§ 5. Интерференция, дифракция и рефракция акустических волн

В акустическом поле происходит взаимодействие звуковых волн. Если волны одинаковой частоты приходят в одну точку, то происходит их сложение. Это явление называется интерферен­цией. Результирующее значение амплитуды суммарной волны будет зависеть от фазы колебаний встретившихся волн. Если фазы этих волн совпадают, то амплитуда увеличивается, если фазы противоположны — уменьшается (рис. 5). В водной среде акустические волны непрерывно изменяют свои амплитуды. Ин­терференция происходит при отражении волн от различных точек грунта, рыбных скоплений и т. д., а в результате, как будет рассмотрено ниже, в приемных устройствах наблюдается

Рис. 5. Интерференция волн:

а — при совпадающих фазах; б — при противоположных фазах

заметный разброс принятых сигналов по амплитуде и по форме. Благодаря интерференции обеспечивается формирование харак­теристик направленности антенн.

Дифракцией называется способность акустических волн оги­бать препятствия, встречающиеся на пути распространения этих волн. Препятствиями являются объекты, акустические свойства которых отличаются от свойств водной среды. Дифракция за­висит от соизмеримости длины волны и размеров препятствий. Если длина акустической волны больше размеров препятствия, то волны практически полностью огибают это препятствие и от­ражение от него отсутствует. Если же препятствие во много раз больше длины волны, то в этом случае волны почти полностью отражаются от них и только небольшая их часть огибает эти препятствия. В этом случае образуется зона акустической тени, где звуковые волны отсутствуют. Если размеры препятствий со­измеримы с длиной волны, то происходит частичное отражение и частичная дифракция — область тени уменьшается. Явление дифракции учитывается при проектировании гидроакустических приборов. В рыбопоисковых приборах применяются частоты от

20 до 200 кГц, что позволяет получать отражение даже от еди­ничных рыб.

И скривление акустических лучей при их распространении в неоднородной среде называется рефракцией. Толщу морской воды можно рассматривать как среду, состоящую из ряда слоев с различными акустическими свойствами, зависящими от раз­ницы температур, плотности, солености. Акустические волны проходят эти слои с различными скоростями, что приводит к преломлению волн на границах раздела, причем степень пре­ломления, или кривизны, будет тем больше, чем больше измене-

ние скорости звука в смежных слоях. Если скорость звука уве­личивается с глубиной, то такая рефракция называется положи­тельной, а если равномерно уменьшается, то она называется от­рицательной. На рис. 6 приведены лучевые картины, поясняю­щие явление рефракции. В некоторых районах моря возможно образование акустической тени (на рис. 6 б, в заштрихована). В зону тени акустические лучи не проникают. Изменения мощ­ности и направленности излучателя не изменяют общей кар­тины отрицательной рефракции. Явление акустической тени за­трудняет обнаружение объектов или вообще делает это обнару­жение невозможным.

При положительной рефракции зоны акустической тени не возникает, что создает благоприятные условия для поиска и об­наружения объектов. При некоторых температурных режимах в слоях воды акустический луч как бы расщепляется, в этом случае также может возникнуть зона тени и обнаружение объектов будет затруднено. При распространении волн могут воз­никнуть так называемые волновые каналы. Они значительно увеличивают дальность распространения волны, что использу­ется в гидролокаторах горизонтального действия. Волновые ка­налы могут быть глубинными и подповерхностными (рис. 7). Подповерхностный звуковой канал образуется в том случае, если на некоторой глубине Я находится слой жидкости, в кото­ром скорость звука значительно возрастает. В этом случае аку­стические лучи имеют значительную рефракцию и направля­ются к поверхности моря, от которой они отражаются, и, таким образом, акустические волны распространяются как в волно-

Рис. 7. Волновые каналы:

а — подповерхностный; б—подводный

воде, отражаясь от его стенок. Такова и природа формирования глубинного звукового канала, когда акустическая энергия кон­центрируется вдоль его оси.

Как будет рассмотрено далее, на промысле применяются гидролокаторы с буксируемыми антеннами. Антенны можно опускать на разную глубину, в том числе выводить их в глубин­ный канал, что значительно увеличит дальность обнаружения объектов промысла.