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1 前言1

1.1 应用1

1.2 海底散射研究2

1.3 本书组织结构4

2 基本概念和定义6

2.1 地球物理属性6

2.1.1 物理性质7

2.1.2 地声性质8

2.1.3 梯度和随机性特性9

2.2 沉积物声波传播理论11

2.2.1 流体理论12

2.2.2 弹性理论13

2.2.3 多孔弹性理论14

2.3 反射和散射14

2.3.1 反射15

2.3.2 散射17

3 海底沉积物的性质23

3.1 近岸沉积物的成因和分类23

3.2 沉积物结构26

3.2.1 黏土微结构27

3.2.2 硅质碎屑砂的组构34

3.2.3 碳酸盐沉积物结构37

3.3 沉积物中的气泡41

3.4 水动力条件和生物过程的影响47

3.4.1 水动力过程48

3.4.2 生物过程53

3.5 研究存在的问题59

4 物理性质61

4.1 沉积物粒径分布61

4.2 砂粒的形态73

4.3 不同相态参数的关系：孔隙度、孔隙比、含水量和体密度75

4.4 沉积物的传导性82

4.4.1 渗透率82

4.4.2 电阻率86

4.4.3 热导率87

4.4.4 固结和压实试验测得的传导性89

4.5 颗粒性质90

4.5.1 沉积物颗粒的密度90

4.5.2 沉积物颗粒的体积模量93

4.6 影响流体运动的因素97

4.7 孔隙水性质98

4.7.1 孔隙水密度98

4.7.2 孔隙水黏度98

4.7.3 声速和声衰减99

4.8 研究存在的问题99

5 地声属性101

5.1 压缩波速度和衰减102

5.1.1 测量技术102

5.1.2 测量数据及其回归关系107

5.1.3 沉积物样品实验室测量107

5.1.4 岩芯样品实验室测试数据的回归分析111

5.1.5 声学特性梯度113

5.1.6 原位测量数据的回归分析116

5.1.7 不同回归公式对比119

5.1.8 声阻抗指数回归关系121

5.2 剪切波速度和衰减126

5.2.1 剪切波实验室测量技术126

5.2.2 剪切波原位测量技术128

5.2.3 剪切波数据和回归方程129

5.3 Biot理论和“慢纵波”136

5.4 声速和声衰减与频率的关系137

5.5 沉积物体密度回归分析139

5.6 岩石的性质140

5.7 研究存在的问题140

6 海底粗糙度142

6.1 海底粗糙度的统计特征144

6.2 海底粗糙度的测量149

6.3 海底粗糙度谱实例154

6.4 海底粗糙度的时间变化158

6.5 粗糙度谱幂律假设的有效性162

6.6 海底粗糙度与沉积物物理性质之间的关系164

6.7 粗糙度谱参数之间的关系166

6.8 小结167

6.9 研究存在的问题168

7 沉积物的非均匀性169

7.1 非均匀性的测量173

7.2 连续非均匀性的统计特征189

7.3 与波动参数相关联的各种关系193

7.4 由有限分辨率导致的测量偏差194

7.5 非均匀性统计实例199

7.5.1 变异系数199

7.5.2 对波动谱早期的研究工作200

7.5.3 近岸海底边界层（CBBL）站位细粒沉积物的测量201

7.5.4 近岸海底边界层（CBBL）站位粗粒沉积物的测量201

7.5.5 Pouliquen-Lyons的细粒沉积物测量202

7.5.6 SAX 99站位砂质沉积物的测量204

7.6 研究存在的问题206

8 流体理论208

8.1 波动方程210

8.2 平面波211

8.3 能量损失和能通量212

8.4 边界条件215

8.5 反射和透射216

8.6 平坦海底下的非平面波220

8.7 Wood方程224

8.8 研究存在的问题225

9 弹性理论226

9.1 波动方程227

9.2 平面波解228

9.3 能量损失230

9.4 边界条件230

9.5 反射和透射231

9.6 非平面波233

9.7 Gassmann方程235

9.8 Buckingham理论235

9.9 研究存在的问题240

10 多孔弹性理论241

10.1 Biot理论241

10.1.1 Biot理论本构关系242

10.1.2 Biot理论的波动方程243

10.1.3 平面波246

10.1.4 边界条件250

10.1.5 反射和透射251

10.2 等效密度流体近似模型253

10.3 Biot理论的实验测试257

10.4 Biot理论的其他替代形式260

10.5 研究存在的问题260

11 海底声反射262

11.1 反射测量中存在的问题262

11.2 反射测量数据与理论模型的对比264

11.2.1 反射的野外测量265

11.2.2 反射的实验室测量268

11.3 研究存在的问题271

12 海底声散射实验273

12.1 单基地声散射实验274

12.1.1 掠射角依赖性275

12.1.2 频率依赖性278

12.2 双基地声散射实验280

12.3 研究存在的问题281

13 海底粗糙散射模型282

13.1 粗糙散射模型的一般性质283

13.2 小粗糙度微扰近似287

13.2.1 流体模型289

13.2.2 弹性模型291

13.2.3 多孔弹性模型293

13.2.4 小粗糙度近似模型的实验测试296

13.3 Kirchhoff近似302

13.3.1 高频Kirchhoff近似303

13.3.2 Kirchhoff近似的实验测试306

13.4 小斜率近似307

13.5 复合粗糙度近似308

13.6 离散散射体散射314

13.7 近似的数学精度315

13.8 研究存在的问题320

14 沉积物体积散射模型321

14.1 沉积物体积散射流体模型321

14.1.1 体积散射基本模型322

14.1.2 粗糙散射与体积散射的相互作用325

14.1.3 流体模型微扰近似326

14.1.4 连续流体非均匀性的统计描述327

14.1.5 流体模型微扰近似的实验测试330

14.1.6 流体模型微扰近似的数学精度331

14.1.7 离散非均匀性散射332

14.2 沉积物体积散射弹性模型341

14.2.1 弹性模型微扰近似341

14.2.2 弹性非均匀性的统计描述343

14.2.3 数值计算实例343

14.3 研究存在的问题344

15 海底声透射346

15.1 声透射的粗糙度微扰近似模型349

15.1.1 正弦沙波声散射350

15.1.2 形式平均微扰近似模型351

15.1.3 透射模型的实验测试354

15.2 数学精度357

15.3 研究存在的问题357

16 反向散射统计特性研究359

16.1 反向散射声场的一般统计特性361

16.2 高斯统计362

16.3 非高斯统计366

16.3.1 对数正态概率密度函数367

16.3.2 Weibull概率密度函数368

16.3.3 K概率密度函数368

16.3.4 瑞利混合概率密度函数369

16.3.5 Crowther模型370

16.3.6 McDaniel模型372

16.4 研究存在的问题376

附录A 符号说明377

附录B 海水性质的计算389

B.1 海水密度390

B.2 海水声速391

B.3 海水的声吸收与声衰减393

B.4 海水黏度396

B.5 海水的电导率397

B.6 实用盐度399

附录C 沉积物参数的变异系数401

附录D 粗糙度及体积非均匀性的统计特性404

D.1 界面粗糙度404

D.1.1 特殊粗糙度谱形式405

D.1.2 粗糙度谱的转换406

D.1.3 粗糙度谱的单位407

D.2 体积非均匀性407

D.2.1 非均匀性谱的维数转换408

D.2.2 参数波动间的关系409

D.2.3 有限分辨率导致的偏差410

附录E 信号的复数表示412

附录F 声学换能器414

附录G 声学测量418

G.1 反射测量418

G.2 散射测量419

G.2.1 中小掠射角421

G.2.2 近垂直反向散射424

G.2.3 统计误差429

附录H 测量单位与分贝430

附录I 声速-声衰减关系的因果约束431

附录J 散射截面和平面波437

J.1 通用表述437

J.2 远场问题440

附录K 界面粗糙散射微扰近似445

K.1 流体-流体边界447

K.2 流体-弹性边界450

K.3 流体-多孔弹性边界453

附录L Kirchhoff近似和小斜率近似455

L.1 Ki rchhoff近似455

L.2 小斜率近似456

L.3 非相干反射系数456

L.4 Kirchhoff近似的高频极限458

附录M 体积散射微扰近似460

M.1 流体沉积物460

M.1.1 非均匀流体沉积物462

M.1.2 粗糙界面散射的体积处理464

M.2 弹性沉积物465

参考文献468