гидроакустика

ГИДРОАКУСТИКА - раздел акустики, в к-ром изучаются характеристики звуковых полей в реальной водной среде для целей подводной локации, связи и др. Большое значение Г. связано с тем, что звуковые волны в океанах и морях являются единств. видом излучения, способным распространяться на значит. расстояния; часто Г. наз. акустикой океана.

На распространение звука в океане влияют разл. факторы как регулярного, так и случайного характера, к-рые зависят от свойств среды и характеристик поверхности и дна. Наиб. важная акустич. характеристика океанич. среды - скорость звука, вертикальная и горизонтальная изменчивости к-рой в осн. определяют характер распространения звука в данном районе. Макс. относит. градиенты скорости звука по вертикали на три порядка превышают макс. относит. горизонтальные градиенты. Скорость звука в океане меняется в пределах 1450-1540 м/с; её значение зависит в осн. от темп-ры, солёности, давления (глубины): повышение темп-ры воды на 1⁰C увеличивает скорость звука на 2-4 м/с, повышение солёности на 1%₀ - примерно на 1 м/с, повышение давления на 1 атм - примерно на 0,2 м/с. Вертик. изменение темп-ры до глубин в неск. сотен м обычно достигает 10-20⁰C; солёность в океане близка к 35%₀, меняется слабо и, как правило, лишь в приповерхностном слое. Поэтому вертик. профиль скорости звука в верх. слоях океана в осн. повторяет вертик. профиль темп-ры. На больших глубинах темп-ра и солёность мало меняются и вертик. профиль скорости звука определяется увеличением гидростатич. давления. В приповерхностном слое толщиной в неск. десятков м, перемешанном волнением, темп-pa и солёность одинаковы по глубине, скорость звука растёт с глубиной из-за увеличения гидростатич. давления. Неоднородность скорости звука по глубине приводит к вертик. рефракции звука. При расположении в океане источника звука на глубине, где скорость звука минимальна, звуковая энергия концентрируется вблизи этого горизонта, образуя природный волновод акустический ,т. н. подводный звуковой канал, ось к-рого совпадает с минимум скорости звука. Часть звуковых лучей, не взаимодействующих с дном и поверхностью, распространяется при этом на значит. расстояния (до тысяч км), особенно на низких частотах, где поглощение звука в воде мало (т. н. сверх-дальнее распространение звука). Аналогичная концентрация энергии происходит и в приповерхностном звуковом канале (рис. 1), ось к-рого совпадает с поверхностью океана, однако, в отличие от подводного канала, здесь имеет место многократное отражение волн от поверхности. Если источник звука расположен выше оси подводного звукового канала, картина звукового поля осложняется (рис. 2): вблизи источника располагается ближняя освещённая зона, за ней - т. н. первая зона тени, звуковое поле в к-рой обусловлено только отражением от дна и дифракцией; за зоной тени находится первая освещённая зона (первая зона конвергенции), где происходит фокусировка звуковой энергии. Далее чередование зон тени и конвергенции повторяется. Такая зональная структура характерна для случая, когда скорость звука у дна больше или равна скорости звука у поверхности. В противном случае дно как бы "отрезает" часть звуковой энергии. Обычно в океане на горизонте расположения источника ближняя освещённая зона простирается на неск. км, а первая зона конвергенции начинается с 50-60 км. В мелком море структура звукового поля ещё более усложняется из-за увеличения влияния отражений от поверхности и дна.

Рис. 1. Слева - вертикальный профиль скорости звука с (z), справа - лучевая картина, соответствующая данному профилю скорости. Источник звука расположен у поверхности, r - расстояние по горизонтали.

Рис. 2. Слева - вертикальный профиль скорости звука, справа - лучевая картина, соответствующая данному профилю: 1 - граничный луч, за которым начинается зона акустической тени (заштрихована).

На распространение звука в океане существ. влияние оказывает поглощение звука .Для солёной морской воды характерно добавочное релаксац. поглощение, связанное с диссоциацией растворённых веществ: на частотах ниже 1 кГц оно определяется боратами (время релаксации 10^-3 с), на частотах от неск. кГц до неск. сотен кГц в осн. обусловлено сульфатом магния (время релаксации 10^-5с). На килогерцевых частотах коэф. поглощения звука для морской воды приближённо выражается соотношением =0,036 f^3/2 дБ/км, где f - частота (в кГц). Коэф. поглощения зависит также от темп-ры воды, её солёности и гидростатич. давления.

На формирование акустич. полей в океане заметное влияние оказывают случайные неоднородности скорости звука и неровности границы океана. От взволнованной поверхности океана часть звуковой энергии отражается в зеркальном направлении, при этом в сигнале появляется нерегулярная компонента, обусловленная перемещающимися неровностями поверхности, а частотный спектр его расширяется. В направлениях, отличных от зеркального, распространяются рассеянные компоненты сигнала. Коэф. рассеяния звука поверхностью океана (или дном) т=W/IS, где W - мощность звука, рассеянного участком поверхности площадью S в единицу телесного угла, I - интенсивность падающей звуковой волны. Величина M=10 Ig т наз. силой рассеяния. Сила рассеяния звука поверхностью океана в обратном направлении зависит от угла падения волны, её частоты, скорости ветра и составляет от -10 до -60 дБ.

Отражение и рассеяние звуковых волн от дна происходит как на границе раздела вода - грунт, так и в самой толще дна и зависит от строения дна и частоты падающей волны; затухание звука в грунте очень велико и обычно линейно растёт с частотой. Модуль коэф. отражения звука лежит в пределах от 0,05 до 0,5 при нормальном падении, а при скользящих углах может быть близок к 1. Сила обратного рассеяния звука от дна имеет различные угловые и частотные зависимости в разных геоморфологич. районах.

Объёмное рассеяние в океане обусловлено в осн. мелкими рыбами длиной 3-10 см, имеющими газовые пузыри, к-рые образуют т. н. звукорассеивающие слои практически по всей акватории Мирового океана, исключая его полярные области. Они локализуются на глубинах 300-800 м днём, поднимаясь в верхний 200-метровый слой ночью. Коэф. объёмного рассеяния звука m_V=W/IV, где W- мощность, рассеянная в единицу телесного угла объёмом V. Для звукорассеивающих слоев значения m_V в обратном направлении составляют 10^-5-10^-8м^-1 на частотах 2-50 кГц. Рассеяние в обратном направлении обусловливает одну из осн. помех гидролокации - реверберацию.

Кроме акустич. волн, излучаемых под водой для целей гидролокации, связи и т. д., в океанах и морях имеются собств. шумы. По своей природе они подразделяются: на динамич. шумы, связанные с тепловым движением молекул, поверхностным волнением, турбулентными потоками воды, синоптич. вихрями, шумом прибоя, кавитац. шумом прибоя, ударами капель дождя и т. п.; биологич. шумы, производимые животными; техн. шумы, вызванные деятельностью человека (шумы судоходства, шумы самолётов, шумы бурения дна и т. п.); сейсмич. шумы, обусловленные тектонич. процессами; шумы ледового происхождения. Как правило, шумовой фон в океане образуется мн. источниками, действующими одновременно, но осн. вклад обычно вносят шумы, связанные с поверхностным волнением, частотный спектр к-рых спадает с повышением частоты примерно на 5-10 дБ на октаву.

Акустич. методы широко используются для иссле-дования океана. С помощью эхолота определяется глубина слоев дна, с помощью профилографов - приборов, аналогичных эхолотам, но работающих на существенно более низких частотах, - структура осадочных слоев дна. Форму поверхности дна изучают гидролокаторами бокового обзора. По рассеянию звука от биол. объектов определяют биопродуктивность данного района. С помощью сигналов, рассеянных организмами, лежащими на слое скачка темп-ры, исследуют внутр. волны. Течения прослеживаются с помощью поплавков нейтральной плавучести, оборудованных акустич. излучателями. Стационарные акустич. излучающие системы, установленные на дне, позволяют осуществить акустич. навигацию. С помощью акустич. доплеровских лагов определяют скорость судна не относительно воды, а относительно Земли, используя рассеяние звука от дна. Г. широко применяется в воен. деле (см. Гидролокация, Гидролокатор).

Лит.: Бреховских Л. M., Волны в слоистых средах, 2 изд., M., 1973; Акустика океана, под ред. Л. M. Бреховских, M., 1974; Акустика морских осадков, под ред. Л. Хэмптона, пер. с англ., M., 1977; Урик P. Д., Основы гидроакустики, пер. с англ., Л., 1978; Клей К., Медвин Г., Акустическая океанография, пер. с англ., M., 1980. Ю. Ю. Житковский.

   <<      Предметный указатель      >>