книги из ГПНТБ / Прохоров, Е. С. Звуковая сигнализация судов на реках и водохранилищах учеб. пособие для студентов-судоводителей и плавсостава

Она увеличивается с возрастанием скорости ветра, следствием че­ го является увеличение ослабления звука. На рис. 5 можно ви­ деть, что быстрота спада уровня силы звука (т. е. крутизна кри­ вых) увеличивается с возрастанием скорости ветра как по ветру, так и против ветра.

. Ослабление звука в турбулентной атмосфере объясняется тем, что на мелкомасштабных пульсациях, меньших или сравнимых с длийой волны звука, происходит рассеяние энергии волны во всех направлениях. Наибольшее рассеяние наблюдается на неоднород­ ностях, размеры которых сравнимы с длиной волны. Так как мел­ ких вихрей образуется больше, чем крупных, то звуковые волны высокой частоты, т. е. с малой длиной волны, ослабляются силь­ нее, чем звуковые волны низкой частоты.

На рис. 10 представлены спектры сигналов сирены при скоро­ сти ветра 4 м/сек на^расстояниях 70 и 200 м от источника. Из ри-

сунка видно, что на близких расстояниях максимум энергии нахо­ дится в области высоких частот (1600 Гц), а-уже на расстоянии 200 м он переходит в область средних частот (400 Гц), вследствие более сильного ослабления высоких частот в атмосфере.

Турбулентность сильно развита в условиях, когда тепло пере­ дается от подстилающей поверхности в воздух, что характерно для солнечных дней. При этом создаются благоприятные условия для развития как термической, так и динамической турбулентно­ сти, т. к. вихри имеют возможность развиваться в вертикальном направлении (из-за понижения температуры с высотой). В этих условиях относительная влажность в приводном слое и градиент скорости ветра будут иметь меньшие значения, чем при слабо раз­ витой турбулентности.

При передаче тепла из воздуха подстилающей поверхности термическая турбулентность, как правило, отсутствует, а динами­ ческая турбулентность ослаблена. При этом вертикальное переме­ шивание слоев также уменьшается, а влажность и градиент ско­ рости ветра имеют большие значения, чем в предыдущем случае.

Таким образом, при сильно развитой турбулентности и низкой относительной влажности разность в дальности, слышимости сиг­ налов по ветру и против ветра меньше (при большем общем за­ тухании звука), чем в случае со слабо развитой турбулентностью и высокой относительной влажностью.

Пример распространения звука в условиях особенно развитой турбулентности приведен на рис. 11. На нем представлены кривые спада уровня силы звука судовой сирены с расстоянием при рас-

Рис. 11. Спад уровня силы звука с рас­ стоянием в условиях низкой относитель­ ной влажности. На оси абсцисс — расстоя­ ние г~ м- На оси ординат — уровень силы звука L, дб

30

пространении сигнала против ветра и низкой относительном влаж­ ности (28%), снятые на участке реки Амударьи с песчаными бе­ регами при температуре воздуха 26°. Молекулярное поглощение звука, определенное для условий измерений, .составляет для ча­ стот 0,5; 1; 2; 4 и 8 кГц—2,2; 5,2; 14; 38 и 140 дб/км соответствен­

уровня силы звука с расстоянием.

Выше уже отмечалось, что при распространении звука в тур­

пропорционален частоте звуковых колебаний в области частот, ис­ пользуемых для звуковой сигнализации. На рис. 12 для сравнения приведены значения коэффициентов ослабления звука в зависимо­ сти от частоты в случае классического, молекулярного и турбу­ лентного ослабления звука.

ß, дб/км

Рис. 12. Зависимость коэффициента ослабления от частоты: / — классическое поглощение, 2 — молекуляр­ ное поглощение (при относительной влажности 60%),

31

Нарушение кодированной сигнализации

Кроме ослабления.звука с расстоянием, турбулентность возду­ ха вызывает также флуктуации (нерегулярные изменения) силы звука и фазы звуковой волны в месте приема. Флуктуации проис­ ходят на крупномасштабных турбулентных пульсациях, размеры которых много больше длины волны. Они увеличиваются с возра­ станием частоты, расстояния от источника н скорости ветра. На рис. 13 представлены флуктуации уровня силы звука в месте при­ ема сигнала от парового свистка (октава 500 Гц) на расстояниях 0,5; 1 и 1,5 км при порывистом ветре 5—8 м/сек. Еще большие флуктуации уровня силы звука наблюдаются при ветрах в услови­ ях малой относительной влажности т а Амударье. На расстояниях предельной слышимости они могут исказить прием кодирован­ ного сигнала. Например, продолжительный сигнал восприни­ мается при этом как ряд коротких нерегулярных сигналов.

Рис. 13. Флуктуации уровня силы звука в месте приема: а — на расстоянии^ 0,5 км; б — 1 км; в — 1,5 км от источника. На оси абсцисс — время f сек. На оси ординат — относительный уровень

силы звука Г , дб

Искажения при восприятии кодированных сигналов могут воз­ никать и без ветра на участках с высокими скальными берегами. Отражения от берегов также могут вызывать флуктуации силы звука в месте-приема. В этом случае величина флуктуации зави­ сит от взаимного положения источника, приемника и берегов от­ носительно друг друга, звукопрозрачности атмосферы и характе­ ра отражающих поверхностей. В отличие от флуктуаций силы звука на турбулентных пульсациях величина флуктуаций за счет влияния, берегов, как правило, увеличивается с понижением часто­ ты, а с расстоянием они могут убывать. На рис. 14 представлены флуктуации уровня силы звука сигнала тифона на участке реки Енисей с высокими берегами на расстояниях 0,5 и 1 км от источ­ ника звука (октава 500 Гц) .

На участках с высокимиберегами, кроме флуктуаций силы звука, наблюдается реверберация сигналов (постепенное умень­ шение силы звука после выключения источника). Время ревербе­ рации зависит от тех же причин, что н флуктуация силы звука, а

32

также от мбщности источника и уровня шума в месте приема. Ре­ верберация может исказить прием кодированного сигнала и на­ правление на источник звука. На рис. 15 приведен пример ревер­ берации от парового свистка на Енисее (вблизи Красноярска).

Рис. 14. Флуктуации уровня силы звука в месте приема; а —на

на Лене, вблизи Ленских щек. Реверберация может наблюдаться и на равнинных реках от крутых берегов, островов, густо порос­ ших лесом, каменных построек (элеваторы, шлюзы, берега кана­ лов) и т. п. Например, на Волге и Оке у Горького время ревербе­ рации при благоприятных условиях может доходить до 7 сек, а на Оби, благодаря наличию множества островов, покрытых густой растительностью (высокие тополя, кустарники и т. п.), и их вза­ имному расположению время реверберации может быть таким же, как и для скальных берегов.

Во время тумана без ветра на участках с высокими скальны­ ми берегами или в каналах и вблизи шлюзов время реверберации может быть значительным. Ориентация на судно только по звуко-

Рис. 15. Реверберация от парового свистка. На оси абс­

33

вым сигналам в этих условиях может привести к значительным ошибкам и повлечь за собой аварии. Более точно направление на судно может быть Определено по началу сигнала, пока не успели прийти отражения от берегов. Кроме того, в тумане из-за наруше­ ния приема кодированного сигнала возможно перепутать стоя­ щие и идущие суда.

Дифракция звука

В условиях извилистых берегов часто приходится принимать звуковые сигналы при отсутствии прямой видимости между суда­ ми. При осуществлении звуковой сигнализации в этих условиях становится существенной роль дифракции звука. Кроме того, в место приема звук может также приходить за счет рефракции, отражений и рассеяния на турбулентных пульсациях. Иногда звук может приходить в точку приема и сквозь растительность, нахо­ дящуюся на берегу. При подаче сигнала судном, находящимся за выступом берега, уровень силы звука в месте приема зависит от размеров выступа берега, характера растительности на нем и взаимного расположения источника, приемника звука и берегов.

сравнению с тем случаем, когда звук распространяется над во­ дой в тех же условиях. Это объясняется в основном влиянием термической турбулентности, которая резко усиливается над по­ верхностью суши и рефракцией звука, обусловленной большими градиентами температуры над берегом.

Распространение звука в условиях ограниченной

видимости

Особенно большое значение звуковая сигнализация имеет в тумане. Поглощение звука в тумане обусловлено не только клас­ сическим и'молекулярным поглощением, но также наличием в воздухе капелек воды. Дополнительное поглощение в тумане обусловлено тремя причинами: рассеянием звука на каплях воды, трением капель о воздухпри совершении ими колебаний и про­ цессом испарения капель в сжатиях звуковых волн.

34

Рассеяние звука становится заметным при наличии капель ди­ аметром более 10 мкм и возрастает с увеличением частоты звука. Потери на трение зависят от относительной скорости движения воздушного потока и капли. При увеличении размера капель и частоты звука степень участия капель в колебаниях уменьшается и потери на трение возрастают. При распространении звука в ме­ стах сжатий происходит испарение капель, а в местах разреже­ ний—конденсация водяного пара. Этот процесс, протекая нерав­ новесно, сопровождается поглощением звуковой энергии.

Поглощение в тумане на частотах, используемых в звуковой сигнализации, за счет указанных процессов невелико и дает не­

Так как в туманах градиенты температуры малы и могут на­ блюдаться температурные инверсии, то при отсутствии ветра ус­ ловия для распространения звука в слабом тумане являются благоприятными. На рис. 16 приведен график спада силы звука с расстоянием в тумане без ветра. Измерения проведены на Горь­ ковском водохранилище при дальности видимости около 300 м и частоте сигнала в октаве 500 Гц. Ослабление звука на втором и последующих километрах в этих условиях составляет 4 дб/км. Для источника звука с уровнем 116 дб, который использовался в эксперименте, дальность слышимости при уровне помех 65 дб превышала 1,5 км, а для более мощного источника, например, с уровнем 124 дб, составила бы более 3,5 км-

35

При наличии ветра ослабление звука в тумане, в основном, Определяется рефракцией звуковых лучей и турбулентностью воздуха. Результаты измерений ослабления звука в тумане, при­ водимые разными авторами, значительно отличаются друг от дру­

вне области тумана. Неполный учет^всех факторов затрудняет сравнение результатов этих экспериментов.

Дождь, мгла и мелкий снег, уменьшаядальность видимости, существенного ослабления звука не вызывают. Ослабление звука

вать уровень помех в месте приема сигнала.

Сильное ослабление звука может наблюдаться при выпадении снега в виде крупных хлопьев (размером порядка 1 см). Так, в одном из экспериментов в ноябре месяце на Волге во время на­ чавшегося снегопада уровень силы звука на расстоянии 500 м от источника понизился на 8 дб.

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ДЕЙ СТВИ Я ЗВУКОВОЙ СИ ГН А Л И ЗА Ц И И

Эффективность действия звуковой сигнализации прежде всего определяется дальностью действия звукосигнальных средств су­ дов в разных метеоусловиях. Дальность действия зависит от мощ­ ности источника и спектрального состава сигнала, звукопрозрач­ ности атмосферы и спектральных уровней шума в месте приема.

Сигнал слышен, когда его уровень силы звука в октавной по­ лосе частот не ниже уровня шума в этой же полосе частот. Оце­ нить дальность действия звукосигнального средства можно как предельное расстояние, на котором уровень силы звука сигнала уменьшится из-за ослабления в атмосфере до уровня помех в ме­ сте приема в данной октавной полосе. Обозначим разность меж­ ду уровнем силы звука в 10 м от источника и уровнем шума в ме­ сте приема в соответствующей октавной полосе через ДL. По­ скольку наибольшее влияние на распространение звука в атмо­ сфере оказывает ветер, а безветренная погода наблюдается срав­ нительно редко, то в первую очередь важно знать дальность дей­ ствия сигнализации при наличии ветра.

По кривым спада уровня силы звука, аналогичным приведен­ ным на рис. 5, для разных частот, скоростей и направлений ветра получены средние коэффициенты ослабления звука в атмосфере для 'первого и последующих километров. Зная разницу между уровнем силы звука на 10 м от источника и уровнем шума в ме­ сте приема в соответствующей октавной полосе частот, по коэф-

36

фициентам ослабления можно рассчитать дальность слышимости сигнала. На рис. 17 представлены результаты расчета при рас­ пространении сигнала по ветру и против ветра для четырех ок­ тавных полос, наиболее важных для звуковой сигнализации (125, 250, 500 и 1000 Гц). Для частот выше 1000 Гц расчеты не приво­ дятся, т. к. из-за сильного ослабления в атмосфере они практиче­ ски бесполезны для осуществления звуковой сигнализации.

Дальность слышимости поперек ветра приблизительно может быть определена как среднеарифметическое из дальности по вет­ ру и против ветра. Для оценки дальности слышимости в судово­ дительской практике достаточно этих направлений ветра. При анализе аварий, когда требуется определить, мог ли услышать судоводитель звуковой сигнал, необходим более точный учет на­ правления ветра. В этом случае можно построить круговую диаг­

лежа'І' на окружности. Проводя аналогичные построения, мржно радиус круговой диаграммы находить как полусумму дальностей слышимости по ветру и против ветра, а смещение источника от центра окружности находить, как полуразность указанных даль­ ностей. Угол и в этом случае отсчитывается от точки, где нахо­

На практике для определения дальности-слышимости необхо­ димо поступить следующим образом:

1)оценить скорость и направление ветра (например, по при­ бору Ольшамовского);

2)определить А L в четырех октавах, используемых для зву­ ковой сигнализации. В тех случаях, когда AL во всех октавах одинаково или с ростом частоты уменьшается, или увеличивается не более, чем на 3 <50 при переходе от октавы к октаве, дальность

слышимости определяется по октаве с наименьшей частотой; - 3) в иных случаях по графикам определить дальность слыши­

мости для каждой октавы и принять за дальность слышимости максимальное из определенных расстояний. Если требуется-опре­ делить дальность слышимости .приду ел ах, отличных от ® — 0 (гіо

37

ветру) и ф= 180° (против ветра), нужно произвести вычисления по приведенной формуле для октавы, дающей максимальное рас­

составляет около 1,2 км, а найденная как полусумма дальностей слышимости по ветру и против ветра будет 1,25 км (радиус ок­ ружности). Этот расчет подтверждает, что для направления по­ перек ветра дальность слышимости приблизительно можно брать как полусумму дальностей слышимости по ветру и против ветра.

38