工作中最常使用的計算公式。

相同條件下，利用表1中3個公式計算得到的聲速剖面對比如圖1所示。計算條件為含鹽度35‰，溫度15℃等溫層，深度0～150 m。

從圖中對比可以看出，在設(shè)定計算條件下，式（3）和式（4）給出的結(jié)果更接近，式（2）給出的結(jié)果要大一些，差值在1 m/s以內(nèi)。

2 撫仙湖聲速計算經(jīng)驗公式

撫仙湖水深比較深，比較適合進行多種水聲試驗，因此人們對其研究工作開展的較多。包括湖水的聲速、溫度、底質(zhì)、地貌等影響水聲試驗的各種環(huán)境參數(shù)。撫仙湖水中聲速計算經(jīng)驗公式有2個，分別有式（5）［3－4］和式（6）［5］。

圖1 不同計算公式得到的海水聲速剖面對比Fig.1The sound velocity profile contrast figure of sea from different formula

式中:c為聲速，m/s;T為溫度，℃;h為深度，m。

撫仙湖湖水含鹽度約為0.24‰，式（5）計算的聲速值與純水中的聲速值基本接近。

撫仙湖聲速計算另1個公式參照式（3）給出如下:

式中:c為聲速，m/s;T為溫度，℃;h為深度，m。

同樣，利用表1中3個公式和上面2個公式計算得到的聲速剖面對比如圖2所示。計算條件為含鹽度0.24‰，溫度15℃等溫層，深度0～150 m。

圖2 不同計算公式得到的撫仙湖湖水聲速剖面對比圖Fig.2The sound velocity profile contrast figure of Fuxian lake from different formula

從圖中對比可以看出，在設(shè)定計算條件下，式（2）給出的結(jié)果要小一些，式（3）和式（4）給出的結(jié)果比較相近，式（5）和式（6）給出的結(jié)果也比較相近但要大一些，2組結(jié)果差值均在1 m/s以內(nèi)。

從表1中公式的適用參數(shù)范圍可以看出，式（2）和式（4）的含鹽度條件均為30‰以上，也就是只適用于海水條件，式（3）可用于淡水條件。式（5）和式（6）是分別從理論和實踐工作中得出的撫仙湖的聲速計算經(jīng)驗公式，應(yīng)該說，其計算結(jié)果更準確。

3 千島湖水文分布

結(jié)合某項目湖上試驗計劃，分別在不同季節(jié)對千島湖的溫度深度剖面進行了測量，測量結(jié)果如圖3所示。測量時間分別為3月、8月、10月和12月。

從圖中曲線可以看出該水域典型的季節(jié)性溫躍層現(xiàn)象和深水等溫層現(xiàn)象。其中3月份是最冷的季節(jié)，從表面5 m以下開始基本上都是等溫層。到8月份，表層水溫最高，在10～20 m深度上形成劇烈變化的溫躍層。10月份，受天氣影響，表層水溫降低，但表面等溫層深度增加，溫躍層出現(xiàn)在15～35 m厚度和深度也加大，變化斜率減小。12月份時，大氣溫度降低，表面水溫降低，表面等溫層厚度增加，溫躍層出現(xiàn)在20～25 m厚度變小深度增大，溫度躍變量減小。40 m以下深度可以作為深水等溫層。

圖3 不同季節(jié)獲得的千島湖水域溫度深度剖面Fig.3The temperature-depth profile of Qiandao lake in the different season

不同季節(jié)千島湖水域的聲速剖面曲線如圖4所示。這里的結(jié)果是參照式（5）計算得到的。

從圖中曲線可以看出，聲速剖面存在著明顯的躍層現(xiàn)象和典型的季節(jié)性規(guī)律。

4 結(jié)語

圖4 不同季節(jié)千島湖水域的聲速剖面Fig.4The sound velocity profile of Qiandao lake in the different season

聲速是影響水聲試驗結(jié)果的重要因素，湖上試驗時由于水體較小，其聲速剖面的季節(jié)性特性和躍層現(xiàn)象更明顯。盡管本文給出的是幾次獨立測量結(jié)果，但能從這些測量結(jié)果中看出千島湖水域聲速剖面明顯的躍層現(xiàn)象和典型的季節(jié)性規(guī)律，可以為在該水域進行水聲試驗提供參考。

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