§ 2. Основные параметры акустических волн

К основным параметрам акустических волн относятся аку­стическое давление, энергия акустического поля, интенсивность звука. С изменением степени сжатия частиц среды происходит изменение акустического давления. Это давление изменяется во времени и по мере удаления от источника излучения. Величина акустического давления незначительна, она накладывается на среднее гидростатическое давление. Акустическое давление можно определить как разность давления в какой-либо точке акустического поля и среднего гидростатического давления при отсутствии волн. Единицей измерения акустического давления является паскаль (Па). Уровень звукового давления относи­тельно условно нулевого порога слышимости (2- 10~⁵ Па) изме­ряется в децибелах (дБ).

Энергией акустического поля называется сумма кинетиче­ской энергии колеблющихся частиц и потенциальной энергии уп­ругой деформации. Энергия измеряется в джоулях (Дж). Мощ­ность акустического поля измеряется в ваттах (Вт). Основной энергетической характеристикой является интенсивность звука /. Интенсивностью звука называется количество энергии, перено­симое звуковой волной через площадку в 1 м², поставленную перпендикулярно направлению распространения звуковой волны за единицу времени. Величина / (в Вт/м²) определяется по фор­муле

где Р — мощность акустического поля, Вт; /? — расстояние до излучателя, м. При направленном источнике излучения

где 52 — угол направленности.

Скорость звука является основной характеристикой среды, определяющей многие особенности распространения акустиче­ских волн. В частности, при изменении скорости распростране­ния происходит, рефракция акустических волн, т. е. их искрив­ление; это обязательно нужно учитывать при работе с рыбопо-исковыми приборами горизонтального действия. Скорость звука в море зависит от давления, температуры и солености, которые могут изменяться в зависимости от глубины, времени года, гео­графического района и времени суток. Аналитические и экспе­риментальные методы позволяют получить эмпирические фор­мулы расчета скорости звука в зависимости от солености, плот-ности и температуры. Наиболее широкое распространение полу­чили формулы Вуда, Дель-Гроссо и Вильсона. Формула Вуда имеет вид

с= 1450+4,206/—0.0366*⁸-г-1,137(5—35) + 0,175А,

где г — температура, "С; 5 — соленость, %о; А— глубина, м.

На рис. 2 представлены номограммы для определения скоро­сти звука в зависимости от различных факторов.

1 600

1550 -

1460 1480 1500 1520 1540с м/с

Рис. 2. Зависимость скорости звука:

с — от солености и температуры; /— 5=20 %>; 2— 5=28 %>; 3 — 5—33%»; б — от глубины . океана: / — Тихого; 2 — Атлантического; 3 — Индийского

§ 3. Затухание акустических колебании

Дальность распространения акустических волн зависит от потерь их энергии, состоящих из потерь энергии на расширение фронта волны и ее затухание. Потерн на сферическое расшире­ние вызывают ослабление звука по мере удаления фронта волны от источника излучения, причем интенсивность звука уменьша­ется пропорционально квадрату расстояния, а потери возра­стают в той же пропорции.

Затухание колебаний происходит в результате поглощения •акустической энергии морской водой и рассеяния ее в неодно­родной среде. Поглощение связано с процессом превращения акустической энергии в тепловую. Основной причиной поглоще­ния звука на частотах до 100 кГц является ионная релаксация (диссоциация и восстановление молекул) сернокислого магния М§5О₄, происходящая под действием акустической волны. По­тери возрастают с увеличением частоты акустических волн. По­глощение происходит за счет неоднородности, изменения темпе­ратуры, плотности и солености воды. Существенно влияют на затухание акустических волн в воде пузырьки воздуха, обра­зующиеся в результате волнений и жизнедеятельности планктона,биологические объекты, твердые частицы. Неоднородность слоев воды приводит к рассеянию звука.

Рассмотрим рассеяние звука дном и поверхностью моря, ко­торое также приводит к ослаблению интенсивности волн. По­верхность моря отражает и рассеивает акустические волны. Если считать море идеально гладким, то интенсивность отра­женной волны будет близка к интенсивности падающей на по­верхность моря акустической волны. При волнении поверхности моря потери возрастают с увеличением высоты волн. Экспери­ментально установлено, что при высоте волн 0,3—0,5 м потери составляют около 3 дБ, а при 1 м — около 5 дБ. Ранее было рассмотрено, что подповерхностный слой неоднороден; это вы­зывает поглощение и рассеяние волн. Наибольшее рассеяние создается пузырьками, совершающими колебания на резонанс­ной частоте и имеющими большие размеры. Морское дно также отражает и рассеивает акустические волны. Так как структура дна неодинакова (состоит из пород различной плотности, пори­стости и конфигурации), отражение и рассеяние носят сложный характер. Потери при отражении определяются следующими параметрами: плотностью, скоростью звука, коэффициентом по­глощения. Потери зависят также от угла скольжения и частоты акустических волн.