9.2. Поглощение и рассеяние звука в море. Реверберация

При распространении звуковой волны происходит постепенное её затухание,

т. е. уменьшение интенсивности и амплитуды. Знание законов затухания звука важно для определения предельной дальности распространения звукового сигнала.

Затухание обусловливается рядом факторов, которые проявляются в той или иной степени в зависимости от характеристик самого звука (в первую очередь его частоты) и от свойств водной среды. Эти факторы можно подразделить на две группы. В первую входят факторы, связанные с законами волнового распространения звука в среде. Так, при удалении от источника звука интенсивность его убывает обратно пропорционально квадрату расстояния.

  Вторая группа факторов, определяющих затухание звука, связана с физическими процессами в воде - необратимым переходом звуковой энергии в другие формы (главным образом в тепло), т.е. с поглощением звука, обусловленным вязкостью и теплопроводностью среды («классическое поглощение»), а также переходом звуковой энергии в энергию внутримолекулярных процессов (молекулярное или релаксационное поглощение).

Согласно классической теории, поглощение звука вследст­вие вязкости вызвано сдвиговыми напряжениями, возникающими при движении водных слоев относительно друг друга. Это сдвиговое напряжение пропорционально градиенту скорости и коэффициенту вязкости, обозначаемому через μ₁. Коэффициент μ₁ существует только при сдвиговых деформациях и называется коэффициентом сдвиговой (стоксовской или первой) вязкости. При этом скорость звука до частот порядка 10⁶ Гц практически не зависит от вязкости. Влияние же теплопроводности на затухание звука в воде оказывается ничтожно малым.

Наряду с «классическим поглощением», т.е. влиянием вязкости и тепло­проводности, рассматривается поглощение в результате релаксации. Процесс релаксации определяет коэффициент объемной вязкости μ₂, который проявляется в процессах, сопровождающихся изменением объема жидкости. Его также называют коэффициентом второй вязкости. Вторая объемная вязкость обусловлена сменой фаз сжатия и разряжения акустической волны. Такая смена фаз вызывает изменения структуры молекул воды и приводит к отклонениям внутренней энергии молекул от их значений в невозмущенном состоянии. При этом знаки отклонений при сжатиях и разрежениях противоположны, а сам процесс перехода энергии от одного уровня к другому необратим. Время, необходимое для перестройки молекул, называется временем релаксации. Величина потерь акустической энергии зависит от соотношения времени релаксации и периода звуковой волны. Если время релаксации значительно отличается от периода волны, то величина потерь энергии за период мала. Если же эти величины близки, то потери максимальны.

Таким образом, воз­никает дополнительная потеря внутренней энергии, и реальный коэффициент поглощения β оказывается больше коэффициента поглощения , рассчитываемого по формулам классической теории. Поэтому для реального коэффициента поглощения звуковой энергии можно записать выражение: β =, где- поглощение, обусловленное релаксационными процессами.­

Коэффициент поглощения β определяет убывание интенсивности звука с расстоянием за счет поглощения. Интенсивность звука - это количество энергии, которую переносит звуковая волна в течение секунды через площадь в 1 м², расположенную перпендикулярно направлению распространения волны.

Убывание интенсивности звука определяется экспоненциальным законом: , где I₀ - начальная интенсивность звука; I_x - интенсивность на расстоянии х от излучателя, β - коэффициент поглощения звука. Коэффициент поглощения звука измеряется в децибелах на единицу расстояния (дБ·км^-1).

Кроме поглощения звуковой энергии происходит уменьшение силы звука в заданном направлении вследствие рассеяния энергии звука имеющимися в воде пузырьками газа, частицами органического и неорганического происхождения, а также неоднородностями самой воды.

Затухание звука в море при отсутствии примесей происходит преимущественно за счет поглощения звуковой энергии, и рассеяние в этом случае играет второстепенную роль. При наличии примесей значение рассеяния возрастает и затухание звука в море происходит значительно быстрее.

В целом, затухание звука в море определяется как его поглощением, так и рассеянием. Поскольку сложно разделить потери звуковой энергии на поглощение и рассеяние, при гидроакустических расчетах применяется коэффициент затухания γ, характеризующий суммарное ослабление силы звука. Так же, как и в случае поглощения, затухание звука выражается экспоненциальным законом: , где γ –коэффициент затухания звука (дБ·км^-1).

Рассеяние звука неоднородностями, а также неровностями поверхности воды и дна вызывает явление реверберации (позднелат. reverberatio - отражение, от лат. reverbero - отбрасываю), которое создает помехи в приеме полезного сигнала гидроакустическими системами.

Реверберация в море (послезвучание) - непрерывное, ослабевающее по ин­тенсивности звучание в результате многократных отражений звуковых волн от неоднородностей окружающей среды. Неоднородностями в толще воды являются воздушные пузырьки, взвешенные частицы, неровности поверхности моря и дна, живые организмы. Эти объекты называются рассеивателями. Непрерывность звучания объясняется тем, что рассеиватели находятся близко друг от друга. Звуковые волны отражаются сначала от ближних к излучателю рассеивателей, а затем от рассеивателей, расположенных на большем удалении. Отраженные сигналы слабее, поэтому эхо постепенно затухает. Таким образом, после прекращения действия источника звука в течение некоторого времени (от долей секунды до нескольких секунд) в области пространства, в которой распространялся звук, наблюдается постепенно убывающий по силе звуковой сигнал, обусловленный рассеянием. 

Различают послезвучание, наблюдаемое в море в результате отражения и рассеяния исходного звука от дна (донная реверберация), взволнованной поверхности (поверхностная реверберация) и неоднородностей водной среды, рыб и других биологических объектов (объёмная реверберация). Интенсивность каждой из них различна.

Приборы для измерения глубины моря – эхолоты иногда показывают дно на глубинах, намного меньших истинных. Контрольные проверки лотами определяют значительно большие глубины. Фиктивное дно получило название явления «призрачного дна».

В толще моря существуют как отдельные дискретные рассеиватели, так и отдельные, простирающиеся горизонтально, биологические скопления, залегающие обычно на глубинах до 1000 м. «Призрачное дно» образовано именно этой полупрозрачной для звука биологической пеленой, которая при заходе Солнца поднимается до глубины 100-150 м, а на рассвете опускается на 300-600 м. Эта живая опускающаяся и поднимающаяся пелена получила название звукорассеивающего слоя (ЗРС). Рассеянное поле в толще моря создается лишь тогда, когда акустические характеристики рассеивающих объектов существенно отличаются от акустических свойств воды. Главными рассеивателями звука в ЗРС являются рыбы с плавательными пузырями, представляющими собой акустические резонаторы. Если частота звука, из­лучаемого эхолотом, близка к резонансной частоте плавательного пузыря (от 5 до 30 кГц), то он начинает резонировать и создавать сильное рассеянное поле. Эффекты ЗРС создаются небольшим числом рыб (2-5 рыб в 1000 м³ воды).

На частотах 50-100 кГц преобладающую роль в рассеянии звука в ЗРС играют плотные скопления небольших кальмаров, ракообразных и рыб без плавательных пузырей.