海水声速测量方法研究【毕业设计】.docx

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1、本科毕业论文（ 届 ）海 水 声 速 测 量 方 法 研 究专 业 ： 海 洋 技 术目录摘要IAbstractII1前 言11.1海水声速及海水声速测量方法的研究意义11.2海水声速测量方法的研究历史和现状12海洋声速剖面测量的具体方法介绍52.1间接测量法52.2直接方法153声速剖面反演技术203.1声速剖面反演技术理论1415203.2一种基于声线理论反演声速剖面的方法 16214对海水声速测量方法和水声学发展前景的展望26参考文献27致 谢 . 错误！未定义书签。本科毕业论文中文摘要海 水 声 速 测 量 方 法 研 究 摘要 海水声速，即声波在海洋中的传播速度，它是反映海水介质特性

2、的极为重 要一个的物理参量。实时精准地测量海水声速，可以快速、有效、方便地为探测仪、 声纳等水声设备校正测量误差提供实时声速数据，为舰船等水声设备的活动搜集和提 供重要的海洋环境参数。因此，研究出有效、准确的海水声速测量方法具有重要的现 实意义。本文首先介绍了海水声速测量方法的研究背景、意义及其研究历史与国内外的研 究现状。然后列举了一些获取海洋声速剖面的具体方法，根据能否使用仪器直接测得 海水声速可将它们分为间接测量法和直接测量法。间接接测量法是指通过测量海水的 盐度、温度、深度，再利用海水经验公式来计算得到海水声速的方法。因此本文介绍 了几种声速经验计算公式的来源与发展、应用限制条件及其测

3、量精确度，并对这几种 经验公式进行对比分析。另外也归纳了目前用于直接测量海水声速的几种基本方法的 原理。海水声速剖面反演技术是一种能够在复杂多变的海洋环境中快速地反演海水声 速剖面的有效方法, 对改善和提高水声设备的工作性能以及海洋研究与开发都是十分 重要的。为此，本文中将其单独作为一章进行叙述。 关键词海水声速；声速测量法；经验公式；声速剖面反演I本科毕业论文英文摘要R esea rch of seaw a te r a coustic v e locity m easure m ent Abs t r act The speed of sound wave in the ocean is

4、vital physical parameters of seawater. Accurately and quickly measuring the sound speed in seawater can provide the real sound speed data for the underwater acoustic system like fathometer and sonar quickly, effectively and conveniently, it also provides the important ocean environmental parameters.

5、 Therefore, developing the measurement method in getting more effective and accurate seawater sound speed is of important.At the first place of the paper, it introduces the seawater velocity measurement methods research background, research history and current research at home and abroad. Then, it e

6、numerates some specific seawater velocity measurement methods, according to which we can directly or indirectly measure seawater speed, so we divide them into direct measurement and indirect measurement. Direct measurement means using water temperature, salinity, depth date and by means of seawater

7、empirical formula calculate seawater velocity. Therefore, the paper introduces the source and development, the application constraints, the measurement accuracy of some different seawater empirical formulas. Besides, recommends some direct measurement methodsprinciple.The inversion technology of sou

8、nd speed profile in the ocean is a kind of effective method of inversion of the sound speed profile in the complex and changeful marine. Researches on inversion of sound speed profile have practical meaning to improve capability of underwater sound equipments and exploitation of ocean resources. The

9、refore, in the dissertation, the presentation of inversion technology of sound speed profile to be separate. Ke yw ords Seawatervelocity;velocity measurement;empirical formula; the inversion of the sound speed profileI I本科毕业论文前言1 前 言1.1 海水声速及海水声速测量方法的研究意义浩瀚的海洋，覆盖在地球表面约 71。随着社会经济的不断发展，人类的活动 越来越离不开海洋：

10、丰富的海洋资源，已成为人类社会可持续发展的必然要求；海洋 环境对全球气候的变化也起着举足轻重的作用。随着二十一世纪的到来，海洋的研究 和开发受到了人们的普遍重视。其中，水声学已成为海洋研究的一个重要方面。1.1.1海水声速的研究意义 海水声速，即声波在海洋中的传播速度，它是反映海水介质特性的极为重要一个的物理参量。声波在海水中的反射、折射、声线弯曲等传播现象与声速直接有关，因 此海水声速的研究在军事部门如反潜、通讯、导航、定位、鱼雷制导、水雷引爆，民 用方面如用于渔业的探测仪、电缆铺设、采矿以及科学研究如水文地质调查、地球物 理探测、声层分析、水体微结构分析、水文水道测量、海洋调查勘察等都有着

11、广泛的 应用和重要的作用。如今，海水声速不仅是水声学研究中的一个重要参数，而且越来 越明显地被列为海洋学的基本要素之一。然而对这些课题的研究没有声速在海洋空间 中的分布资料是不可能的。可见，海水声速的精确测量和计算是极为重要的，它受到 了世界各国有关研究部门的普遍重视。1.1.2海水声速测量方法的研究意义 声波在海洋中的传播速度随时间、地点的不同而变化，一般为 14301550m/s。实时精准地测量海水声速，可以快速、有效、方便地为探测仪、声纳等水声设备校正 测量误差提供实时声速数据，为舰船等水声设备的活动搜集和提供重要的海洋环境参 数。1.2 海水声速测量方法的研究历史和现状1.2.1研究历

12、史对声音在水中传播的最早记载是 1490 年的意大利达芬奇做出的，他写道：“如 果停船将长管的一端插入水中，而将管的开口放在耳旁，能听到远处的航船”，距今 已 五 百 年 1 。 而 水 中 声 速 的 首 次 测 量 则 是 在 1827 年 间 由 瑞 士 物 理 学 家 科 拉 顿 (D.Colladon)和德国数学家斯特姆(C.Sturm)合作，在日内瓦湖中用敲击大钟的方法进 行的。该实验动用了两艘船只、一只大钟、炸药发光、薄壁声管等，如图 1.1 所示：1本科毕业论文前言图 1 . 1 首 次 声 速 测 量Fi gur e 1. 1 survey s the velocity of

13、 sound for the first time用其中一只船将大钟悬吊于水下 3 米处，通过杠杆 m 作用使水下大锤敲击大钟， 在发出钟响的同时，引爆炸药使之发处强光，因为光速相对声速极大，其传播时间可 忽略不计。在另一只船上就用薄壁管听水下声音。听测员记录下自观测到强光到听到 水下钟声的时间，即水声传播的时间。经过多次测量取得这一时间的平均值，又测得 两船之间的距离即声音传播的距离，然后根据 c=L/t 就可以计算得到日内瓦湖水中的 声速为 1435 米/秒。此值与现代测量值是十分接近的。1840 年焦耳有实验得出了磁致伸缩效应，接着 1880 年皮埃尔居里发现了压电 效应，后人在此他们的

14、基础上发明了水声压电换能器和磁致伸缩换能器，实现了水中 电能和声能的相互转换2。正式换能器的问世和放大微弱信号的电子技术发展，使现 代水声学的广泛利用成为可能，也使海水声速测量方法的研究与发现提供了极大便 利。科拉顿设计的方法虽然能测出水中的声速，但是在波涛滚滚的大海中，让两条调 查船保持固定的距离十分困难，因此实际应用中这一方法并不可行。在海洋中，海水 的温度、盐度及静压力的变化，声速也会随之变化。100 多年来，科学家们已经由大 量的实验结果和理论分析找到了声速与海水的温度、盐度和压力的关系：温度越高， 声速越大，盐度及静压力的增加也会引起声速的增大，由此还得出了海水声速经验公 式。其中一

15、个典型的公式表示如下：C =1449.2 + 4.6T - 0.055T 2 + 0.0003T3 = (1.39 0.012T )(S 35)+ 0.17 H(1.1)式中 C 为声速（m/s），T 为海水温度（），S 为海水盐度（），H 为海水深度（m）。 从公式中可以看出，温度、盐度及海水静压力（深度）都对海水中声速有影响，而温度对声速的影响特别显著。海水温度的分布及其变化主要由海水从太阳辐射获得 的热量变化引起的。此外，海水蒸发、海洋表面的热交换、海流、对流、冰的凝结与 溶化等因素也可引起海水温度的不均匀分布。在海洋中，由于不同海区不同季节，海 水的物理状态是不一样的，所以在不同海区、

16、不同季节不同深度时声速也就各不相同。 因此只要测出海水的温度、盐度和压力，就可以根据公式算出海水中的声速了。而温 度、盐度和压力这三个基本量可以在海洋观测中测量出来。这种利用经验公式计算海水声速的方法曾是多年来获得海水声速的惟一方法。经 过多年的不断努力，在 20 世纪 70 年代初，科学家们终于找到了直接测量海水中声速 的方法，并根据这一方法设计制造了声速测量仪。很快声速仪就成为人们迅速、准确 测量水下声速的重要工具。1.2.2国内外研究现状在海洋中，声速约在 14501550ms 之间变化。近年来，随着科学技术的发展， 人们对声速测量方法的应用范围和测量精度要求越来越高。纵观国内外的海水声

17、速测 量的研究现状，可分为两种方法：直接测量法、间接测量法。2本科毕业论文前言间接测量法，即通过测量海水的电导率、温度、深度，利用海水经验公式来计算 声速的方法。目前国际上公认的且计算精度比较好的计算声速的经验公式有三个，即： Chen-Millero 声速算法、Del.Grosso 声速算法和 Wilson 声速算法。国内外已有一些文 章已经对这三个公式进行了比较，如 Christopher 和 Watts 3 的声学研究结果表明，在 海水中 Del Gross 的声速算法要比 Chen-Millero 的好。陈红霞4 等使用在西太平洋调 查中获取的 3 次 CTD 水文调查数据做的一系列的

18、计算表明：用 Wilson 方程计算声速 要比用 Chen& Millero(1977)方程计算声速快；而从海表面到 1500m 深的范围内，用 Del.Grosso 声速算法属最慢的；与同时利用声速测量仪直接测得的数据相比，在 200m 到 600m 的范围内，Chen-M illero 算法要比 Del Grosso 算法精确，可以精确到 0.15m/s， 而在其它范围内 Wilson 较为准确， 误差被控制到 0.05m/s 。 刘贞文 5 等人使用了 2001-2003 年间的海上调查的 CTD 和声速仪 SVP 数据，通过直接测量的声速与常用 的三种利用 CTD 计算声速的经验公式所

19、计算的声速剖面进行对比，并采用了相关运 算和回归分析，结果表明:在三个经验公式中，Chen-Miller 公式与实测声速吻合得最 好;在 02000m 深的范围内，用 Chen-Miller 公式来计算声速剖面是可行的；在水深 小于 600m 内，用 Wilson 算法的计算结果误差会比较大；历史上大量的 CTD 资料(河 口区除外)可直接用来换算声速剖面，进而用于声场预报。利用海水的经验公式来计算声速，精准的的 CTD 测量仪是必不可少的。如今， 美国、日本、加拿大以及欧洲的一些发达国家如英国、意大利、挪威等一直进行着 CTD 测量技术的研究和开发。其中，美国的 CTD 设备无论在质量上还是

20、数量上都名 列前茅，仪器精度和种类也是数一数二的。日本流行体积小、重量轻、功耗低的自容 式 CTD 仪器，令人耳目一新。虽然采用 CTD 仪器测量海水的电导率、温度和深度，再通过海水的经验公式来 计算海水声速的精确度很高，但受 C、T、D 测量精度的限制，声速测量结果的可信 度不高。尤其在近岸、港湾等浅海海水中有大量的悬浮物，尤其是导电颗粒，对电导 率的测量产生很大的影响，由此得到的声速误差可能会较大。而目前使用直接测量得 到的声速精度已接近用 CTD 的换算精度，且已有取代 CTD 测量的趋势。直接测量液体声速的方法主要有脉冲时间法、脉冲环鸣法、共振声谱法、超声波 干涉法、相位法、驻波法、超

21、声光栅测量等。它们都是通过测量声波在某一固定距离 上传播的时间或相位，从而直接获得海水声速的，因而我们把它们统称为声速直接测 量法。在直接测量声速的研究中，较为成熟的是脉冲环鸣法。脉冲环鸣法又名脉冲循环法，也是通过直接测量声信号在固定的一直距离内的传 播时间进而得到的声速，但实际上为了得到较高的声速测量精度，通常用接收到后的 反射回波去触发发射电路，再发射下一个脉冲，如此不断地循环下去，就大大降低了 时间测量的相对误差，但却导致了一个误差累计的效应。目前使用脉冲环鸣法直接测 量海水声速的声速仪大量涌现，测量精度从 0.05m/s 到 0.25m/s 不等。如 OCEANO INSTRUMENT

22、 公司的 SV 5XO 声速仪和 APPLIED MICOSYSTEMS 公司的 SV Plus3本科毕业论文前言声速计，测量精度均为 0.25m/s；丹麦 AQUAMATIC 公司的 AQSV1500 型声速仪， 测量精度为 0.2m/s。国内的的，如海鹰集团的 HY1200 型声速仪，其测量精度在 0.25m/s 左右。4本科毕业论文海水声速剖面测量的具体方法介绍2 海洋声速剖面测量的具体方法介绍在第一章中讲述海水声速测量方法研究的国内外现状时已经提到海水声速测量 方法可分为直接测量法和间接测量法。早期海水声速是通过测得的间接参量温 度、盐度、水深来计算的，到上世纪六十年代，随着一系列声速

23、测量仪的诞生，直接 测量法才得到广泛应用。2.1 间接测量法间接测量法即通过测量海水的电导率、温度、深度（CTD），利用海水的经验公 式来计算声速的方法。2.1.1经验计算公式的发展 经过长时间对海洋水声学的研究，科学家们发现：由于海水介质中温度、盐度分布的不均匀以及海水深度的变化都会造成声速分布的不均匀。进一步研究表明海水声 速可表示为温度、盐度和深度(或压力)的函数。从 20 世纪 50 年代起,一些学者先后提 出了适用不同海况的声速经验公式。因此当知道海水温度、盐度和深度时，利用这些 经验公式即可计算出海水声速。对海水声速计算方法的探讨，可追朔到 19 世纪 20 年代。从那时起，许多国

24、家的V =学者从(其中 = CpCv 即定压比热与定容比热之比， 是海水密度， 是等温压缩系数)这个理论公式出发曾先后推导出海水声速与温度、盐度和压力的函数 关系式，并编制出一系列的海水声速查算表。其中以马特威斯(M attews)所发表的纯水 与海水声速表和桑原(Kuwahara)所发表的海水声速表最为著名。后来为了能够使用高 速计算机处理所积累的海洋学资料，一些学者根据桑原的声速表提出了海水声速与 温、盐、压的函数关系式。像 1951 年梅琴兹(Machenzie)根据桑原声速表建立了一个 声速与温度、盐度、深度和纬度相关的效应表达式，以及当温、盐、深变化时他们之 间相互作用的效应表达式

25、6。从 50 年代未开始，声速的测量技术不断改进，更多精密的声速测量资料由此测 得，有关声速计算方程式的研究也得到了迅猛的发展，可以说是日新月异。一系列新 的声速计算方程式相继出现，不仅这些方程式越来越精密，越来越完善，而且声速方 程式的推到方法和导出型式更是有了相应的进展。迄今最准确的计算公式被认为是威尔逊公式。威尔逊的声速测量资料首次涉及了 压力效应的系统研究，他的第二方程式即考虑了温、盐和压单独变化时的声速订正值， 也涉及了它们在同一时间变化时的综合效应，使得该方程式更为完整，适用范围更为 广阔。可以说，威尔逊第二方程式自发表以来，就有效地取代了其他声速计算方程式， 广泛地被世界各水声学

26、研究机构和海洋学研究机构用于转换海水温、盐、压资料到海 洋声速分布资料。更是说，目前世界各国海洋机构所储存的声速分布资料大都是用威 尔逊第二方程式计算得到的。在国内自上世纪六十年代以来，也陆续使用威尔逊第二5本科毕业论文海水声速剖面测量的具体方法介绍方程式计算声速，尤其是 70 年以后，都采用了这个方程式来计算声速资料。 弗赖伊（Frye）和皮尤(Pugh)在威尔逊公式的基础上，给出了更简单的，按照温度 T（ C）及盐度 S（）、静压力（kg/cm2）计算声速的公式如下1 。(2.1)其中式中 c 表示声速（米/秒），P 表示静压力（千克/厘米 2），T 表示时间（秒），S 表示盐度（），而静

27、压力 P（千克/厘米 2）与深度 z（米）的关系为： (2.2)这样，用现场测得的温度、盐度、深度代入上述公式即可精确计算出海水的声速值。但冗长的计算公式有时会显得十分麻烦，在保证精度的前提下一些工程上就可以采用下面简化的方程式来计算：c = 1449. 2 + 4 . 6 T 0 . 055 T 2+ 0 . 00029 T 3+ (1 . 34 0 . 01 T )( S 35 ) + 0 . 16 P(2.3)又因为通常近海海水的盐度比较稳定近似为 35，其压力修正项也可以忽略不 计，则声速公式又可以进一步简化：c =1449 .2 + 4.6T 0.055T 2(2.4)由于式中只有温

28、度 T 这一参数变量，所以只要用海水温度计测出某一剖面的垂直 温度分布就可以计算出该处的声速剖面。2.1.2几种经验公式计算声速值的分析比较 德尔格罗索（Del.Grosso）研究发现，在一个大气压力下，梅琴兹的方程式具有 3 米/秒多的系统偏差，因为桑原声速表给出的声速常数项，即在温度 0、盐度 35和标准大气压力下的声速 C0,35,0 是 1445.5 米/秒，而德尔.格罗索用精密的实验室 测量资料所测得的 C0,35,0 值是 1448.6 米/秒。在高压下桑原声速表计算值也出现不同 程度的差值。后来威尔逊(Wilson)、及其他学者的研究成果也证实了桑原声速表的计 算值具有+3+4

29、米/秒的系统误差。若从中消除这个系统偏差，该方程式的计算结果 和其它较精密的方程式都具有良好的一致性。1959 年，威尔逊在实验室条件下用循环式声速仪获得了较多的精密声速测量资料。之后他用最小二乘法对他首次在海水中取得的 581 个测量结果所组成的声速资料 集进行推导，建立了威尔逊第一方程。该资料的温、盐和压范围分别是：( 3，30)、6本科毕业论文海水声速剖面测量的具体方法介绍PS（33.08，36.55）、（1 千克力/厘米 2，984 千克力/厘米 2）。该方程式采用梅琴兹 声速总方程式的形式，用压力代替深度，并建立了附加项以获得必要的精确度。由该 方程式计算得到的声速值与实验测量得到的

30、结果间的标准差为 0.22 米/秒。但实际上 的海水是不能百分百满足 33.08一 36.55这样的盐度范围要求的。所以，威尔逊又 测量了盐度为 10、20和 30时的声速资料，将建立第一方程式时使用的声速资 料扩展到有 765 个声速测量结果的资料集，该资料集的温度范围为-430、盐度 范围为 037，以及压力范围为 1 千克/厘米 21000 千克/厘米 2。根据这个这个新 的资料集，也采用最小二乘法，威尔逊建立了著名的威尔逊第二方程式。该方程是由 第一方程式的 20 个变量再加上两个附加项，共 22 个变量组成 6：TV =1449.14 +V其中+V +V+VT P S(2.5)VT=

31、4.5721T4.453210-2T22.604510-4T3+7.985110-6T4 VP=1.6027210-1P+1.026810-5P2+3.5216l0-8P3-3.360310-12P4 VS=1.39799(S35)+1.6920210-3(S35)2 VSTP=(S35)(1.124410-2T+7.771110-7T2+7.701610-5P1.294310-7P2+3.158010-8PT+1.579010-8PT2)+P(1.860710-4T+1.579010-8T2)+P(1.860710-4T+7.481210-8T2+4.528310-8T3)+P2(2.529

32、410-7T+1.856310-8T2)+P3(1.964610-10T)式中 T 表示温度()；S 表示盐度()；P 表示压力(kg/cm2)；V 表示声速(m/s)。 威尔逊第二方程式的声速计算值和实际声速测量值之间的标准偏差为 0.3 米/秒，这样的计算精度在水声学和海洋学范围内的多数应用问题上是被允许的，也是比较理 想的。勒鲁瓦(Leroy)发现现有的各种声速方程式都是其声速测量资料在数学上的最佳 拟合，但这些测量资料与现实情况有很多不相对应。所以，勒鲁瓦提出了“实际的海 水”的概念，即是“通过足以允许中型船只自由穿越的自然深水道相连的所有世界水 体”。在这种水体中，温、盐范围随深度变

33、化比较大。由此对照威尔逊方程式所依据 的测量资料可以看出，威尔逊确立其第二方程式时用到的 747 个资料中，仅 300 个资 料是符合条件的。这样就很有可能降低方程式在实际条件下的精度，或着要引入附加 特性。勒鲁瓦考虑了上述因素及现有海水声速方程式较复杂的特点，提出了新的方程式 建立方法，并创建了两种方程式。在“实际的海水”范围内，他的第一个方程式能更 容易也足够精密地计算出由威尔逊方程式给出的声速值，两者的差值在 0.1 到 0.2 米/ 秒；他的第二个方程式能计算出比威尔逊第二方程式更为精密的声速值。他的这两个 方程式比较简单，只 12 个变量，系数也只一、二位有效数字，还可根据实际用途给

34、 出适当的简化公式，更适用于台式计算器进行具体运算。但勒鲁瓦研制的这两个方程7本科毕业论文海水声速剖面测量的具体方法介绍的分析方法是比较粗造的，也没有突破威尔逊方程式固有特性的结构。但他提出的一 些问题，尤其是 “实际的海水”这一概念是十分重要的，引起了声速方程式探究者 的广泛重视，也为探讨威尔逊研究成果提供了一条重要的线索。此外，勒鲁瓦将深度 和纬度作为变量引入到声速方程式，这成了改进现有方程式的一个方向。弗赖伊(Frye) 和皮尤(Pugh) 在勒鲁瓦的基础上重新分析了威尔逊的声速测量资 料，结果表明威尔逊用来导出其二方程式时用的两个海水资料集是根据不同的统计总 体的，因此是不相容的。弗赖

35、伊和皮尤舍弃了威尔逊的海水声速资料，也舍弃了威尔 逊超出“实际的海水”范围的资料点，重新选择了 209 个测量结果的资料点，并通过逐步回归法建立了一个仅含有 11 项的简化方程式。在这个资料范围内，计算声速值和实验室测量声速值之间的标准偏差仅是 0.10 米/秒。根据后来德尔格罗索的分析 比较结果，可知弗赖伊& 皮尤方程式在低盐范围(低于 30)和高盐范围(高于 37)明 显地超出了适用范围，是不能成立的，因为他们忽略了威尔逊较近的测量资料的必不 可少性。但在其适用的范围内该方程式和其他的精密方程式具有良好的一致性。因此 可以认为，弗赖伊& 皮尤方程式的使用价值是很有限的。继勒鲁瓦之后，安德森

36、(Anderson)也对威尔逊的声速资料及方程式进行了细致、 有益的分析与探讨。安德森由勒鲁瓦的“实际的海水”的概念，进一步确立了实际海 洋范围和开阔海洋范围两个实际的温度、盐度、静压力范围。实际海洋范围是指在“实 际的海水”中存在的所有三重温、盐、压值，开阔海洋范围指在主要的大洋和海中存 在的三重温、盐、压值。由此，安德森得出，威尔逊声速测量资料中盐度是以不等间 隔从 0到 42.15、温度以不等间隔从3.00到 39.85以及静压力以等间隔从 0 kg/cm2 到 984kg/cm2 范围测量的，外加一个 1150 kg/cm2 的测量结果。就是所测量资 料对于温度和盐度的分布是不均匀的，

37、而且几乎 50%的测量结果是从-36的温度区 间和从 33.0836.55的盐度区间内获得的。还发现，开阔海洋范围差不多包含了威 尔逊在大气压力下得到的所有测量结果。但深度越大的，威尔逊的测量资料就越来越 超出实际海洋的范围。安德森 6 进一步假定了一种海水声速关于温、盐、压相关性的函数型式，并分析 了威尔逊实验室声速测量结果和函数型式计算结果之间的余数值，来探讨声速测量资 料的任何可能的偏差或其相容性。结果表明：用于取得威尔逊声速测量资料的三个盐 度样品盐度值存在着误差，其值远大于测量误差，可以断定威尔逊对这三个样品盐度 值的测定是有误的；根据五个较高盐度样品所测定的声速资料的余数分布与根据

38、三个 较低盐度样品所测得的声速资料的余数分布有显著不同，最大余数值和三个较低盐度 样品有关；由于侧量环境影响，测量精度难以控制，所以最大余数值出现在高压下的 低温和高温情况下；所求得的一个三次多项式是模拟声速的温度和压力相关性的最佳 函数型式，而为表示声速的盐度相关性，建立的一个二次多项式是适宜的。于此同时，安德森回顾了威尔逊方程式的研究过程，并分析了由威尔逊第二方程 式计算的声速值与在实际海洋范围和开阔海洋范围测量的声速值之间的余数分布，结8本科毕业论文海水声速剖面测量的具体方法介绍果表明：1 作为盐度函数的平均余数分布，在实际海洋范围盐度为 30.03、33.08和33.95时取得的测量结

39、果的余数值表现出反常状态，其平均余数值分别是 0.16 米/ 秒、0.30 米/秒和 0.21 米/秒。当盐度变化在 0.0333.08之间时，威尔逊第二方程 式计算的声速梯度相对于实际测量结果的平均偏离为0.46 米/秒，而当盐度变化在 33.0833.95之间时，该平均偏离为 0.51 米/秒。2.作为压力函数的平均余数值分布，从海表到 4070 米，威尔逊第二方程式声速计算结果和测量值是相当吻合；但从 4070 米到 8150 米，计算值小于实验室测量结果，平均声速偏离了 0.42 米/秒，最大垂直声速梯度误差出现在 4070 米和 5430 米之间；在实际海洋范围，大于 5430 米的

40、深层，71 个测量结果仅有 9 个是正的，最大正、负 余数值分别是 0.60 米/秒和0.21 米/秒。3.作为温度函数的平均余数值分布，当温度小于 6时，由威尔逊第二方程式计 算得到的声速值和实测结果之间的平均余数值都是负的，而在实际海洋范围内，1 和2之间所出现的最大声速梯度误差是 0.25m/s/。总之，对于实际海洋范围和开阔海洋范围，威尔逊第二方程计算声速梯度在声学 应用问题所关注的温、盐、压范围系统地偏离实验室测量结果。在上述分析的基础上，为改进威尔逊第二方程式固有的声速梯度误差，安德森研 究了四个声速方程式：1.利用原来的 765 个测量结果的资料集合，用逐步回归方法求算其常数的威

41、尔逊22 个变量方程式。2.利用原来的 765 个测量结果的资料集合，同时通过平均值校正其中三个盐度值，用逐步回归方法求算其常数值的威尔逊 22 个变量方程式。3.为台式计算器使用而设计的，由勒鲁瓦给出其常数的勒鲁瓦 12 个变量方程式。4.利用威尔逊声速测量资料集合中存在于实际海洋温、盐、压范围的 344 个测量 结果组成的资料集合，通过平均值校正了其中的三个盐度值，并用逐步回归方法求其 常数的 13 个变量方程式：TV =1402.95 +V+V +V+VT P S(2.6)PS其中 VT=5.04411497177T5.6286493516410-2T2+2.4159076902310-

42、4T3 Vs=1.24494448604S+2.2948746739910-8S 2VP=1.5726743161810-1P+2.04834941313l0-5P2VSTP =1.3339540994910-3TS+1.0147071028310-4T2S8.35657086396510-7TP2+2.8903319715010-7T3P2.0053991499910-10SP3+4.1858875305510-6TSP式中 T温度();S盐度(千分数);P压力(千克力/厘米 2)，V声速(米/秒)。 根据安德森的分析，上面三个方程相对于威尔逊第二方程式没有重要改进，其计算声速值都与在海洋中

43、存在的温、盐、压三重效应声速测量结果存在系统差值，该差9本科毕业论文海水声速剖面测量的具体方法介绍值使计算声速梯度产生了重要偏离。惟勒鲁瓦的方程式有效的改进了许多在实际海洋 中存在的温、盐、压三重效应声速梯度偏离。而第四个方程式的计算声速值和测量结果之间的标准偏差是 0.15 米/秒。根据安 德森的分析结果，在实际海洋范围与威尔逊第二方程式相比较，该方程式其声速余数 绝对值 95.3%小于 0.30 米/秒，而威尔逊第二方程式仅有 68.2%的余数值小于 0.30 米/ 秒；最大正、负余数值分别是+0.40 米/秒(在温度0.906、盐度 33.95和深度 1350 米时)和0.58 米/秒(

44、在温度2.166、盐度 32.89和深度 4070 米时)，而威尔逊第 二方程式的最大正、负余数值分别是+1.103 米/秒(在 19.575、20.26和 951 米时) 和一 1.298 米/秒(在 4.947、33.05和 951 米时)，该方程式余数盐度异常值大大地 减小，例如盐度从 30变化到 33，计算声速梯度相对于测量结果的平均偏离从 0.46 米/秒降低到0.08 米/秒，盐度从 33变化到 34，该平均偏离从 0.51 米/秒降 低到 0.20 米/秒;该方程式排除了从表面到 9510 米整个深度范围的深度声速偏离，在实际海洋范围，平均余数值完全处在士 0.06 米/秒之间；

45、对于表层低温范围而言，该 方程式排除了或大大减小了为威尔逊第二方程式所表现出的声速偏离。德尔格罗索（Del.Grosso）注意到，在此之前发表的声速测量资料，自威尔逊 的以来，除了若干有限的大气压力声速测量资料之外，都是初期的实验室海水声速测 量资料。他也注意到了上述许多学者对威尔逊声速测量资料对及其方程式的分析研究 “都忽视了威尔逊的那些资料含有超出了数学模式和实验室测量资料之间的统计学 问题或拟合优度的系统误差的可能性”。德尔.格罗索还注意到，已有许多证据表明威 尔逊纯水声速资料在现场所关注的范围比格里斯潘和奇艾格的精密测量结果高 0.33米秒左右，相应的威尔逊测量结果的偏差是 0.66 米/秒。据此，德尔格罗索的结论 是，“取得新的实验室声速测量资料是完全必要的，这种资料至少可以作为建立一个 可接受的海水声速方程式的媒介。”德尔格罗索和马德(M ader) 7 利用密封干涉仪先后于 1969 年和 1970 年在同一批标准海水样品(1966 年)中取得了大气压力声速测量资料和高压声速测量资料共 627 个。这些声速测量资料全部是在盐度 3041、温度 040范围和压力 01000kg/cm2 范围的实际海水条件下取得的