5.1.2. Особенности распространения звука в море

Скорость звука в море. Скорость распространения звуковых волн в море - важнейшая акустическая характеристика, которая во многом определяет особенности распространения звуковых волн и точность работы гидроакустических приборов. Морская вода не является однородной жидкостью в акустическом отношении, Экспериментальные исследования в море показали, что скорость звука находится в сложной функциональной зависимости от температуры, солености и статического давления: .

При увеличении t на 1С скорость звука в воде увеличивается приблизительно на 3,6 м/с, с увеличением солености на 1 % -- приблизительно на 1,2 м/с, а с увеличением глубины на 10 м она повышается примерно на 0,2 м/с. С увеличением глубины S и р₀ увеличиваются, a t может как увеличиваться, так и понижаться. В среднем в море скорость звука может изменяться в пределах 1440-1580 м/с.

Количественную оценку изменения скорости звука с расстоянием дает градиент скорости g_c, равный изменению скорости на единицу расстояния. Практическое значение имеет вертикальный градиент скорости звука в воде. Если с увеличением глубины скорость звука растет, то g_c > 0, а если она уменьшается, то g_c < 0. Распределение скорости звука в вертикальном направлении может быть самым разнообразным.

В связи с тем, что в распределении температуры и солености морской воды нельзя установить какой-либо закономерности, то на практике для определения скорости звука в морской воде используют эмпирические формулы, полученные на основе непосредственных измерений .

Отражение и преломление акустических волн. Важнейшей акустической характеристикой среды является ее акустическое сопротивление (или жесткость), равное произведению плотности среды на скорость звука в ней.

При падении звуковой волны на границу раздела двух сред, имеющих различные акустические сопротивления (например, и ), часть звуковой энергии отражается, а остальная, преломляясь, проникает в смежную среду (рис. 5.1).

Геометрия звуковых лучей в гидроакустике, как и в оптике, определяется известным законом отражения и законом преломления

где , , — соответственно углы падения, отражения и преломления;

и - скорости звука соответственно первой и второй среде;

- коэффициент преломления.

Если выполняется неравенство то при некоторых значениях утла падения угол преломления может стать равным 90 и звуковая волна не будет проходить во вторую среду. Дальнейшее увеличение угла приведет к обратному отражению в первую среду и наступит явление полного внутреннего отражения. Угол, начиная с которого отражение становится полным, называется критическим и определяется зависимостью .

Так, если, например, звуковая волна проникает из воздушной среды в водную, то при скоростях звука в воздухе 332 м/с и 1500 м/с в воде, имеем:

;

В

Рис. 5.1. Отражение и преломление звуковой волны

общем случае можно сделать выводы: когда акустические сопротивления сред различаются незначительно, то одна часть звуковой энергии отражается, а другая переходит во вторую среду; если или то вся падающая энергия отражается в первую среду; при равенстве акустических сопротивлений ( ) звуковая энергия полностью переходит из первой среды во вторую.

Рефракция звуковых лучей. Толщу морской воды можно представить состоящей из отдельных горизонтальных слоев бесконечно малой толщины, в каждом из которых плотность воды и скорость звука постоянны. Звуковой луч, распространяясь в такой слоистой среде, переходя от слоя к слою, будет испытывать отражение и преломление, что приводит к его искривлению и рассеиванию части звуковой энергии. Явление искривления звуковых лучей вследствие неоднородности морской воды называется рефракцией звука. Рефракция звука может оказать большое влияние на результаты измерений расстояний и углов с помощью гидроакустических приборов.

Наглядное представление о рефракции дают так называемые лучевые картины, изображающие траекторию звукового луча в вертикальной плоскости. Они могут быть построены при решении практических задач гидроакустики по результатам непосредственных измерений скорости звука в море.

При отрицательном градиенте скорости звука (g_c < 0 - скорость звука с уменьшается с глубиной h) акустические лучи, вышедшие из источника И, искривляются в сторону дна (рис. 5.2, а, б), при положительном (g_c > 0) — в сторону водной поверхности (рис. 5.2, в, г). В последнем случае распространение акустической энергии сопровождается многократным отражением от водной поверхности и потери энергии незначительны.

При смене отрицательного градиента скорости звука на положительный в толще воды возможно образование подводного звукового канала. Если источник акустических волн поместить на оси звукового канала, где градиент имеет минимальное значение, то вследствие полного внутреннего отражения от верхних и нижних водных слоев звуковая энергия не выйдет за пределы канала и распространится на значительные расстояния при минимальных потерях. Такое сверхдальнее распространение звука используется для сигнализации об авариях и определения координат судов и самолетов, терпящих бедствие.

Дифракция звуковых волн. Звуковые волны в процессе распространения обладают способностью огибать встречающиеся на пути препятствия. Это явление называется дифракцией звука. Все частицы среды, лежащие на уровне преграды, могут быть представлены на основании принципа Гюйгенса как точечные излучатели. Сферические волны от этих частиц образуют результирующую волну, проникающую за преграду. На каком-то расстоянии от преграды общий фронт волны восстанавливается.

Рис. 5.2. Лучевые картины при рефракции звуковых лучей.

а) – уменьшение скорости звука с глубиной; б) – отрицательная рефракция;

в) – увеличение скорости звука с глубиной; г) – положительная рефракция

Степень дифракции зависит от соотношения размеров препятствия d и длины волны (рис. 5.3):

- падающая акустическая волна полностью (частично) отражается от границы раздела двух сред, за преградой образуется зона "акустической тени", дифракция отсутствует (незначительна);

- зона "акустической тени" исчезает, дифракция проявляется достаточно сильно;

- акустическое поле практически не нарушается.

П

Рис. 5.3. Дифракция акустических волн

ри пеленговании подводных объектов с помощью гидролокатора обычно применяют акустические колебания высокой частоты. Так, например, если применять рабочую частоту гидролокатора f=35 кГц, то длина волны составит приблизительно 4,3 см, и обнаружение предмета, диаметр которого, положим, составляет 1 м, будет возможным.

Интерференция звуковых волн. Если в среде распространяется не один, а несколько волновых процессов, то каждая частица среды, находящаяся в таком акустическом поле, совершает результирующее колебательное движение. Результирующее смещение частиц среды в любой момент времени является геометрической суммой смещений, вызванных каждым из складывающихся колебательных процессов в отдельности.

В результате сложения нескольких волновых процессов в некоторых точках акустического поля может произойти усиление, а в других - ослабление колебаний. Этот процесс называется интерференцией звуковых колебании.

Условия интерференции: а) одинаковая или кратная частота; 6) одинаковые направления смещения частиц; в) постоянство разности фаз. Источники колебаний, удовлетворяющие этим условиям, называются когерентными.

Особый интерес представляет случай, когда складываются колебания, образованные одним и тем же источником звука, но пришедшие в данную точку звукового поля различными путями, т.е. колебания у которых амплитуды и частоты одинаковы, а фазы различны. В результате интерференции падающей и отраженной волн, если отражающая поверхность расположена нормально к направлению распространению звука, образуются стоячие волны.

В стоячей волне, в зависимости от расстояния до отражающей поверхности, в некоторых точках амплитуды результирующих колебаний максимальны, а в некоторых равны нулю. Первые называются пучностями, а вторые - узлами. Пучности и узлы смещены относительно один другого на расстояние /4. В пучностях акустическое давление равно нулю, а в узлах оно максимально.

При образовании стоячей волны в идеальной жидкости из-за наличия сдвига фазы между давлением и колебательной скоростью частиц, равного π/2, переноса энергии не происходит: результирующий поток энергии равен разности падающего и отраженного потоков, равных в данном случае по значению.

Затухание акустических волн. Интенсивность акустических волн убывает по мере увеличения расстояния от источника. Прежде всего, это связано с расширением площади волновой поверхности с ростом расстояния - все больше частиц участвуют в процессе, что приводит к уменьшению амплитуды их колебаний.

Распространение звука в воде сопровождается объемными деформациями - внутримолекулярное равновесие нарушается и затрачивается энергия на его восстановление. Наличие внутреннего трения (вязкости) и теплопроводности в воде вызывает необратимый переход звуковой энергии в тепло. Немаловажную роль в затухании звуковой волны играют неоднородности морской воды, главным образом газовые пузырьки, особенно высокая концентрация которых наблюдается в приповерхностном слое воды.

При затухании звуковой волны, обусловленным рассеянием и поглощением, для определения интенсивности звука на расстоянии от источника используют формулу

(5.1)

где - интенсивность звука на поверхности источника колебаний;

- коэффициент затухания.

Для определения коэффициента затухания используют эмпирические формулы. Например, для оценочных расчетов, не требующих большой точности, в интервале частот от 5 до 60 кГц можно пользоваться формулой

.

Реверберация моря. Принимаемый гидроакустическими приборами полезный сигнал сопровождается непрерывным затухающим звучанием - помехой в виде посторонних шумов, называемых реверберацией. Реверберация воспринимается как колеблющийся отзвук в момент окончания посылки сигнала и является результирующей многочисленных и очень слабых отражений от малых тел или неоднородностей, которые встречаются на пути распространения звуковой волны. Время, прошедшее с момента окончания звучания реверберации, называется временем реверберации и в первом приближении определяет разрешающую способность гидроакустических устройств [6,7].