5. Гидроакустические измерители глубин

5.1 Распространение звука в водной среде

5.1.1 Основные характеристики и свойства акустического поля

Действие гидроакустических навигационных приборов основано на излучении акустической энергии в водную среду, приеме и обработке эхо-сигналов, возникающих в результате отражения или рассеяния от водных объектов. Наиболее полное представление о распространении звука в жидкости дает волновая гидроакустика. Для большого круга задач практической гидроакустики применяют приближенный метод расчетов - метод геометрической (лучевой) гидроакустики.

Физическая природа звука. Звук как физический процесс представляет собой частный случай механического колебательного движения материальной упругой среды. Источником звука может быть, например, механическая колебательная система, помещенная в жидкость. Колеблющаяся поверхность источника звука периодически вызывает сжатие и растяжение прилегающего слоя частиц водной среды. Частицы среды представляют собой миниатюрные колебательные системы, связанные между собой упругими силами: выведенные из положения равновесия частицы вызывают смещение соседних частиц, которые в свою очередь передадут возмущение другим прилегающим частицам. В результате в водной среде образуются области сгущений и разряжений, которые последовательно удаляются от источника колебаний. Этот волновой процесс называют распространением звука. Пространство, в котором проявляются акустические процессы, называют звуковым полем.

Звуковые волны подразделяются по виду, форме и частоте. Различают волны трех видов: продольные, поперечные и сложные. В жидкости распространяются только продольные волны. Форма звуковой волны определяется видом фронта волны. Фронтом волны называют некоторую воображаемую поверхность, все точки которой колеблются с одинаковой фазой. Линии нормальные к фронту волны, совпадающие с направлением ее распространения, называются звуковыми лучами. Звуковые волны в реальных условиях имеют сложную форму. К волнам простейших форм относятся плоские, сферические и цилиндрические в зависимости от формы поверхности источника колебаний. В зависимости от частоты колебаний волны подразделяют на инфразвуковые (менее 16 Гц), звуковые (16 - 20000 Гц) и ультразвуковые (более 20 кГц).

В продольных волнах колебания частиц совпадают с направлением распространения волн. При этом частицы жидкости не увлекаются акустической волной, а только передают возмущение соседним частицам. Среда, участвующая в колебательном процессе, в целом остается неподвижной; частицы жидкости совершают около своего положения равновесия колебательные движения, характеризующиеся амплитудой смещения и и колебательной скоростью .

Скорость передачи возмущения от частицы к частице называют скоростью звука с. Скорость звука зависит только от свойств среды, причем .

Если действие возмущений, порождающих звуковые волны, носит периодический характер, то процесс распространения волн можно представить гармоническим законом. Гармоническая звуковая волна характеризуется длиной волны - расстоянием между двумя максимумами или минимумами возмущения и периодом Т - временем, за которое совершается один цикл колебаний. Они связаны соотношением . Вместо периода Т часто пользуются частотой , равной числу периодов в единицу времени: . Тогда .

При определенных условиях геометрическая акустика позволяет пренебречь волновой природой звука и вместо волны рассматривать перемещение ее фронта или элементарного участка последнего вдоль звукового луча. Основные положения этого метода разработал голландский физик X. Гюйгенс (1629 -1695), сформулировав его в известном принципе: в любой момент времени частицы, составляющие фронт волны, являются источниками элементарных сферических волн; огибающая этих волн определяет новое положение фронта волны.

Основные параметры звукового поля. Возникновение сгущений и разрежений при распространении звуковой волны связано с местным изменением давления в среде. При отсутствии звуковых волн в данной точке звукового поля существует статическое давление р₀, а в момент прохождения звуковой волны давление становится равным p₁. Избыточное давление р равное разности p₀ и p₁ называют звуковым или акустическим.

Возникновение звукового давления тесно связано с наличием колебательного движения частиц упругой среды, которое характеризуется смещением частиц от начального положения равновесия и скоростью их колебательного движения .

Параметры p, u и v являются функциями координат и времени.

Основной энергетической характеристикой звукового поля является интенсивность звука - количество энергии, которое переносит звуковая волна через единичную площадку, перпендикулярную направлению распространения волны, за единицу времени [6,7].