3. 声波传播与海底交互基础
侧扫声呐与多波束虽然成像机理和成果形式不同，但它们都建立在同一套声学物理基础之上：声波从换能器发出，在海水中传播、衰减、扩展，最终与海底发生反射或散射，再返回接收器。理解这条“发射—传播—交互—接收”的链路，是后续理解侧扫声呐回波亮度、多波束测深精度以及两者差异的物理前提。本节围绕声速、吸收、扩展损失和海底反射/散射特性展开，并重点说明入射角与底质类型如何共同决定回波强度。
一、声速：海洋中的“折射率”
海水中的声速并非恒定值，典型范围约为 1450～1550 m/s，工程上常取 1500 m/s 作为近似。声速主要受温度、盐度和深度（压力）影响：温度每升高 1℃，声速约增加 3～4 m/s；盐度每增加 1‰，声速约增加 1.2～1.3 m/s；深度每增加 10 m，声速约增加 0.17 m/s。温度影响最显著，因此浅海温跃层附近声速剖面变化剧烈。
声速变化会带来两个直接后果。其一是声线折射：声波在声速梯度介质中传播时会发生弯曲，形成声影区或汇聚区，影响侧扫声呐的覆盖均匀性和多波束边缘波束的测深质量。其二是测深换算：多波束通过测量双程旅行时 t 计算斜距 r = c·t/2，若声速剖面取值偏差 1%，在 100 m 斜距上就会引入约 1 m 的距离误差。因此实际作业中应尽量使用现场声速剖面（SVP）或温盐深仪（CTD）数据进行声速改正，而不是全程套用 1500 m/s。
二、吸收与扩展损失：回波为何随距离变弱
声波在海水中传播的能量损失分为两类。第一类是扩展损失，源于波前几何扩散：球面扩展时声强随距离平方衰减，传播损失为 20·log₁₀r（r 以米计）；若受海面海底约束近似柱面扩展，则为 10·log₁₀r。第二类是吸收损失，声能转化为热能，用吸收系数 α（dB/m）描述，且随频率升高而迅速增大。低频（如 100 kHz 以下）α 约为每千米几 dB，而侧扫声呐常用的 400～900 kHz 高频段，α 可达每千米数十至上百 dB。
两者叠加得到总传播损失：TL = 20·log₁₀r + α·r（球面扩展情形，r 单位 m，α 单位 dB/m）。举例说明：设频率 500 kHz、α ≈ 0.15 dB/m，斜距 50 m 时扩展损失约 34 dB、吸收损失约 7.5 dB，合计约 41.5 dB；斜距 100 m 时扩展损失约 40 dB、吸收损失约 15 dB，合计约 55 dB。可见距离翻倍，总损失增加约 13.5 dB，其中吸收贡献明显上升。这解释了为什么高频侧扫声呐作用距离有限、远端回波偏弱，也说明时间增益补偿（TVG）必须同时兼顾扩展与吸收两种机制，而不能只按 20·logr 简单补偿。
三、海底反射与散射：入射角与底质的作用
声波到达海底后，一部分发生镜面反射，一部分向各方向散射。回波强度取决于两个核心因素：入射角和底质类型。
入射角通常定义为声线与海底法线的夹角（法线入射为 0°）。小入射角（近垂直入射）时以镜面反射为主，回波强且稳定；随着入射角增大，镜面分量迅速减弱，回波主要来自粗糙界面的散射，强度下降。当入射角接近或超过临界角时，声波可透射进入沉积层，回波进一步减弱。侧扫声呐正是利用这一规律：正下方回波最强，两侧随入射角增大而变暗，形成典型的“亮—暗”灰度分布；多波束则需对边缘大入射角波束做振幅和相位改正。
底质类型决定反射系数与散射强度。声阻抗（密度×声速）差异越大，反射越强。基岩、砾石等硬底质声阻抗高，回波强、图像亮；砂质中等；泥质软底质声阻抗接近海水，大量声能透射，回波弱、图像暗。同时，粗糙度影响散射：砾石、岩石表面粗糙，散射强且方向性弱；泥质表面平滑，以镜面反射为主，偏离镜面方向回波很弱。实际判读时，常结合回波强度、纹理和阴影综合判断底质，而非仅凭亮度。
四、把物理量落到作业参数上
上述规律在实际作业中可直接转化为参数选择与成果判读依据。频率选择上，高频（如 600～900 kHz）分辨率高但吸收大、作用距离短，适合浅水精细调查；低频（如 100～300 kHz）作用距离远但分辨率下降，适合深水或大范围扫测。增益控制上，TVG 曲线应同时包含扩展项和吸收项，远端补偿量更大；若只按 20·logr 补偿，远端图像会偏暗，容易把真实弱回波误判为泥质。底质判读上，应结合回波强度、阴影长度和纹理：硬底质回波亮、阴影清晰；软底质回波暗、阴影模糊甚至缺失。多波束测深中，大入射角边缘波束回波弱、信噪比低，常出现边缘测深跳点，需通过振幅检测、波束改正和质量控制剔除。
需要强调的是，本节给出的吸收系数、声速增量等数值均为典型量级的教学示例，实际作业应以现场 CTD/SVP 测量和厂商提供的频率—吸收曲线为准。只有把声速剖面、传播损失模型和海底交互特性统一到同一套参数体系中，后续的侧扫声呐图像判读与多波束测深成果才能相互印证，而不是各自孤立地“看图说话”。