В.И. Трухин, К.В. Показеев, В.Е. Куницын - Общая и экологическая геофизика (1119248), страница 43
Текст из файла (страница 43)
Наличие большого количества пузырьков воздуха в приповерхностном слое океана также усиливает затухание звука. Дно океанов и морей отражает звуковые волны по-разному и его отражающие свойства характеризуют коэффициентом отражения отношением звукового давления в отраженной волне к звуковому давлению в падающей волне. Выше уже упоминалось, что скорость звука в морской воде зависит от ее температуры, солености и давления (или глубины), т. е.
С„= !' (Т, Ь', Р). Существующее в океане вертикальное распределение Т, Я и гидростатического давления Р по глубине приводит к формированию вертикального распределения Св„, характеризующегося наличием минимума, расположенного па некоторой глубине (в Атлантике на глубинах от 1200 до 2000 м, в Тихом океане - от 500 до 700 м, в полярных широтах около самой поверхности). Пример такого распределения С„ приведен на рис.
11.2. Оказалось, что для распространения звука Рис.11.2. Распределение ~о вертикали скорости звука, наиболее часто встречающееся в глубоководных районах морей и океанов (а), и формирование звукового канала (0) 241 в океане наиболее важное значение имеет не абсолютное значение С„, а профиль кривой С„(я), .т. е. вид вертикального распределения С.„, а именно положение экстремумов на этой кривой, соотношение значений С„у дна, у поверхности океана дС„ и в экстремальных точках, распределение градиентов с с1~ глубиной и т.
д. Профиль С„(я) по существу и определяет условия распространения звука в океане. При одном типе профиля скорости звука от глубины С„(в) дальность распространения звука может достигать сотен и тысяч километров, при другом профиле - - лишь нескольких километров. Для глубоководных районов океана типичен профиль С„(я) вида, приведенного па рис.
11.2, т. е. профиль с минимумом, расположенным на некоторой глубине в . Вверх от в,„скорость С;, растет вследствие роста температуры 7', вниз от в, величина С „ увеличивается из-за роста давления Р. Наличие минимума С„ приводит к формированию интереснейшего явления -- возникновению подводного звукового канала. Создаются условия, благоприятные для дальнего распространения звука, .
- звуковые волны не рассеиваются на поверхности океана и не поглощаются в донном грунте. Из факторов, ослабляющих звуковое давление, остается только поглощение в морской воде. Для низких частот, для которых поглощение в воде невелико, дальность распространения звука может составлять несколько тысяч километров. Звук спокойно мог бы обогнуть весь земной шар, если бы ему не мешали материки. Почти повсеместное существование в Мировом океане звукового канала было использовано для создания гидроакустической системы спасения людей, попавших в катастрофу на море (СОФАР).
Летчики, оказавп2иеся на поверхности моря, моряки, терпящие бедствие, сбрасывали в воду специальньп.' глубинные бомбы, которые взрывались на глубине расположения звукового канала. Звук взрыва, зарегистрированный на нескольких береговых станциях, позволял точно определить положение терпящих бедствие. Ход звуковых лучей в подводном звуковом канале может быть рассчитан с помощью лучевой теории, в основе которой лежит предположение, что звуковая энергия в среде распространяется вдоль некоторых линий -- лучей. Если излучатель поместить на оси звукового канала, то при определенных условиях лучи, вышедшие из этого источника под разными углами скольжения, снова соберутся в одну точку, т.
е. сфокусируются. Таким образом, подводный звуковой канал действует на звуковые лучи как собирательная линза. 72. 11. Акуетаика океана 242 С2 япОо = — япО. С1 (11. 5) где Ое угол преломления. Если звуковые волны переходят из среды с меньшей скоростью звука С1 в среду с болыпей скоростью Сз (Сз > С1), то они отклоняются вверх от направления распространения, т. е.
имеет место положительная рефракция. Если же распространение идет из среды, где скорость звука Сы в среду, в которой скорость звука Ся но при этом Сз ( Сы то отклонение лучей происходит вниз от направления их распространения и тогда говорят об отрицательной рефракции.
В первом случае (при положительной рефракции) есть О„„„„, при котором С~ в~ш О;„„„= —, (11.6) и, если О, > О;„„а, то отражение полное и звуковая волна во вторую среду не проходит. В случае, когда звук идет из воздуха в воду, япО, = = 0,22 330 1500 (11. 7) О;„„„, = 12,7'. (11.8) При О; > 12,7' звук из воздуха в воду пе пройдет. Если разбить толщу моря на тонкие слои и в пределах каждого из них считать С„= сопв1, то расчетным путем можно показать, что при распространении звука в слоисто-неоднородной среде звуковой луч будет отклоняться в сторону меньшей скорости его распространения.
Рассмотрим ряд случаев. Скорость звука Саа по горизонтали в океане изменяется существенно меньше, чем по вертикали, и можно считать, что акустические свойства среды меняются только по е. Океан слоисто-неоднородная среда. Как же распространяется звук в таких средах? Для плоских акустических волн, которые падают на границу раздела двух сред под углом О„имеют место те же законы отражения и преломления, что и в геометрической оптике. Закон Спеллуса гласит: 1ах 11.
Ахуатиха ахааха Рис. 11.3. Распределение скорости звука, типичное для глубоководных районов моря при постоянстве по глубине температуры н солености в дневные часы весенне-летнего периода (а) и соответствующая ему положительная рефракция звуковых лучей (б) 1.
Скорость звука постоянна (не меняется с глубиной). В этом случае рефракции нет и звуковые лучи будут прямолинейны. Такая картина наблюдается в мелководных водоемах в осенне-зимний период, когда развивается конвективная циркуляция, охватывающая весь водоем, и температура, и соленость воды выравниваются по глубине: Т = сопя| и Я = сопв1. Вследствие мелководности влияние давления невелико. 2. Температура Т = сопв1 и Я = сопя|, но море глубокое и на С„влияет глубина (т. е.
давление). Распределение Ста(в) приведено на рис. 11.3. В этом случае рефракция будет положительная, у поверхности будет происходить отражение лучей и вблизи границы раздела в воде формируется своеобразный волновод, что увеличивает дальность распространения звуковых лучей.
3. Мелководье в весенне-летний период, когда идет прогрев с поверхности солнечными лучами. Распределения С„в дневные и ночные часы приведены на рис. 11.4 и 11.5. Днем будет отрицательная рефракция, лучи будут отклоняться вниз, и дальность их распространения будет мала. Ночью же ситуация будет как в предыдущем случае: вблизи поверхности сформируется звуковой канал и дальность распространения звуковых лучей увеличится. Зависимость скорости звука от температуры воды используется в методах акустической термометрии и акустической томографии, которые находят все большее применение. Основной 1л.
11. Акустика океана Рис.11.4. Распределение скорости звука с глубиной в поверхностном слое мелководных районов моря в дневные часы весенне-летнего периода (а) и соответствующий этому распределению ход акустических лучей (отрицательная рефракция) (б) Рис.11.5. Распределение скорости звука по глубине в ночные часы весенне-летнего периода (а) и соответствующее ему формирование поверхностного звукового канала (б) принцип акустической томографии океана заключается в восстановлении структуры океанских неоднородностей по измерениям времени распространения сигналов вдоль отдельных лучей. В середине 90-х годов ХХ века был осуществлен наиболее известный и крупный эксперимент по акустической термометрни АТОС (Асонв6с ТЬегпюше$гу оГ Осеан С!цпа1е). Основная задача эксперимента состояла в длительных наблюдениях за крупномасштабной изменчивостью температуры воды в северной части Тихого океана с помощью измерения времени распространения акустических сигналов между несколькими излучателями и приемниками, расположенными на значительном трансокеанском удалении друг от друга.
На рис. 11.6 приведена схема расположения действующей и п,ланируемых стационарных трасс акустической термометрни Северного Ледовитого океана (российско-американский эксперимент АСО1)Я вЂ” Агс1)с С1)ша1е ОЬвегчай)онэ 1)в)нд Внг1егиа1ег Яонш1). Акустический излучатель передает сигналы на частоте 20,5 Гц один раз в четверо суток, длительность сигнала Гл. 1И Акустика оксана 245 90' з. д. Оо 180' 90' в.
д. Ф автономные излучатели О вертикальные приемные антенны на базовых буйковых станциях, соединенных кабелем с берегом в автономные либо соединенные кабелем с базовыми станциями акустические бун с вертикальнымн антеннами действующая трасса АС008 прсдполагаомая соть трасс аку- стической тсрмомстрнн Север- ного Ледовитого океана кабель Рис. 11.6. Схема натурного эксперимента по использованию акустической термометрии для изучения крупномасштабных температурных неоднородностей вод Мирового океана около 20 мин. Анализ данных, полученных в ходе первой стадии российско-американского эксперимента по траисарктическому акустическому распространению, позволил выявить потепление слоя атлантических вод вдоль трассы Шпицберген море Бофорта в среднем на 0,30'С относительно средпеклиматических данных.
Выполненные исследования показали, что акустическая термометрия может быть мощным инструментом, позволяющим с !ьь 11. Ахуашихи океана высокой точностью и непрерывно в течение практически неограниченного времени получать уникальные данные об изменении средней температуры глубинных вод океанов. Реверберация и предреверберация звука в океане После прекращения действия источника звука в море в течение определенного интервала времени в некоторой области пространства продолжает существовать акустическое поле, интенсивность которого убывает во времени.
Это реверберация звука. Порождается реверберация неровностями дна и поверхности, неоднородностями, как то: скопления пузырьков воздуха из-за волн, пузырьками газов при гниении, мелкомасштабными температурными неоднородностями, взвешенными частицами. Различают обьемную, поверхностную, донную реверберации, в зависимости от степени влияния тех или иных факторов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
