声音在水中的传播速度是什么？为什么？哪里？多少？如何？怎么？

声音在不同的介质中传播的速度差异巨大。我们通常熟悉声音在空气中传播的速度大约是每秒343米（在15°C时）。然而，当声音进入水这种介质时，它的行为会发生显著的变化，其中最引人注目的就是传播速度。声音在水中的传播速度远超在空气中的速度，这是由水的物理特性决定的。理解声音在水中的传播速度及其影响因素，对于水下声学、海洋科学以及许多工程应用至关重要。

声音在水中的传播速度是什么？

声音在水中的传播速度（也称为声速）是指声波（一种机械波，表现为介质中压力的周期性变化）在水中单位时间内传播的距离。与在空气中一样，声速不是一个固定的常数，它取决于水这种介质本身的物理状态。

它本质上是水分子之间传递振动能量的速度。当声源（如扬声器、船只引擎或海洋动物）在水中产生振动时，会引起周围水压的微小变化。这些压力变化通过水分子之间的相互作用（碰撞和拉伸）向外传播，形成了声波。声速衡量的就是这种压力扰动传播的速度。

声音在水中的传播速度是多少？

这是一个核心问题，但没有一个单一的固定答案，因为它取决于水的具体条件。

• 典型值： 在典型的大洋条件下（例如，温度约4°C，深度约1000米，盐度35‰），声音在海水中的传播速度大约是1500米/秒。
• 范围： 在海洋中，实际的声速变化范围可以从约1450米/秒到约1570米/秒不等，甚至在某些极端条件下（如极地寒冷淡水或高温盐水），范围可能更宽。
• 与空气的对比： 这个速度大约是声音在空气中传播速度的4倍以上。
• 淡水与海水： 在纯净的淡水（如湖泊、河流）中，声音的传播速度通常比海水稍慢，大约在1450到1490米/秒之间（取决于温度和压力，淡水压力主要由深度决定）。海水的盐度增加了其密度和体积弹性模量（刚度），对声速有提升作用。

简而言之，虽然“大约1500米/秒”是一个常用的参考值，但具体速度需要考虑实际的水文条件。

声音在水中的传播速度为什么远高于空气？

声音在介质中的传播速度主要由介质的两个基本物理属性决定：

1. 体积弹性模量（或刚度，Bulk Modulus）： 衡量介质抵抗压缩的能力。弹性模量越高，介质越不容易被压缩，声音在其中传播得越快，因为分子间的相互作用更强，能更快地传递振动。
2. 密度（Density）： 衡量单位体积内介质的质量。密度越大，分子质量越大，传递相同的振动需要移动更大的质量，通常会减缓声音的传播速度。

声速的公式大致可以表示为：声速 ∝ √(弹性模量 / 密度)。

现在比较水和空气：

• 密度： 水的密度远大于空气（常温常压下，水的密度约是空气的800倍）。按理说，密度大应该使声速变慢。
• 体积弹性模量： 然而，水抵抗压缩的能力（刚度）也远大于空气。水的体积弹性模量大约是空气的2万倍以上！

尽管水的密度更大，但其巨大的体积弹性模量（刚度）对声速的影响占据主导地位。水分子之间更紧密的排列和更强的相互作用使得它们能够极其高效地传递压力波，远远超过了密度增加带来的减速效应。因此，声音在水中的传播速度比在空气中快得多。

声音在水中的传播速度受哪些因素影响？

声音在水中的传播速度不是恒定的，它主要受到三个环境因素的影响：

温度 (Temperature)

这是影响声音在水中传播速度最显著的因素。

• 影响： 温度升高，声速增加。反之，温度降低，声速减小。
• 原因： 温度升高意味着水分子拥有更高的动能，移动速度更快。分子间的碰撞和相互作用因此也更频繁、更有效，使得振动能量（声波）能更快地从一个分子传递到另一个分子。
• 量级： 在典型海洋条件下，温度每升高1°C，声速大约增加2至4米/秒（具体数值取决于当前的温度、盐度和压力）。

压力 (Pressure) / 深度 (Depth)

水中的压力随着深度增加而增加（大约每增加10米深度，压力增加1个大气压）。

• 影响： 压力升高（深度增加），声速增加。反之，压力降低（深度减小），声速减小。
• 原因： 压力增加会轻微地压缩水，使其密度增加。然而，压力增加对水体积弹性模量（刚度）的影响更大——水在高压下变得更“硬”、更不容易压缩。由于弹性模量的增加效应大于密度增加的效应，声速随压力增加而增加。
• 量级： 深度每增加100米，声速大约增加1.8米/秒。

盐度 (Salinity)

盐度是指溶解在水中的盐类物质的含量。

• 影响： 盐度增加，声速增加。反之，盐度降低，声速减小。
• 原因： 溶解的盐类增加了水的质量（密度），但同时也增加了分子间的相互作用力，使得水在微观层面更“坚固”一些，体积弹性模量随之增加。就像压力一样，弹性模量的增加效应超过了密度增加的效应，导致声速随盐度增加而增加。淡水（盐度为零）的声速低于海水。
• 量级： 盐度每增加1 PSU（Practical Salinity Unit，实用盐度单位，近似千分之几），声速大约增加1.3米/秒。

总结： 实际的声速是这三个因素综合作用的结果。科学家使用经验公式来精确计算给定温度、压力和盐度下的声速。这些公式考虑了每个因素的贡献及其相互作用。例如，著名的Chen-Millero公式和Mackenzie公式就是用于计算海水声速的常用经验公式。

声音在水中的传播速度在哪里有重要应用？

对声音在水中的传播速度及其变动规律的理解，是许多水下技术和科学研究的基础。它在哪里重要呢？

• 声纳 (Sonar)： 这是最直接的应用。声纳系统通过发射声脉冲并接收目标反射的回波来探测水下物体或测量距离。为了计算距离，声纳必须知道声音从发射到接收回波这段时间内在水中传播的速度。 声纳测距的基本公式是：距离 = (声速 × 传播时间) / 2。 如果不知道准确的声速，测距就会出现误差。
• 水下通信： 水下声学通信系统（水声modem）通过声波在水下传输信息。了解声速和传播路径对于设计和操作这些系统至关重要，因为声速的变化会导致信号的畸变和延迟。
• 海洋学和水文测量：
  • 海底地形测量 (Echo Sounding)： 使用声波测量水深，精确的水深数据依赖于知道声波从船只传播到海底再返回的时间以及途中的声速。
  • 水下声速剖面 (Sound Velocity Profiling)： 通过测量不同深度下的温度、压力和盐度，或者直接测量声速，生成声速随深度变化的曲线（声速剖面）。声速剖面是理解水体分层和预测声传播路径的关键。
  • 海洋结构研究： 声速剖面的变化反映了水团的分布和性质。
• 水下导航和定位： 声学定位系统（如水下超短基线USBL、长基线LBL系统）利用水下信标和接收器之间的声波传播时间来确定水下设备或目标的精确位置。这些系统也需要准确的声速信息。
• 水下地球物理勘探： 例如多道地震勘探，通过测量人工产生的声波穿透海底地层并反射回来的时间，来研究海底以下的地质构造。分析这些声波数据需要精确知道声波在水中和不同地层中的传播速度。
• 水下声学遥感： 利用声音来探测和监测水下环境，例如渔业声纳用于探鱼群，声学多普勒流速剖面仪（ADCP）测量水流速度等，都依赖于对声波传播特性的理解。

声音在水中的传播速度是如何测量或计算的？

有两种主要的方法来确定声音在水中的传播速度：

直接测量 (Direct Measurement)

• 设备： 使用专门的声速仪（Sound Velocity Profiler, SVP）。一些CTD（测量电导率、温度、深度的仪器）系统也集成了声速传感器。
• 原理： 声速仪通常包含一个声发射器和一个声接收器，它们之间隔着一个已知的、固定的距离（例如，几厘米到几十厘米）。发射器发出一个短声脉冲，接收器接收到这个脉冲。设备测量声脉冲通过这段固定距离所需的时间。
• 计算： 声速 = 固定距离 / 测量到的传播时间。
• 应用： SVP可以被投入水中，边下沉边连续测量不同深度下的声速，从而获得一个详细的声速剖面。

通过参数计算 (Calculation from Parameters)

• 设备： 使用CTD传感器来测量水体的温度（T）、压力（P，通过深度换算）和盐度（S，通过电导率计算）。
• 原理： 利用前面提到的基于大量实验数据建立的经验公式，将测得的T、P、S值代入公式中，计算出当前的声速。
• 常用公式： 国际上有很多经验公式，例如用于海水的Chen-Millero公式、Mackenzie公式等，以及用于淡水的特定公式。这些公式通常是以多项式的形式表达声速与T、P、S之间的关系。
• 应用： 这是获取声速剖面或特定点声速的常用方法，尤其是在进行其他水文测量的同时。它依赖于精确的T、P、S测量传感器。

在实际应用中，特别是海洋调查，经常同时使用这两种方法进行验证或互补。例如，CTD测量T, P, S并计算声速，同时也可以携带SVP直接测量声速，两者数据可以进行比较，确保准确性。

声音在水中传播时有哪些特性？

了解了声音在水中的传播速度后，还需要知道声波在水中传播时会发生哪些行为，这直接影响到声学设备的设计和性能。

• 球面传播与衰减 (Spherical Spreading and Attenuation)：
  • 声波从点声源发出后，能量会向四面八方均匀散开，形成球面波。能量分散在越来越大的球面上，导致声波强度随距离增加而减弱，这称为球面传播衰减，其声强与距离的平方成反比，声压与距离成反比。
  • 除了几何扩散，声波还会因水体本身的物理特性而损失能量，主要转化为热能，这称为吸收衰减。吸收衰减的程度随频率升高而急剧增加。因此，低频声波在水中传播的距离远大于高频声波，这也是为什么水下通信和远距离探测多使用低频声波。溶解的盐类也会引起声波的吸收。
  • 总的来说，声波的传播损失是球面传播衰减和吸收衰减的总和。
• 反射 (Reflection)：

  当声波遇到声学特性（声阻抗，即密度与声速的乘积）不同的界面时，部分能量会被反射回来。重要的反射界面包括：

  • 水面：由于水与空气的声阻抗差异巨大，水面对声波有强烈的反射作用（几乎全反射），通常会将声波向下反射。
  • 海底：声波在海底也会发生反射，反射的强度取决于海底的底质（泥、沙、岩石等）。这是声纳探测海底和海底以下地层（地震勘探）的基础。
  • 水下物体：船只、潜艇、鱼群、沉船等都会反射声波，使它们能被声纳探测到。
• 折射 (Refraction)：

  当声波穿过声速不均匀的区域时，其传播方向会发生弯曲，这种现象称为折射。由于海洋中的温度、压力和盐度随深度变化，导致声速随深度变化，形成了声速剖面。声波总是倾向于向声速较低的方向弯曲。

  • 在声速随深度增加而减小的区域（如表层受热带影响），声波会向下弯曲。
  • 在声速随深度增加而增加的区域（如深海受压力影响），声波会向上弯曲。
  • 这种折射效应会形成声影区（声波无法到达的区域）和会聚区（声波能量集中的区域），极大地影响水下声波的传播路径和范围。
  • 著名的“深海声学通道”（SOFAR channel）就是一个特殊的折射现象，发生在声速最低的深度层附近。声波在这一层上下被折射，能够传播数千公里而能量损失相对较小。
• 散射 (Scattering)：

  当声波遇到小于其波长或与其波长相当的不均匀体（如水中的气泡、悬浮物、浮游生物、湍流、海底的不规则表面等）时，声能量会向各个方向分散，这称为散射。

  • 体积散射：由水体中的微小物体引起。
  • 边界散射：由不平坦的水面或海底引起。
  • 散射使得声波传播路径复杂化，也是一些声学探测（如探测浮游生物分布）的原理基础。

所有这些传播特性（衰减、反射、折射、散射）共同决定了水下声场的分布，是水下声学建模、声纳系统设计和数据解释时必须考虑的关键因素。理解声音在水中的传播速度及其影响因素，是预测和解释这些复杂传播行为的基础。