§ 4. Отражение и преломление акустических волн

Акустические волны при распространении встречают на своем пути морское дно, косяки рыб, поверхность моря и т. д., т. е. среды с разными физическими свойствами. Если поверх­ность раздела двух сред больше длины волны, то акустическая волна частично отражается, а частично проходит в другую среду, меняя при этом направление распространения (рис. 3). Согласно закону отражения а = аь а согласно закону преломле­ния 5Ша/з1Па2 = С1/с₂=п, где п — показатель преломления, с\сч— скорость звука в двух средах, а — угол падения, ач — угол пре­ломления. Равенство углов падения и отражения сохраняется при любых значениях а. Направление распространения отра­женной волны называется зеркальным отражением. Явление от­ражения от разнородных сред используется для измерения глу­бины места, скорости судна и обнаружения объектов промысла.

Энергетическое соотношение падающей и отраженной волн характеризуется коэффициентами отражения, или преломления, ^. Коэффициенты можно выразить через акустическое (волно­вое) сопротивление среды рс, тогда коэффициент <7 =р1С1/р₂<?₂, где рь 2— плотности сред. Если акустические сопротивления сред равны, акустическая энергия первой среды полностью пе­редается второй среде. Если сопротивление первой среды значи­тельно больше второй, то вся падающая энергия отражается в первую среду. Если сопротивления различаются незначи­тельно, то часть акустических волн отражается, а часть перехо­дит во вторую среду. Так, например, если имеются две среды — вода и воздух, то их волновые сопротивления значительно отли­чаются, поэтому практически вся энергия отражается от гра­ницы сред. Если акустические волны падают на морское дно, то отражение их будет различным в зависимости от характера грунта. При падении на каменистый грунт около 80 % энергии отражается, а остальная энергия передается дну. При илистом грунте эти соотношения меняются, т. е. около 20 % энергии отражается, а около 80 % передается дну. Незначителен также ко­эффициент отражения от разреженных скоплений рыб. Если по­верхность на разделе двух сред имеет неровности и размеры этих неровностей соизмеримы с длиной волны, то происходит рассеяние акустической энергии. Такое отражение называется диффузным.

На некоторых судах излучатели (антенны) акустических волн устанавливаются без прорези днища в специальных выго­родках, которые на судах называются -ганками (рис. 4). Такая установка антенн применяется у навигационных эхолотов — приборов для измерения глубины.

Акустические волны при излучении проходят границы раз­дела с разными акустическими сопротивлениями. Условием про­никновения волн за перегородку является равенство акустиче­ских сопротивлений р!С1 = р2С2 = рзСз. Танк заполняется смесью, близкой по сопротивлению морской воде. Главным компонентом

такой смеси является касторовое масло. Акустическое сопротив­ление металлических перегородок значительно отличается от сопротивления морской воды, однако если по толщине обшивки укладывается целое число полуволн 1=пК/2, то обшивка, совер­шая резонансные колебания, передает звук без потерь.

В рыболокаторах антенны устанавливаются в выдвижных устройствах в специальных обтекателях, выполненных из ме­таллических листов, стеклопластика или резины.

Отражение акустических волн от рыб и дру­гих промысловых объектов. Рыбы и другие объекты промысла имеют акустические свойства, отличающиеся от аку­стических свойств водной среды. Акустические волны при встрече с объектами промысла частично отражаются, частично рассеиваются и преломляются. Отраженные сигналы поступают на приемные антенны значительно ослабленными. Уровень эхо-сигналов, выраженный в децибелах, называется силой цели. Она зависит от отражающих свойств объектов. Чем больше размеры цели, тем больше площадь отражения. Отражающие свойства зависят от вида рыб в косяках, концентрации косяков, их протяженности по глубине и горизонту. Акустические волны отражаются от мышц, костей, чешуи рыб. Если рыбы имеют плавательные пузыри, то в этом случае сила цели резко возрас­тает из-за значительного обратного рассеяния. Сила цели может быть приближенно определена по формуле

СЦ=101§(/₂//₁),

где /₂ — интенсивность отраженной волны на расстоянии 1 м от центра цели; /1 — интенсивность падающей на цель волны.

СиЛа цели зависит от размеров рыб. Она изменяется также с изменением частоты акустических волн, так как обратное рас­сеяние объектами промысла несколько уменьшается при умень­шении частоты волны (за счет дифракции) и увеличивается при ее увеличении (дифракция незначительна). Сила цели зависит также от направления, по которому акустические волны падают на объект промысла, длительности импульса и характеристики направленности антенны.

При эхо-локации плотных скоплений рыб в результате мно­гократных отражений от отдельных экземпляров рыб происхо­дит суммирование эхо-сигналов и увеличение их интенсивности. Коэффициент отражения акустических волн от рыб равен при­мерно 15—20 %.

Современная гидроакустическая аппаратура позволяет об­наруживать промысловые объекты, обладающие даже неболь* шой силой цели, и опознавать их на фоне изображений и за­писей морского дна, слоя температурного скачка, примесей и в результате действия различных помех.