海水、海面和海底构成一个复杂的声传播空间，声波通过这个空间时，声信号将减弱、延迟和失真，并损失部分声能。引起声能损失的原因有：声能在空间扩展；海水介质的吸收；海中气泡、浮游生物和海水团块的散射；波动海面的反射与散射；以及海底沉积层的反射和吸收等。即使在理想介质中的点声源，也因波阵面扩展，而致声强随距离的反平方率衰减。若以分贝(dB)表示球面扩展损失，则距离声源r处的球面扩展损失TL定义为

    式中I0是距声源1m处的声强，I是距离声源r处的声强。

    10.3.1海水中的声速和声速铅直剖面

    海水中声速是温度、盐度和压力的函数，通常以经验公式表示，类似的经验公式较多，应用较多的是威尔逊公式。

    实际应用中多采用Frye和Pugh在威尔逊经验公式基础上给出的较为简单的公式：

c=1449.30+Δct+Δcs+Δcp+Δctsp (10－22)

    其中△ct＝4.587t-5.356×10-2t2-2.604×10-4t3

    △cs＝1.19(S-35)＋9.6×10-2(S-35)2

    △cP＝1.5848×10-1P＋1.572×10-5p2－3.46×10-12p4

    △ctsp=1.35×10-5t2p-7.19×10-7tp2－1.2×10-2(S－35)t

    下面给出不同温度区间内，温度每增加1℃时△cp的变化值：

    压力对声速的修正关系为：

表10－1海水中各种盐类对压缩系数和声速的影响

    实际工作中对声速绝对值的要求远低于对声速剖面的实时测量。对于后者，目前已普遍使用微机控制的声速剖面自记仪和自动声线轨迹仪。中国早在80年代初便研制了上述仪器，且已普遍推广应用。

表10－2声波在不同温度、盐度海水中的传播速度

    表10-2的适用深度约10～20m。

    由声速随温盐度和压力的经验公式可知，声速随海区、季节、昼夜和深度而变化。若将海洋看作分层不均匀介质，声速是温、盐、深的函数c(t，s，p)，则声速梯度为

    的数学表达式。Gt由温度深度自记仪得出。实际应用中依声速梯度仪直接得出声速铅直剖面C(z)曲线。由该海区的C(z)曲线便可推断声波传播的特征。水平方向声速虽然也是不均匀的，但其不稳定性和复杂性对于目前的声呐作用距离范围尚不是主要因素，因声速的水平梯度一般较铅直梯度为小，但在那些较复杂的海区(冷暖水团相交混的海域)则必须考虑声速的水平梯度。

    图10-2为大西洋的温、盐、声速铅直分布。图10－3是太平洋和地中海的声速垂直分布c(z)。可见在大西洋、太平洋和地中海，声速剖面c(z)于水下均出现一极小值，极小值所在的平面称声道轴，声波在其间可传播很远距离，此即为水下声道现象，将在§10.5详述。

    10.3.2海水的声吸收

    海水本身的声吸收与声能在空间扩展导致的声能衰减有本质的区别，海水声吸收是将声能变为不可逆的海水分子内能。实际上，声在流体介质中的传播过程是介于绝热与等温过程之间，由于声波的频率较高，近似地认为是绝热过程。在简谐声波的传播过程中，流体的每一处都交替地发生稠密和稀疏。根据弹性理论，纵向应力由切变和压缩应力组成，声波对介质状态的扰动直接由压力变化引起；或者是由于体积变化时相伴生的温度升、降所致。实际上两种效应都可能，且引起的损失效果相同。流体介质存在粘滞性与导热性，介质因压缩变形而引起声能耗散称为机械能耗散。动态压缩时，分子间的非弹性碰撞使部分声能转变为热能，通常称这部分声吸收为由分子过程引起的声吸收。

    已知流体中声速为

    当体积变化与压力变化不同相时，则发生声的吸收。如为绝热压缩，这种不

    γ都可能使βs为复数，因而声速的表达式也为复数时即存在声吸收。在各向同性均匀介质中，由于粘滞性和导热性导致的声能损耗，其声吸收系数为

    式中ρ为介质的密度，η为切变粘滞系数，ξ为体积粘滞系数，c为无吸收时的声速，K称为介质的导热系数。由式可知吸收系数a与声波频率的平方成正比。上述公式适用于声吸收系数较小的介质。介质除上述声吸收外，还应考虑到压缩或膨胀时，流体分子内部各自由度的能量重新分配以及组成的化学成分之间的能量分配而有一弛豫过程，将这部分吸收考虑在内所计算的水声频段内海水的声吸收系数为

    式中A、B是与频率无关的因子，τk是弛豫时间。第一项是海水溶液的超吸收，第二项是纯水介质的吸收。显然，第一项与海水的化学成分有关。图10-4所示实线是海水中声吸收的理论曲线，曲线侧的点是于0.02克分子硫酸镁溶液测得的吸收数据。虚线表示纯水中的声吸收曲线。由图可知，海水中超吸收主要由其所含硫酸镁引起的。然而，海上实际测量时无法将声波因海水所引起的声吸收损失与海中气泡及浮游生物的散射损失区分开，其综合的声强损失服从指数衰减规律：

    式中I1是距离声源为r1处的声强，I2是距离声源为r2处的声强，n为比例常数。若取a＝10log10e，则距声源r2与r1之间的声强级差为

    α称为对数吸收系数，它与发射频率、海水的化学成份和温度有关。

    10.3.3海面波浪的声散射

    如果海面平静如镜，可以看作理想的声反射面。声波在其上反射后，只有相位变化没有能量损失。波动的海面有大量的气泡和浮游生物，既是声的反射界面又是声的散射体。海面波浪可看作两部分叠加，即周期波(或准周期波)和随机波的叠加。通常用周期、波长和波高等量描述波浪的特性，同时也用随机过程的能量谱的概率密度分布、方差、相关函数等描述波浪特征。声波入射到具有波浪的海面即相当于入射到周期变化的不平整表面，因不平整性、气泡和浮游生物的散射，一部分声能弥散到其它方向而损失，只有那些遵从折射定律的声波到达接收点。所损失的声能与海况和浮游生物有关。

    10.3.4海底声学特性

    海底是海洋的另一个声反射和散射界面，它虽然是静止不动的，但海底表面粗糙不平，其组成成分因地而异，可从软泥、沙质到坚硬的岩石。海底沉积层各层的密度不同，因而各层的声速值也不同；相同的组成成分又因孔隙率的不同其声速值也不同。声波经过海底不仅有纵波也产生横波。因此海底的声反射系数和海底底质的声吸收是表征海底声学特征的重要物理量。海底的反射系数与海底的密度和其中的声速度有关，由于海底沉积物及分层结构的复杂性，实际测量中仅能测其综合效果即海底反射损失，以分贝(dB)表示。反射损失定义为

    式中pr为反射波声压；pi为入射波声压。

    表10-3中列出不同类型海底的实测掠入射损失和垂直反射损失。80年代有人试图根据声波从海底反射损失的值划分海底类型，以达到声学遥测海底的目的。

表10-3不同类型海底的实测反射损失

    海底沉积物的声吸收系数β可在实验室用沉积物样品测量；现场利用声探针或反射系数随角度变化的特性进行海上实测。表10-4列出沉积物声吸收系数β的实测数据。

表10-4沉积物声吸收系数与频率关系

    (β*为10kHz时的吸收系数值)

    从现有资料可知，多数学者认为海底的吸收系数与频率的关系接近线性关系。

    由于海底的粗糙程度和底质类型的不同，海底的反射损失与入射角度有关，对于某类型海底在指定频率下对应一个反射损失最小的角度，测量不同频率下海底损失与掠角的关系曲线如图10-5所示。对于利用海底反射路径的“海底反射声呐”，用其作该海区的作用距离预报具有实际意义。

    10.3.5海洋内部的不均匀性对声波的影响

　　除去海底、海表面的不均匀性以及海水温度和盐度的铅直分层特性以外，海洋内部的不均匀性如含有气泡、冷暖水体、湍流、内波和深水声散射层(指大洋中浮游生物和游泳动物群)等，都是引起声场起伏的因素。海表面下有风浪卷起的气泡群，它们对声波的散射形成声传播过程的屏障。冷、暖水体在声波前进路径上产生折射，湍流的扰动使海水的温度和盐度产生随机局部变化，声速也发生随机变化。研究发现，声波的远距离传播声信号的振幅和相位起伏与内波存在有密切关系。中国已开展了在黄海海区强负跃层下浅海内波与声信号起伏的研究。