Fizika okieana - Doronin

рассеяния. В ряде случаев определяется интегральное значение обратного рассеяния в некоторыми слое

z1

Такая величина называется силой слоя. По данным измерений на частотах 1−2 кГц значение М составляет от -60 до -70 дБ. С увеличением частоты звуков до 10 −20 кГц сила слоя увеличивается примерно до -50 дБ.

Отмечена некоторая зависимость М от широты из-за особенностей концентрации биоорганизмов. Наибольшее значение М на экваторе. В

289

субтропических антициклонах М уменьшается на 5-10 дБ, а в умеренной зоне снова увеличивается до экваториального значения. Наинизшие значения М зафиксированы в полярных широтах или близких к ним.

Отражение и рассеяние акустического сигнала различными неоднородностями и объектами в океане, с одной стороны, можно рассматривать как положительное явление, позволяющее судить об объектах рассеяния. С другой стороны, отраженный ими сигнал может затруднять выявление полезного сигнала эхолокации. Поэтому обычно проводится оценка интенсивности отраженного сигнала, существенно отличающегося по форме от излученного. Он более размыт из-за отражения ближними и дальними объектами и в нем прослеживаются пики интенсивности звука. Такое явление, по сути представляющее собой подводное эхо, определяемое также как послезвучание, называется реверберацией. В простейшем случае внутриводной реверберации ее интенсивность Jr пропорциональна интенсивности поступившего сигнала J и объему рассеяния ν

α p Je−2βR

dJ r = dν , (8.96) 4πR 2

где αp - коэффициент реверберации, зависящий от количества, объемов отражателей и коэффициентов отражения звука от них. По

данным наблюдений он меняется в очень больших пределах от

10-5 до 10-9 м-1.

Естественно полагать, что рассеянный звук затухает с расстоянием как сферическая волна. Расстояние r связывается длительностью акустического сигнала τ. Если сигнал регистрируется через время t после излучения, то за это время он проходит прямой и обратный путь до отражающего объема, т.е. Ct = 2R .

Сигнал движется полосой шириной r, но поскольку ему после отражения надо пройти такое же расстояние, то 2r = Cτ. Итак, для того, чтобы получить выражение интенсивности реверберации, формулу (8.96) следует проинтегрировать в пределах от R до R+r. При этом надо учесть изменение интенсивности сигнала,

R

Обычно при вычислении этого интеграла используют верхнее значение Jr , принимая в знаменателе подынтегрального выражения

сигналами. Видно также, что чем больше времени проходит с момента пуска сигнала, тем Jr слабее. Это вполне естественно, поскольку при этом поступает отраженный звук от дальних объектов, затухающий по пути следования как в прямом, так и в обратном направлении.

Формула (8.99) при практическом использовании может уточняться учетом телесного угла направленности излучаемого звука, техническими характеристиками излучателя и приемника и т.д. Формулы несколько изменяются и при определении Jr в поверхностном слое океана или у его дна. В основном различие состоит в представлении объема ν формулы (8.96) не сферой, а некоторым слоем или усеченным конусом. При этом видоизменяется окончательная формула (8.99), но ее принципиальный характер сохраняется. Подробнее с методами оценки реверберации можно ознакомиться в специальной литературе, например[4].

8.8.Акустические шумы

Многие природные процессы в океане вызывают образование продольных волн разной частоты, которые распространяются во всех направлениях, взаимодействуя между собой. Эти волны могут регистрироваться акустическими приемниками в виде шума различной интенсивности и спектра. Шум играет в акустике океана двоякую роль: с одной стороны, он мешает выделению полезного сигнала при гидроакустической локации, а с другой - представляет собой информацию об естественном излучателе звука. Практически использование последнего привело к развитию направления пассивной локации, в которой разработаны методы дешифрирования шума для определения вида и места нахождения излучателя.

Поскольку акустический шум представляет собой случайное нестационарное явление, то он характеризуется рядом статистических показателей, к которым в первую очередь относится частотная спектральная плотность давления, а также его среднее значение и

291

дисперсия. Из-за трудности реже определяются угловое распределение интенсивности шума, корреляционные связи между ними и вызывающими его факторами и т.д.

В связи с измерением шума в точке приемника определяется зависимость его интенсивности или акустического давления от времени P(t).На практике длительность измерения шума всегда конечна и занимает период времени τ, в течение которого его можно полагать стационарным. Это позволяет использовать для определения автокорреляциониой функции R и спектральной плотности F стандартные формулы. Отсчет изменений давления ведется от

среднего статического Р в точке наблюдений, которое в данном случае для упрощения вычислений обычно считают нулевым.

Спектр акустических шумов океана в целом уменьшается с ростом частоты f и приближенно его можно аппроксимировать выражением

На практике чаще используется спектральная плотность или акустическое давление для некоторого диапазона частот, а не их точечное значение, которое измеряется труднее. При этом формула (8.100) интегрируется в пределах заданных частот

Приведенные на рис.8.13 значения акустического давления получены для полосы частот f −0,5 .

Рис.8.13.Спектры акустического давления шумов океана [5]. 1,2- максимальный и минимальный уровни динамических шумов. Цифры в квадратикахскорость ветра в баллах; 3,4-максимальный и минимальный уровни подледного шума; 5-усредненный шум извержения подводного вулкана; 6,7-шум рыб семейства горбылевых и креветок; 8-тепловой шум; С-шум судоходных трасс.

Диапазоны шумов: а-сейсми- ческих, б-турбулентных, в- поверхностных волн,

г- технических,д- кавитации и дождя, е- тепловых, ж- биологических.

292

Динамические шумы генерируются волнами, приливами, падением капель дождя, возникновением или разрушением турбулентных вихрей, любыми возмущениями скорости течения, приводящими к изменениям давления, и поэтому прослеживаются в любом районе океана. В связи с многообразием факторов, вызывающих локальные изменения давления, которые генерируют продольные волны, диапазон шумов этого типа очень широкий (между кривыми 1 и 2 на рис.8.13) и простирается во всем диапазоне частот, приведенных на рисунке. В его килогерцевом диапазоне показана зависимость шума от скорости ветра в баллах (цифры в квадратах). Этот шум обусловлен в основном кавитацией пузырьков воздуха, попавших в воду. Колебания давления от самих ветровых волн и от их обрушения вызывают низкочастотные акустические волны. Шум от приливных явлений усиливается в фазе отлива, когда скорость течения увеличивается. Естественно, что наиболее заметен он в прибрежных районах океана, где коле6ания уровня возрастают. Здесь же возникает шум и от других непериодических длинноволновых явлений.

Возмущения давления из-за турбулентности также довольно низкочастотны и не превышают сотни герц. Более высокочастотный шум генерируется дождем и зависит от его интенсивности, усиливаясь с его увеличением. Максимум этого шума приходится на диапазон 1-3 кГц , но при усилении дождя он простирается до 10 кГц.

Динамические шумы в основном сосредоточены в поверхностном слое океана, но их интенсивность и частотный диапазон меняются в пространстве и во времени в зависимости от действия факторов, их вызывающих. При этом их высокочастотная составляющая локализуется в районе ее генерации, а низкочастотная распространяется на большое расстояние, позволяя получить

представление о положении, например, вызвавших их барических возмущений.

К категории динамических шумов иногда принято относить тепловые шумы, вызванные движением молекул. Это высокочастотные волны, простирающиеся в мГц диапазон, но обусловленные ими изменения давления очень малы (линия 8 на рис.8.13). Из-за быстрого ослабления с расстоянием эти волны создают шумовой фон около чувствительного приемника.

Категория сейсмических шумов выделяется в связи с их низкой частотой, составляющей от долей до десятков Гц, и довольно высоким уровнем возмущений давления (кривая 5 на рис.8.13). Они обусловлены подводной вулканической деятельностью, оползнями и подвижками дна. Срединные океанические хребты и окраины материковых склонов наиболее активны в сейсмическом отношении. В них постоянно с большей или меньшей интенсивностью происходят колебания дна, а при извержении вулкана создается аналог подводного взрыва, который прослеживается на расстоянии в тысячи

293

километров. Возможность предвычисления очага возникновения акустической волны от подвижек дна, могущих привести к цунами, имеет большое значение в службе предупреждения этого явления. Дно океана испытывает постоянные микросейсмические колебания. Они могут быть следствием как более крупных землетрясений, так и локальных возмущений, оползнями грунта, следствием образования на поверхности океана стоячих волн давление которых передается дну. Спектр шумов, возбуждаемых этими колебаниями, мало меняется во времени и однороден по всему океану. Диапазон частот и колебаний давления этого шума не превышает десятка Гц, и единиц Па.

В замерзающих морях выделяется категория ледовых шумов. Они обусловлены столкновением льдин, их торошением, изгибным потрескиванием льдин при изменениях уровня моря, растрескиванием из-за термического изменения объема при понижении температуры, трением движущегося снега по поверхности льда. Такой широкий диапазон действующих факторов приводит к тому, что частотный спектр шума простирается, от единиц до тысяч Гц. Их низкочастотная составляющая обусловлена торошением льда. При этом могут возникать отдельные максимумы давления на частотах в несколько десятков Гц. Такие акустические сигналы всегда привлекают внимание практиков, так как позволяют определить направление движения фронта торошения льда.

Термическое изменение объема морского льда и происходящее при этом растрескивание вызывает шум в несколько более высокочастотном диапазоне с максимумом 100−300 Гц, на котором давление составляет величину порядка 10-3 Па/Гц0,5. От этого максимума акустическое давление убывает в сторону как высоких частот, так и низких.

Шум трущихся и сталкивающихся при движении льдин находится в еще более высоком диапазоне частот от 102 до 1О4 Гц. Наблюдения показывают, что он зависит от толщины льда, увеличиваясь с его уменьшением, и от скорости их движения. Но значения изменений акустического давления оказываются небольшими, не превышающими 10-3 Па/Гц0,5. Несмотря на довольно слабую интенсивность этого рода шумов, они могут привлечь внимание океанологов, чтобы попытаться по ним оценить коэффициент бокового взаимодействия льдин, знание которого очень важно при расчете дрейфа сплоченного льда. Еще более высокочастотная составляющая ледового шума вызвана трением движущегося снега о лед. Это явление вызывает шум в килогерцевом диапазоне частот, но интенсивность его небольшая.

Характерной чертой ледовых шумов является их локализация в поверхностном слое океана обычно в ограниченных районах, и, как видно из рис. 8.14, их акустическое давление убывает с ростом частоты.

294

Биологические шумы обусловлены возбуждением резонанса плавательного пузыря рыб, щелчками клешней ракоо6разных и раковин моллюсков, импульсными сигналами китообразных и других морских животных и т.д. Все эти сигналы весьма разнообразны по форме, что позволяет по ним определять вид излучателя (рис.8.14).

Некоторые виды рыб излучают низкочастотные звуки с максимумом давления на частоте в несколько десятков Гц, другие (горбылевые) - более высокочастотные с максимумом на частотах в несколько сотен Гц. Максимум спектра шума моллюсков, раков находится в пределах от единиц до десятков кГц.

Рис.8.14. Осциллограммы звуков, издаваемых морскими организмами[1].

а- рак-щелкун, б- умбрина семейства горбылевых, в- рыба-жаба.

Весьма своеобразны сигналы китообразных, представляющих собой очень узкие спектры, находящиеся как в полосе нескольких Гц, так и в кГц диапазоне. Все эти спектры имеют специфическую форму, позволяющую различать их принадлежность определенному объекту, а также акустическое давление. Максимум давления в спектре шума рыб составляет 10-1 - 10-2 Па/Гц0,5 , в шуме ракообразных - на порядок

меньше. Особенно интенсивные звуки издают киты. У них акустическое давление, приведенное к расстоянию 1 м от источника, составляет 102 - 104 Па. Сильные шумы издают рыбы в период нереста, т.е. существует его годовой ход, а также суточный, обусловленный активностью рыб.

Изучение звуков, излучаемых представителями морской фауны, имеет большое практическое значение в промысловой океанологии, позволяя методом пассивной локации, т.е. по шуму, выявлять места скоплений рыбы.

Технические шумы вызваны излучением акустических волн различными сооружениями. Сюда относятся шумы корабельные, от технических сооружений, портовые, от сооружений на берегу, при работе которых колебания почвы передаются воде. Наибольший вклад в шумы открытого моря вносят корабельные шумы. Они вызваны шумом гребных винтов, вибрацией корпуса судна и кавитационным

295

шумом в кильватерной струе и в носовом буруне. Существует пропорциональность между скоростью вращения винта с учетом числа лопастей в нем, и частотой шума, приводящая к пику в низкочастотной части спектра в диапазоне десятков Гц.

Кавитация пузырьков воздуха вызывает более высокочастотный шум. Перечисленное в совокупности приводит к тому, что диапазон корабельных шумов простирается от 10 до 103 Гц. Из рис.8.13 видно, что спектр корабельных шумов отличается от других, позволяя его выделять. Это широко используется при обнаружении надводных и подводных кораблей акустическими средствами. Причем удается определять тип судна.

Приведенный на рис.8.13 спектр всех перечисленных шумов оказывается сложным и выделить из него шум конкретного объекта удается только в том случае, если он отличается по частоте и уровню от других и его можно отфильтровать.

Дополнительная литература

1.Акустика океана. Под ред. Л .М. Бреховских.- М.: Наука, 1974 - части

1,2,9.

2.Акустика океана. Под ред. Дж.Де Санто. Пер. с англ.- М.:Мир,1982 - гл.2.

3.Алексеев Г.В. Математические основы акустики океана.

(Учебное пособие). Владивосток, ДВГУ, 1988 - гл. 1,2,3. 4. Богородский А.В., Яковлев Г.В., Корепин Е.А., Должиков А.К.

Гидроакустическая техника исследования и освоения океана. - Л.: Гидрометеоиздат, 1984 - гл. 1,2.

5. Бреховских Л.М., Лысанов Ю.П. Теоретические основы акустики океана. - Л.: Гидрометеоиздат, 1982 - 264с.

6. Бреховских Л.М., Лысанов Ю.П. Акустика океана. В кн.:

Океанология. Т.2, Гидродинамика океана. - М.: Наука, 1978, гл.2.

Вопросы для самопроверки

1- Почему на практике для расчета скорости звука в океане используется не точная аналитическая формула, а приближенные?

2 - В чем состоят достоинства и недостатки волнового и лучевого подходов к описанию распространения звука в океане?

3 - Как меняются акустическое давление и интенсивность звука с расстоянием в плоской, цилиндрической и сферической акустических волнах в идеальной жидкости?

4 - Как влияет стратификация океана на траекторию акустического сигнала и на интенсивность звука вдоль нее?

5 - Как определяются границы подводного звукового канала и чем он характерен?

296

6 - Каковы законы горизонтальной рефракции акустического сигнала?

7 - Как зависит ослабление звука в океане от частоты излучаемого сигнала? 8 - Что понимается под уравнением гидролокации?

9 - Почему возникает явление реверберации звука в океане?

10 -Чем различаются акустические шумы в океане и каково их практическое значение?

11 - В чем заключается суть раздела акустики, называемого акустической томографией?