151636 (Акустика океана), страница 3

Особенности рассеяния звука в океане на случайных неоднородностях скорости звука, порожденных турбулентностью, и на неровностях поверхности таковы, что основной вклад в рассеянное поле вносят неоднородности и неровности с размерами много больше длины акустической волны. При этом почти вся рассеянная энергия распространяется вперед, вдоль направления движения первичной волны - индикатриса рассеяния всегда имеет в этом направлении максимум. Удаленный приемник регистрирует как дошедший до него первичный сигнал, несущий определенную информацию, так и рассеянное поле, пришедшее почти по тому же направлению. В принятом сигнале появятся случайные флуктуации, которые могут существенно затруднить расшифровку передаваемой информации. В конечном счете это приведет либо к уменьшению реальной дальности действия акустической системы, либо к замедлению передачи сообщений. С другой стороны, анализируя флуктуации сигнала, прошедшего по подводной трассе, можно получить сведения о состоянии среды вдоль этой трассы.

Если излучатель и приемник находятся вблизи оси подводного звукового канала и распространение звука происходит без отражений от поверхности (Приложение 4), то случайные вариации скорости звука - на турбулентных неоднородностях - основная причина рассеяния энергии передаваемых по каналу сигналов. В этом случае глубина флуктуаций в точке приема, как правило, невелика и сигнал мало отличается по виду от излученного. Частота флуктуаций зависит от скорости смены реализации. Случайные турбулентные неоднородности в толще вод океана изменяются или смещаются весьма медленно (в акустике их принято называть даже "замороженными"). Поэтому смена реализации почти всегда определяется скоростью течений и движения судов. Если эти скорости известны, то частота флуктуаций позволит оценить размеры рассеивающих неоднородностей. Этот метод изучения температурных неоднородностей неоднократно применялся в океанологии.

Если источник звука находится вблизи поверхности, далеко от оси подводного звукового канала, то основная часть звуковой энергии переносится вдоль лучей, отражающихся от поверхности (Приложение 5). Термин "отражение" здесь может быть использован только весьма условно. На самом деле переизлучение звука морской поверхностью - процесс значительно более сложный, и в нем большую роль играет рассеяние звука волнами. Наиболее сильно рассеивают звук длинноволновые компоненты, соответствующие максимуму спектра волнения. Как правило, рассеянное поле отбрасывается в основном по направлению зеркального отражения от средней, т.е. горизонтальной, плоскости. В подавляющем большинстве океанических ситуаций рассеяние на поверхности сильнее объемного и, если звук отражается от поверхности, то этот процесс и определяет доминирующую часть рассеянного поля в удаленной точке приема.

Мы уже говорили, что если вдоль трассы распространения звука, вблизи поверхности, образуются зоны тени, то понятие "тень" здесь условно - сюда приходят звуковые волны, отраженные от дна океана. Остановимся более подробно на том, что представляют собой сигналы, "отраженные" дном. На дне есть неровности, которые имеют случайные размеры и расположены в пространстве также случайно. Акустические антенны, установленные на судах, движутся относительно дна за счет качки, дрейфа или хода судов. Из-за этого озвученная площадь дна ("звуковое пятно") непрерывно смещается и, следовательно, непрерывно изменяются фазовые соотношения между сигналами, переизлученными отдельными неровностями. В результате рассеяние звука неровностями дна, несмотря на их неподвижность, оказывается процессом, подобным рассеянию звука поверхностью. Рассеянный сигнал беспорядочно флуктуирует, и уровень его тем больше, чем более неровным является дно.

В равнинных районах дна океана отражение звука значительно ближе собственно к отражению. Рассеиваемая энергия сосредоточивается в узком максимуме индикатрисы вокруг зеркального направления, и поэтому уровень отраженных сигналов заметно выше, чем в гористых районах, хотя разница в типе грунта (ил на равнинах и скалы в горах) должна была бы привести к противоположному эффекту. Однако различие рельефа а, следовательно, и особенностей рассеяния оказывается доминирующим.

За последние десять лет в западной части Центральной Атлантики, в районах Флоринского пролива, Багамских и Бермудских островов учеными США были выполнены весьма интересные опыты. Большая часть работ проводилась с акустическими антеннами, закрепленными неподвижно на склонах дна; расстояния между корреспондирующими пунктами (длины трасс) варьировались от десятков до почти полутора тысяч километров. Работы выполнялись на частотах в сотни герц, а продолжительность непрерывных наблюдений составляла недели, месяцы, а в некоторых опытах была больше года.

В результате обработки полученных записей были выявлены сильные вариации амплитуды и фазы акустических сигналов с самыми разными периодами. На мелководных трассах основной механизм воздействия приливов на условия распространения звука связан с изменением толщины водного слоя и соответствующих этому вариаций структуры лучевой картины. В глубоком океане основная роль принадлежит внутренним волнам, порождаемым приливами вблизи материковых склонов. Следует добавить, что влияние внутренних волн не ограничивается вариациями амплитуды и фазы сигналов, изменяется и направление их распространения.

Если на трассе звуковых сигналов встречаются синоптические вихри, то особенности их гидрологического строения (в первую очередь вертикального распределения температуры, которое определяет профиль скорости звука) также влияют на условия распространения звуковых волн. Отмечены связанные с вихрями смещения зон конвергенции и зон тени на 8-10 км и вариации уровня интенсивности звука в 5-10 раз. С другой стороны, имеются интересные идеи, как организовать акустическое "просвечивание" больших зон в океане, которое позволит обнаружить наличие таких вихрей и изучить их структуру.

Заключение

Объем реферата, естественно, позволил охватить только малую долю вопросов и направлений, изучаемых в акустике океана. "За бортом" остались все акустико-биологические проблемы - от рассеяния звука мелкими обитателями морей и океанов до сложнейших механизмов использования акустических волн такими высокоразвитыми животными, как дельфины. Вопросы собственных шумов моря - гидродинамических, подледных, сейсмических, биологических и т.д. - также остались за рамками статьи. Можно было бы назвать буквально десятки ситуаций, когда акустические волны эффективно используются для изучения океана: уже упоминавшееся картирование дна, поиск и учет рыбных запасов, разведка полезных ископаемых в толще дна океана и т.д. Все эти и многие другие проблемы изучаются молодой, быстро развивающейся наукой - акустикой океана

Список литературы

1. Алексеев Д.М. «Энциклопедия физики»

2. Ирина Борисовна Андреева, академик Леонид Максимович Бреховских – статья «Акустика океана».

Интернет сайты:

http://ru.wikipedia.org

http://rc.nsu.ru/text/encyclopedia

http://nehudlit.ru

http://www.vokrugsveta.ru

http://www.rubricon.com

http://fizikaihimia.ru

http://www.koob.ru

http://elib.ru

http://www.partslover.net

http://soil.msu.ru/~invert/main_rus/study/kursy/ocean.html

http://www.google.ru/

http://slova.org.ru/balmont/okean/

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Распространение звука в тонком водном слое океана с отражениями от дна и потерями при отражениях.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Расстояния, на которых звуки разных частот затухают в 10 раз при распространении в морской воде.

П РИЛОЖЕНИЕ 3

Расстояния, на которых звуки разных частот затухают в 10 раз при распространении в морской воде.

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

Преломление лучей при переходе из одной среды в другую:

а - резкая граница между средами; б - плавное изменение скорости звука.

Распространение звука в подводном звуковом канале в случае, если источник звука находится на оси канала.

ПРИЛОЖЕНИЕ 5

Распространение звука в подводном звуковом канале в случае, если источник звука находится выше оси канала.

ПРИЛОЖЕНИЕ 6

Генеральный рельеф дна Атлантического океана (карта Хейзена 1968) и эхолотный профиль по параллели 23° с. ш. (А. В. Ильин, 1973, Акустический институт).

П РИЛОЖЕНИЕ 7

Микрорельеф дна одной из глубоководных равнин Атлантики.

Размер кадра 2,9 x 3,4 м (Г. В. Богоров, Акустический институт).

ПРИЛОЖЕНИЕ 8

Микрорельеф дна на гребне Аравийско-Индийского подводного хребта в Индийском океане (Г. В. Богоров, Акустический институт).

ПРИЛОЖЕНИЕ 9

Синоптические вихри, проходившие в период с 30 апреля по 25 июня 1970 г. через точку с координатами 16° 30' северной широты и 33° 30' западной долготы ("Полигон-70"). Стрелки - векторы синоптической компоненты скорости течения, измеренной на буйковых станциях (кружки) на глубине 300 м. (Ю. М. Грачев, М. Н. Кошляков. Институт океанологии АН СССР).

ПРИЛОЖЕНИЕ 10

Короткопериодные внутренние волны в открытом океане на глубинах верхнего термоклина (А. Н. Назаров, К. Д. Сабинин, Акустический институт)

ПРИЛОЖЕНИЕ 11

Выход прибрежных внутренних волн на поверхность (О. П. Галкин, С. Д. Сабинин, Акустический институт).

ПРИЛОЖЕНИЕ 12

Зыбь в открытом океане

ПРИЛОЖЕНИЕ 13

Начинается шторм

ПРИЛОЖЕНИЕ 14

Частотные спектры ветровых волн.

Цифры у кривых - скорость ветра.

П РИЛОЖЕНИЕ 15

Движение частиц воды при волнении.