В.А. Магницкий - Общая геофизика (1119278), страница 53

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 53)

Для диапазона частот звуковых волн от 104 до 106 Гцможно привести формулу, полученную Р.А. Вадовым для коэффи­циента поглощения звука в морской воде:я = _______ + к лрf / f p - f p/ fyf'где / — частота звуковых колебаний; A , f p, к {— параметры, завися­щие от гидрофизических характеристик среды. Первый член этоговыражения описывает поглощение звуковых колебаний, обусловлен­ное растворенными в воде солями, а второй — соответствует погло­щению звука в пресной воде.О Т Р А Ж Е Н И Е ЗВУ КА В ОКЕАН ЕКак отмечалось выше, свойства граничных сред, т.е. атмосферы идна океана, играют заметную роль в формировании специфическихособенностей распространения акустических волн в морских глу­бинах.Отражение звуковых волн от границы раздела вода-воздух явля­ется “мягким”, т.е.

звуковое давление при отражении изменяет фа­зу на противоположную, вследствие чего результирующее звуковоедавление на границе раздела будет равно нулю. Поверхность моряблагодаря волнению не является плоской. Это обстоятельство при­водит к тому, что на границе раздела океан-атмосфера наряду сИ ЗМ ЕРЕН И Е СК ОРОСТИ ЗВУКАВ О КЕАН ЕВпервые скорость звука в воде в природных условиях была изме­рена в 1827 г. Колладоном и Штурмом на Женевском озере. Приме­няемые в настоящее время методы определения скорости звука не­посредственно в море основаны на измерении либо фазы акустиче­ской волны, либо промежутка времени, в течение которого волнапроходит известное расстояние.Рассмотрим сущность фазового метода. Излучатель и приемникзвука располагаются таким образом, чтобы при определенной час­тоте / 0 звуковых колебаний расстояние между ними было равно А0 == с0/ / 0, где А0 — длина волны в среде с известной скоростью звука с0.При этом напряжение на входе излучателя и напряжение на выхо­де приемника будут находиться в одинаковых фазах.

Если теперь,не изменяя расстояния между излучателем и приемником, поме­стить их в морскую воду, скорость распространения звука сзв в ко­торой необходимо измерить, то между напряжениями на входе из­лучателя и на выходе приемника появится разность фаз <р. Напря­жения эти имели бы одинаковые фазы, если бы расстояние междуизлучателем и приемником было равно А = сзв/ / 0.

Нетрудно видеть,что (2л + <р)/2л = А /А0 = сзв/с 0 и(4.4)т.е., измеряя разность фаз р между напряжением на входе излучате­ля и на выходе приемника, можно определить скорость распростране­ния звука в море.Остановимся также на одном из методов определения скоростизвука, основанном на измерении промежутка времени Дг, в тече­ние которого звуковой сигнал проходит известное расстояние. Ме­тод этот используется в так называемом циклическом измерителескорости звука в море. Звуковой импульс доходит до приемника,предварительно отразившись от двух отражателей, что увеличиваетбазу измерений {рис. 4.1). При этом для определения скорости зву­ка получается выражениезвLДг/ п — т0 ’(4.5)зеркальным отражением имеет место и диффузное отражение зву­ковых волн, что увеличивает затухание акустических колебаний,распространяющихся в приповерхностном слое моря.

Кроме того,в результате обрушения гребней волн в поверхностном слое моряобразуется большое количество мелких газовых пузырьков, кото­рые являются дополнительной причиной затухания акустических ко­лебаний.Если верхнюю границу раздела море-атмосфера можно считатьполностью отражающей, то дно океана отражает акустические вол­ны по-разному, в зависимости от характера дна. Отражающие свой­ства дна океана обычно характеризуют коэффициентом отражения у,определяемым как отношение звукового давления в отраженной вол­не к звуковому давлению в падающей волне непосредственно у дна.На характер отражения звуковых волн от дна влияют его неровности,что оказывается весьма существенным при сверхдальнем распростра­нении звука.Э ХОЛ ОТИ РОВАН И Е И ГИ ДРО ЛОКАЦ И ЯНа отражающих свойствах морского дна основан метод определе­ния глубин с помощью эхолотирования.

Эхолот представляет собойустройство, включающее излучатель и приемник звуковых коле­баний.Впервые метод эхолотирования был применен в 1804 г. академи­ком Я.Д. Захаровым в воздухе, где это проще, так как скоростьраспространения звука в воздухе меньше, чем в воде, а следователь­но, промежуток времени от момента излучения звукового сигналадо прихода его эха больше. Применение эхолотирования в море ос­ложняется необходимостью измерения малых промежутков временимежду посылкой сигнала и приходом эха.Первые достаточно точные измерения глубин были выполнены спомощью ультразвуковых излучателей Ланжевена. Использованиеультразвука позволяет создать остронаправленные пучки звуковыхсигналов, посылаемых к участку дна непосредственно под кораблем,избежав таким образом ошибок, обусловленных особенностями рель^ефа дна, и записать профиль дна вдоль траектории движения судна.Используя ультразвук, можно применять метод эхолотирования не­прерывно, не боясь помех от корабельных шумов, спектральныйуровень интенсивности которых в области ультразвуковых частотмного ниже, чем в звуковом диапазоне.Если на дне моря существует толстый слой ила, покрывающийтвердый скалистый грунт, то на записи эхолота достаточно ясновыступают обе отражающие поверхности (рис.

4.2). Метод эхолотирования весьма эффективен при обнаружении затонувших кораблейили при поиске косяков рыбы.Рис. 4.2. Пример записи показаний эхолота в случае, когда на дне моря существуеттолстый слой илаСуществует большое количество разновидностей эхолотов. Однииз них используются только для навигационных целей, другие —только как рыбопоисковые средства, третьи — для научных целей,например для измерения больших глубин, определения характерагрунта дна океана по вертикали.К методу эхолотирования примыкают и методы гидролока­ции, предназначенные для обнаружения объектов, которые полно­стью или частично находятся в воде, а также для определения ихместоположения относительно корабля, несущего гидролокатор.

Та­кими объектами могут быть айсберги, скалы, мели, подводные илинадводные корабли, мины, морские животные, косяки рыб и др.Обнаружение объектов производится путем посылки и приема от­раженных акустических сигналов в горизонтальном или близкомк горизонтальному направлении. Принцип работы гидролокаторовтот же, что и в эхолотах.В качестве примеров технического использования гидроакустикиможно привести цепочки гидроакустических маяков для обеспече­ния точности движения судов по фарватеру; указатели уровня при­ливов (так называемый обращенный эхолот); применение эффектаДопплера для определения скорости течений и для измерения скоро­сти движения судна; звукоподводную связь; гидроакустические буинейтральной плавучести и т.д.Для успешного использования эхолотирования и гидролокациинеобходимо знание скорости звука в океане и ее зависимости отвнешних параметров.И ЗМ ЕН ЕН И Е СК О РО СТИ ЗВУ КАВ ОКЕАН ЕИзмерения показали, что в верхних слоях моря вертикальноераспределение скорости звука приблизительно повторяет вертикаль­ное распределение температуры с небольшими отклонениями за счетсолености.

Вертикальный профиль скорости звука в море отслежи­вает тонкую термохалинную структуру вод океана. На больших глу­бинах увеличение скорости звука определяется главным образомростом гидростатического давления. Существующее в океане верти­кальное распределение температуры, солености и гидростатическо­го давления с глубиной приводит к формированию вертикальногораспределения скорости звука, характеризующегося наличием ми­нимума, расположенного на некоторой глубине. Как правило, слойминимальных скоростей распространения звука в океане залега­ет на глубине нескольких сотен метров.

Для распространения звукав океане наиболее важное значение имеет не абсолютное значе­ние скорости звука, а профиль кривой c3B(z), т.е. положение экст­ремумов, соотношение между значениями скорости звука у дна,поверхности и в экстремальных точках, распределение градиен­тов скорости звука по глубине и т.д. Профиль c3B(z), по сущест­ву, определяет условие распространения звука в океане. При од­ном типе c3B(z) дальность распространения звука может достигатьсотен и тысяч километров, а при другом — лишь нескольких кило­метров.Для глубоководных районов океана типичным является профильc3B(z), при котором минимум скорости звука расположен на неко­торой глубине zm (рис.

4.3). Такое распределение скорости звукапо глубине характерно для районов с нормальной термохалиннойстратификацией. Так, например, в Атлантическом океане минимумскорости звука лежит на глубинах от 1200 до 2000 м, в ТихомРис. 4.3. Распределение по вертикали скорости звука, наиболее часто встречающееся вглубоководных районах морей и океанов (а), и формирование подводного звуковогоканала (б)океане — на горизонтах от 500 до 700 м, а в полярных широтах —у самой поверхности.При удалении от горизонта zm вверх скорость звука растет восновном из-за повышения температуры, при опускании же внизона повышается из-за роста гидростатического давления. Наличиеmin скорости звука является причиной концентрации звуковых лу­чей в ограниченном по толщине слое, получившем название под­водного звукового канала. Существование в океане подводного звуко­вого канала создает наиболее благоприятные условия для распрост­ранения звука, так как при этом звуковые волны не рассеиваютсяна поверхности океана и не поглощаются в донном грунте.

Характеристики

Список файлов книги