В.И. Трухин, К.В. Показеев, В.Е. Куницын - Общая и экологическая геофизика (1119248), страница 42
Текст из файла (страница 42)
/дс Аномальная дисперсия ~ — ( 0 и сч ) с характерна для капиллярных волн. Зависимость групповой скорости гравитационно-капиллярных волн от длины волны приведена на рис. 10.9. Из теории волн бесконечно малой амплитуды следует экспоненциальное убывание с глубиной скорости движения частиц в волне, круговые траектории движения частиц при волновом движении, экспоненциальное убывание с глубиной радиуса этих окружностей. При этом затухание волн с глубиной происходит избирательно: короткие волны затухают быстрее, чем длинные. Это явление получило название гидродинамической филь грации. Глава 11 Акустика океана Скорость звука в океане Говоря о многообразии волновых движений в Мировом океане, следуот иметь в виду и такой тип волн, как акустические волны, которые могут существовать в морской воде благодаря ее сжимаемости.
Наука о подводном звуке, о его излучении, распространении, поглощении., рассеянии, отражении и приеме носит название акустики океана, или гидроакустики. Роль этой науки очень велика, так как из всех открытых до настоящего времени видов энергии звуковая энергия распространяется в воде на наибольшие расстояния [47, 139~. Изобретение и применение эхолота совершило переворот в гидрографии. Были получены батиметрические карты Мирового океана, открыты глубоководные впадины и хребты. Гидросейсмические методы позволили изучить геологическую структуру океанического дна. Гидроакустические методы используются для изучения течений, поверхностных и внутренних волн, морских льдов, структуры водных масс. Гидроакустика широко применяется для решения прикладных задач, таких как промысел рыбы, поиск полезных ископаемых, навигация и др.
Огромна роль гидроакустики в подводном плавании. История подводного флота неразрывно связана с развитием гидроакустики. Можно вспомнить о многих драматических и героических страницах войны на море, связанных с акустикой. Это, например, история обезвреживания советскими минерами в 1942 г. фашистских акустических мин, снабженных прибором кратности, история создания первых акустических тралов сотрудниками Физического института АН СССР им. П. Н. Лебедева под руководством академика Н.Н. Андреева, или история разработки акустических мин и методов борьбы с ними в период Великой Отечественной войны. Не менее захватывающие события происходят и в паше время.
Условия распространения акустических волн в океане имеют целый ряд специфических особенностей, обусловленных, с одной стороны, свойствами собственно водной среды океана, а с другой стороны -- свойствами граничных сред, т. е. атмосферы и дпа. 1ьь 11. Акуетика океана 237 Звук продольные упругие волны, и скорость его распространения определяется соотношением (11. 1) где рк плотность морской воды, т адиабатический модуль объемной упругости, Ке = т 1 адиабатический коэффициент сжимаемости морской воды. Величины Кв и плотность рк зависят от температуры 1, солености Я и давления Р.
Следовательно, и скорость звука в воде С„будет функцией этих характеристик и может быть записана в виде Сев = СО + еаСт + еаСя + ~Ср + ~ Снтг. Это формула Фрая и Пага (1971), в которой Со = 1449,3 м,1с скорость звука при Т = 0'С, Я = 35%о и нормальном атмосферном давлении; ЬСт, ЬСн, ЬСр, ЬСятр соответственно поправки на изменение температуры, солености, давления и их нелинейное взаимодействие.
Формула Фрая и Пага справедлива для следующих интервалов изменения величин Т., Я, Р: — 3 С < 1 < 30'С, 33,1%о < Я < 36,,6%о, 1,03 кг/см2 < Р < < 102 кг/Смз. Наряду с формулой Фрая и Пага, существует ряд других эмпирических формул, в которых поправки описываются полиномами различных степеней давления, температуры, солености. Изменение температуры воды на 1'С изменяет С„на 3 м,1с, изменение солености Я на 1%о приводит к изменению величины С„на 1,2 м/с, а возрастание или убывание давления на 1 атм изменяет С,„на 0,2 м/с. Наибольшее изменение скорости звука в море вызывает изменение температуры морской воды.
В реальных условиях изменения параметров морской воды скорость звука меняется в пределах С„= 1440+ 1540 м/с. Первые научные упоминания о распространении звука в воде есть уже в трудах Леонардо да Винчи: «Если ты, будучи па море, опустишь в воду отверстие трубы, а другой конец ее приложишь к уху, то услышишь идущие вдали корабли».
Этим замечанием Леонардо предвосхитил современную практику подводного подслушивания кораблей, и можно только удивляться его прозорливости, так как корабли его эпохи это гребные и парусные суда, которые были гораздо менее шумными, чем современный флот.
После Леонардо да Винчи пройдет три с !гх 11. Ахуетихи охеаха лишним века, прежде чем Араго, а затем Колладен вновь обратят внимание на то, что вода отлично проводит звук и что это обстоятельство можно использовать для практических целей. в х Ю х (4 0> с х > ее сэ судоходство каждое судно оставляет звуковой след в океане, который слабо затухает и распространяется на большие расстояния. Область !'51 — шумы от землетрясений, моретрясе- 1!! 1!!2 1!!3 1й4 1!!5 ний, НОДВОДных ВЗРЫВОВ, шумы от турбулентных Частота, Гц движений на границе океан- атмосфера. Левая часть спектрограммы заходит в инфразвуковую область, не воспринимаемую ухом человека.
Энергия этих шумов очень велика (больше чем от остальных источников во много тысяч раз). Затухание слабое и, как следствие этого, наиболыпее распространение по дальности. Источником шумов являются также населяющие море живые организмы: креветки щелкают; ревут, свистят и даже чирикают белуги (ревет как белуга); лает ставрида Черного моря; издает звуки цокающих лошадиных копыт кефаль; пищит и мурлыкает сельдь. Океан -- не мир безмолвия, а мир без Солнца -- так Рис. 11.1.
Спектрограмма шумов моря различного происхождения: !в шумы ветрового волнения; !1 шумы дождя и снежных зарядов; !1!-- шумы судоходства; !'х' — шумы от землетрясений и турбулентных движений на границе атмосферы и воды Шумы в океане На рис. 11.1 приведены спектрограммы шумов моря различного происхождения. Область 1 область шумов, возникающих под действием ветровых волн (две кривые —. для волн при ветре 1 балл и 8 баллов по шкале Бофорта) шумы от бегущих волн, их столкновения и разрушения. Область !1 шумы в море при сильных ливнях, снегопадах и интенсивных снежных зарядах.
Причиной шумов в области 1П является !'л. !!. Ахусшика охвина 239 назвал его замечательный исследователь Мирового океана 2Как Ив Кусто. Поглощение и рассеяние звука в океане В процессс распространения звука в океане звуковая энергия поглощается и рассеивается. Поглощение в среде приводит к экспоненциальному убыванию амплитуды звукового давления р(й) при увеличении расстояния 2! от излучателя: (И.2) р(й) = р(0) е Здесь Д .- коэффициент поглощения, он измеряется в неперах на километр (Нп!'км) и является функцией температуры, !! измеряется в километрах. Причиной поглощения являются воздушнью пузырьки, морские организмы с газовыми включениями, дно.
Обычно для характеристики влияния газовых включений на затухание звука приводят пример с двумя наполненными до краев бокалами шипучего вина в одном вино отстоявшееся, в другом — свеженалитое. Звон у первого бокала при постукивании сильнее, чем у второго — пузырьки газа гасят звук. Ослабление звука по мере распространения его в океане обусловлено пе только процессом поглощения, но и процессом рассеяния. Закон рассеяния звука в море имеет вид (11.3) р(Л) = р(0) е где г коэффициент рассеяния (измсряется в Нп,!км). Причины рассеяния — воздушные пузырьки, возникающие как продукт жизнедеятельности планктона, а также при волнении и штормах; мелкомасштабные температурные неоднородности: шероховатость морской поверхности, вызванная волнением, скопления мелких морских животных, образующие звукорассеивающие слои в глубинах Мирового океана; флуктуации показателя преломления звуковых лучей.
Поглощение и рассеяние звука приводят к экспоненциальному убыванию амплитуды звуковой волны по мере удаления от излучателя. В натурных условиях в океане часто невозможно разделение эффектов поглощения и рассеяния. Совместное действие поглощения и рассеяния звука приводит к экспоненциальному убыванию амплитуды звукового давления по мере удалеяия от излучателя аапуз:аниме (11.4) р(2!) = р(0) е !зь 11. Аху«тихи ох«ави 240 где К коэффициент затухания (Нп/км). Согласно экспериментальным данным и теоретическим расчетам затухание звука зависит от частоты звуковых колебаний: звук низких частот затухает меньше, т.е.
распространяется па ббльшие расстояния. Затухание акустических волн в морской воде болыпе, чем в пресной. Распространяясь в океанах и морях, звуковые волны испытывают отражение от дна и на границе раздела вода — воздух. Отражение звука от границы вода-атмосфера является «мягким»-- происходит смена фазы звукового сигнала на противоположную, в результате чего результирующее звуковое давление па границе раздела вода-воздух становится равным нулю. Граница вода. воздух это полностью отражающая граница. Поверхность моря, как правило, взволнованная, что приводит к диффузному отражению звуковых волн (наряду с зеркальным) и увеличивает их затухание.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
