рассеяние звука

РАССЕЯНИЕ ЗВУКА - рассеяние звуковых волн на пространственно-временных флуктуациях плотности и упругости разл. сред (напр., на поверхности океана, на неровном и неоднородном его дне, на пересечённой местности, на искусств. периодич. структурах и неоднородных поглощающих поверхностях, применяемых для улучшения акустич. свойств больших помещений, на дискретных неоднородностях - воздушных пузырьках в жидкости, твёрдых взвешенных частицах в жидкости или газе, на рыбах и макропланктоне в океане,

каплях дождя в воздухе, точечных дефектах в кристаллах и др.). Поскольку при Р. з. часть акустич. энергии уходит по направлениям, отличным от направления распространения звука, интенсивность первичной волны уменьшается. Если при распространении в данном направлении звук рассеивается многократно, то наблюдается экспоненц. ослабление его интенсивности с расстоянием.

Рассеивающую способность неоднородностей характеризуют поперечным сечением рассеяния s_s, равным отношению акустич. мощности W_s рассеянной в единицу телесного угла, к интенсивности падающей волны Значение s_s существенно зависит от частоты и угла падения звуковой волны, размеров неоднородностей и их акустич. характеристик. Если длина волны звука мала по сравнению с линейным размером рассеивающего тела, то сечение рассеяния s_s по порядку величины равно площади поперечного сечения тела, перпендикулярного направлению падения первичной волны. Для малых препятствий s_s ~ (ka)⁴ (закон Рэлея), где k - волновое число звука, a - линейный размер тела. Весьма эфф. рассеива-телями являются "резонансные" пузырьки газа в жидкости, частота собственных радиальных колебаний к-рых совпадает с частотой звуковой волны. При этом s_s во много раз превышает геом. сечение пузырьков. Так, напр., полное значение s_s (соответствующее рассеянию в телесный угол 4p) для воздушного пузырька в воде при атм. давлении на резонансе, т. е. при ka = 0,014, равно 4p/k² и, следовательно, превышает геом. сечение пузырьков pa² в 4/(kа)² ! 20000 раз. Из-за вязкости и теплопроводности реальное значение s_s может существенно уменьшаться. Однако даже в случае относительно больших различий в размерах пузырьков резонансное рассеяние играет доминирующую роль (как, напр., при Р. з. в приповерхностном пузырьковом слое в океане). Аналогично Р. з. глубоководными оке-анич. звукорассеивающими слоями обусловлено в осн. резонансными колебаниями плавательных пузырей небольших рыб.

Р. з. в кристаллах происходит на примесях, точечных дефектах, дислокациях, плоскостях двойникования и т. п. Если на длине звуковой волны имеется большое число точечных дефектов и примесей, то осн. роль начинает играть рассеяние на флуктуациях их числа. В поликристаллах большой вклад в Р. з. дают границы зёрен.

Наиб. значение в гидроакустике имеет Р. з. на поверхности океана, на объёмных неоднородностях водной толщи, на неровностях донного рельефа и неоднородностях подводного грунта. В результате Р. з. возникает поверхностная, объёмная и донная реверберация ,к-рая является одной из осн. помех при работе разл. гидроакустич. приборов и устройств. Характер Р. з. на случайных неровных поверхностях, таких, как поверхность океана, зависит от величины параметра Рэлея P = 2khcosq₀, где h - среднеквадратичное значение высоты неровностей, q₀ - угол падения первичной волны. При P1 Р. з. является резонансным или избирательным - значение s_s определяется всего лишь одной гармоникой из сплошного пространственного спектра неровностей, волновой вектор к-рой q удовлетворяет условию Брэгга: - -, где- горизонтальные компоненты волновых векторов падающей и рассеянной волн соответственно. Если, кроме того, горизонтальный масштаб (радиус корреляции) неровностей r₀ мал по сравнению с длиной волны звука (kr₀ 1), то частотная зависимость s_s следует закону Рэлея, а зависимость s_s от угла рассеяния q (индикатриса рассеяния) - закону s_s ~ cos²q. При крупномасштабных неровностях (kr₀ 1) частотные и угл. характеристики s_s существенно зависят от вида пространственного спектра неровностей. Так, при гауссовом спектре индикатриса рассеяния имеет резкий максимум в направлении зеркального отражения с угл. шириной Dq ~ 1/kr₀. В случае спектра, характерного для развитого ветрового волнения, индикатриса рассеяния имеет два максимума разл. величины, смещённых в разные стороны относительно зеркального направления, а в направлении зеркального отражения у неё наблюдается глубокий провал.

При Р. з. на крупных плавных неровностях (Р1) поперечное сечение рассеяния s_s пропорц. плотности вероятности наклонов неровностей и не зависит от частоты звука; индикатриса рассеяния при этом имеет максимум в зеркальном направлении с угл. шириной, пропорциональной среднеквадратичному значению наклонов неровностей. При Р. з. на неровных поверхностях со сложным спектром неоднородностей рассеянное поле в направлениях, близких к направлению зеркального отражения, определяется в основном крупномасштабными компонентами неровностей, а поле в обратном (локационном) направлении обусловлено гл. обр. мелкомасштабными неровностями.

Р. з. на слабых флуктуациях показателя преломления в атмосфере пли океане во многом аналогично Р. з. на малых случайных неровностях. Оно также имеет резонансный характер; длина волны "резонансной" гармоники L = l/sin(q/2), где l - длина волны звука, q - угол между волновыми векторами падающей и рассеянной волн. По мере уменьшения q рассеяние определяется неоднородностями всё больших масштабов. При рассеянии в обратном направлении L = l/2.

Временная изменчивость рассеивателей приводит к расширению частотного спектра рассеянного поля. Типичным примером может служить Р. з. на взволнованной морской поверхности и внутр. волнах в атмосфере и океане. Ряд особенностей имеет Р. з. на дне океана. В мелководных районах Р. з. обусловлено гл. обр. флуктуациями показателя преломления и плотности в толще подводных осадков. В широком диапазоне частот (1-100 кГц) s_s для рассеяния в обратном направлении не зависит от частоты звука, его угл. зависимость близка к закону Ломмеля - Зеелигера s_s ~ cosq. В глубоком океане осн. вклад в Р. з. дают неровности донного рельефа.

Анализ разл. характеристик рассеянного звукового поля позволяет определять разл. характеристики самих рассеивателей. Так, напр., по обратному рассеянию звука на турбулентных неоднородностях в атмосфере находят пространственный спектр пульсаций показателя преломления. Наличие Р. з. на неоднородностях и дефектах в твёрдых телах лежит в основе ультразвуковой дефектоскопии.

При Р. з. на случайных поверхностных или объёмных неоднородностях образуется т. н. пятнистая интерференц. структура (спекл-структура; см. Спекл-интер-ферометрия). На основе её анализа разработаны₍ эфф. дистанц. методы определения разл. параметров природных неровностей и неоднородностей, развиты акустич. методы разведки полезных ископаемых, в частности железомарганцевых конкреций на дне океана, созданы навигац. приборы - корреляц. лаги для измерения абс. скорости движения судна относительно дна океана, а также устройства для определения с высокой точностью смещения судна относительно фиксир. точки.

При Р. з. на периодически неровных или периодически неоднородных поверхностях рассеянное поле состоит из суперпозиции плоских волн (дифракц. спектров разл. порядка), распространяющихся в дискретных направлениях, определяемых условием Брэгга. Если период неровностей (неоднородностей) меньше половины длины звуковой волны, то амплитуды всех рассеянных волн (помимо зеркально отражённой волны) экспоненциально убывают при удалении от поверхности и рассеянное поле сосредоточено вблизи поверхности (ближнее поле).

Лит.: Ландау Л. Д., Лифшиц E. М., Гидродинами-на, 4 изд., М., 1988; Исакович М. А., Общая акустина, М., 1973; Чернов Л. А., Волны в случайно-неоднородных средах, М., 1975; Киттель Ч., Введение в физику твердого тела, пер. с англ., М., 1978; Исимару А., Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах, пер. с англ., т. 1-2, М., 1981; Бреховсвих Л. М., Лысанов Ю. П., Теоретические основы акустики океана, Л., 1982. Ю. П. Лысанов.

   <<      Предметный указатель      >>