2. 海洋环境与声波传播基础

水声通信之所以与无线电通信有本质区别，根源在于海水本身就是一个随空间和时间变化的复杂介质。声波是海水中唯一能够远距离传播的能量形式，而它的传播速度、路径和衰减都受到温度、盐度、压力三个物理量的直接控制。理解这三者如何影响声速，以及声波在非均匀海水中的反射、折射与散射行为，是后续建立信道模型、设计通信方案的前提。

一、温度、盐度、压力对声速的影响

海水中的声速典型值约为 1500 m/s，大约是空气中声速的 4.3 倍。但这个数值并非恒定：在同一片海域，表层与深层、夏季与冬季的声速可以相差数十米每秒，足以显著改变声线的弯曲方向和传播时延。

三个物理量对声速的影响方向和敏感度各不相同。温度是最主要的因素，在低温段（约 0～25℃）温度升高使声速增大，敏感度约为 3～5 m/s 每摄氏度；盐度每增加 1‰，声速约增加 1.2～1.3 m/s；压力（即深度）每增加 10 m，声速约增加 0.17 m/s。工程上常用经验公式估算声速，例如 Medwin 简化公式：

c = 1449.2 + 4.6T - 0.055T² + 0.00029T³
    + (1.34 - 0.01T)(S - 35) + 0.016D

其中：T 为温度(℃)，S 为盐度(‰)，D 为深度(m)，c 为声速(m/s)

以一个教学示例说明：取 T=20℃、S=35‰、D=50 m，代入可得 c ≈ 1449.2 + 92 − 22 + 2.32 + 0 + 0.8 ≈ 1522 m/s。若同一位置冬季表层温度降至 5℃，则 c ≈ 1449.2 + 23 − 1.375 + 0.036 + 0 + 0.8 ≈ 1472 m/s。仅温度一项就带来约 50 m/s 的差异，这正是声速剖面随季节变化的原因。需要注意，上述数值为公式估算的示例结果，实际海域应以温盐深仪（CTD）实测数据为准。

二、反射、折射与散射

声波在海洋中传播时遇到三类基本现象。反射发生在声阻抗突变的界面上，最典型的是海面与海底：海面近似为压力释放边界，反射系数接近 −1，反射波相位反转；海底则取决于底质类型，泥质海底反射较弱、砂质或岩石海底反射较强。反射决定了多径结构中海面反射路径与海底反射路径的强度差异。

折射是水声传播中最重要的现象。当声波斜穿过声速不同的水层时，传播方向会发生偏折，遵循斯涅尔定律：

cos(θ₁)/c₁ = cos(θ₂)/c₂ = 常数

θ 为声线与水平方向的夹角（掠射角），c 为当地声速

这里采用“声线与水平面夹角”的约定，全文及图示保持一致。由该式可见，声线总是向声速较小的方向弯曲。若声速随深度减小，声线向下弯曲；若声速随深度增大，声线向上弯曲。当声线掠射角减小到零时发生全反射，声线折返，这正是深海声道（SOFAR 声道）能够将声能约束在声道轴附近远距离传播的物理机制。

散射则由海水中的不均匀体引起，包括海面波浪、气泡、悬浮泥沙、生物群以及海底粗糙度。散射使部分声能偏离原传播方向，形成混响背景，对通信而言是一种乘性干扰，会降低接收信噪比并造成符号间干扰。体积散射与界面散射的强度随频率升高而增强，因此高频通信系统受散射影响更明显。

三、声速剖面与声线弯曲

将声速随深度的变化绘制成曲线，即声速剖面（Sound Speed Profile, SSP）。典型深海剖面可分为三层：表面混合层声速近似恒定或略降；主跃层声速随深度快速下降；深海等温层声速随压力增大而缓慢回升。声速最小值所在深度称为声道轴，声线在声道轴附近往复折射而不触及边界，形成低损耗传播通道。

声线弯曲直接决定了信道的多径结构。以表面声道为例，当声源位于混合层内、声速随深度略减时，声线向下方弯曲，经折射后折返，与海面反射路径叠加，形成密集的到达簇。若声源位于跃层以下、声速随深度增大，声线向上弯曲并被海面反射约束，传播损失相对较小。工程上常通过射线追踪（如 Bellhop 类工具）输入实测 SSP 计算本征声线，得到各路径的到达时延与幅度，作为信道建模的几何基础。

上图左侧给出典型深海声速剖面，右侧展示同一 SSP 下三条主要本征声线的几何形态。可以看到，海面反射路径与折射折返路径在接收端形成时延相近的到达簇，而海底反射路径时延明显更长、幅度更弱。这种“到达簇 + 长时延弱路径”的结构，正是水声信道呈现稀疏多径特性的几何来源，也是后续设计均衡器与信道估计器时需要针对的对象。

综合来看，温度、盐度、压力通过改变声速分布塑造了声线几何，反射与散射则在此基础上叠加边界效应与随机扰动。掌握“环境参数 → 声速剖面 → 声线路径 → 多径结构”这条因果链，就能把海洋物理量转化为信道模型中的时延、幅度与角度参数，为后续的传播损失计算和通信链路预算打下基础。