В.А. Магницкий - Общая геофизика (1119278), страница 54
Текст из файла (страница 54)
Максимальная дальность распространения звука при этом лимитируется главным образом поглощением в морской воде. Так, звук низких частот, для которых поглощение в морской воде невелико, может распространяться по такому каналу на расстояния порядка нескольких тысяч километров.Открытие сверхдальнего распространения звука было сделано независимо американскими и советскими учеными. Теория подводного звукового канала разработана академиком Л.М. Бреховских.
Явление сверхдальнего распространения звука имеет многочисленныепрактические применения, в числе которых звукопеленгация и локация.Ход звуковых лучей в подводном звуковом канале может бытьрассчитан с помощью лучевой теории, в основе которой лежит предположение, что звуковая энергия в среде распространяется вдольнекоторых линий-лучей. При определенных условиях лучи, идущиепод различными углами скольжения от излучателя, расположенного на оси подводного звукового канала, снова собираются в однуточку, т.е.
фокусируются. Таким образом, подводный звуковой каналдействует на звуковые лучи как собирательная линза.Характерным для моря является то, что скорость распространениязвука изменяется по горизонтали существенно меньше, чем по глубине. Вследствие этого, рассматривая распространение звука в море,можно принять, что акустические свойства среды изменяются только по вертикали. Такие среды принято называть слоисто-неоднородными.Для плоских акустических волн, падающих под некоторым угломк плоскости раздела, имеют место те же, что и в геометрическойоптике, законы отражения и преломления, в частности закон Снеллиуса для синуса угла преломления:sin 0 = — sin 0.;' с,здесь(4.8)— угол падения, 6t — угол преломления.Таким образом, при переходе из среды с меньшей скоростьюраспространения звука в среду, где эта скорость больше, звуковыеволны будут отклоняться вверх от направления их распространения,т.е.
испытывать положительную рефракцию. В этом случае существует некоторый предельный, или критический, угол падения, определяемый соотношениемsin W „ = ^<4-9)с превышением которого отражение звуковых волн становитсяполным, и если угол падения 0i больше предельного, то акустическая волна во вторую среду не проходит. Если звук идет из воздухав воду, то синус предельного угла падения равен 330/1500 = 0,22 ипредельный угол будет 12,7°. При углах падения больше 12,7° звуковые волны из воздуха в воду не пройдут.Если звук распространяется из среды, ще его скорость больше,в среду, где она меньше, то звуковой луч будет отклоняться внизот первоначального направления распространения, т.е.
испытыватьотрицательную рефракцию.Пусть распределение с глубиной скорости распространениязвука в море характеризуется некоторой кривой 7, представленной на рис. 4.4. Расположим точечный источник звука вточке О и рассмотрим луч 2, выходящий под углом г0 к вертикали. Будем рассматривать траекторию луча в системе координат X O Z , начало которой совпадает с положением источниказвука.2Рис. 4.4. Схематическое распределение скорости звука в море (У) и соответствующаяему траектория распространения звукового луча (2)Разобьем толщу моря на тонкие слои и в пределах каждогослоя скорость распространения звука примем за постоянную величину. Тогда плавная кривая, описывающая реальное распределение скорости звука с глубиной, может быть заменена ступенчатой линией. Луч, вышедший из источника звука и дошедшийдо границы раздела слоев, испытает преломление по закону Снеллиуса:sin—----- = —SinГ {С 2sin i2 с2sin i3с3; -1----- = — ; —-------= — иSin /*2 С3 Sin /*3т.д.С 4Таким образом, при распространении звука в слоисто-неоднородной среде звуковой луч будет отклоняться в сторону меньшей скорости его распространения.В случае коща скорость звука постоянна с глубиной, траектории звуковых лучей прямолинейны и рефракция звука, т.е.
искривление траектории луча, отсутствует. Такие ситуации характерны для мелководных районов моря в осенне-зимний сезон,когда благодаря охлаждению верхних слоев существует развитаявертикальная циркуляция, выравнивающая температуру и соленость по глубине, а влияние давления невелико (малые глубины).В случае же выравненного по глубине распределения температуры и солености, но в условиях глубокого моря скорость звукабудет возрастать с глубиной в результате увеличения гидростати-Рис. 4.5.
Распределение скорости звука, типичное для глубоководных районов моря, при постоянстве по глубине температуры и солености в дневные часы весеннелетнего периода (а) и соответствующая ему положительная рефракция звуковыхлучей (б)ческого давления (рис. 4.5). В этом случае звуковые лучи, выходящиеиз источника, расположенного на некоторой глубине под водной поверхностью, благодаря рефракции, изгибаясь вверх (положительнаярефракция), будут отражаться от поверхности и, снова искривляясь,возвращаться к ней и т.д.
При этом звуковые лучи концентрируютсяу поверхности моря, где образуется своеобразный волновод, вдолькоторого звук может распространяться на значительные расстояния(рис. 4.5).Распределение скорости звука с глубиной, изображенное нарис. 4.6, характерно для мелководных районов моря в весенне-летний период, коща идет прогрев водоема с поверхности за счет поглощения солнечной радиации. При этом вследствие рефракции звуковые лучи будут изгибаться в сторону дна (отрицательная рефракция) и условия для распространения звука будут наименее благоприятными.
В ночные часы распределение скорости звука с глубиной вРис. 4.6. 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 ре-5Рис. 4.7. Распределение скорости звука по глубине в ночные часы весенне-летнегопериода (а) и соответствующее ему формирование приповерхностного звукового канала (б) . С началом дневного прогрева водоема этот канал исчезает и ход акустическихлучей будет соответствовать рис. 4.6.таких водоемах трансформируется к виду, приведенному на рис. 4.7.В этом случае также образуется тонкий подповерхностный звуковойволновод, который исчезает с началом дневного прогрева поверхностного слоя водоема.Очень интересно и важно в практическом отношении распределение скорости звука с глубиной, представленное на рис.
4.3 и типичноедля глубоководных водоемов. При таком распределении на некоторойглубине zm величина скорости звука достигает минимального значения. Если расположить источник звуковых колебаний на глубине zm,то звук будет распространяться, концентрируясь около оси, проходящей по этому горизонту. Такое явление, как упоминалось выше,носит название звукового канала.Рис. 4.8.
Образование зон акустической тениРассмотрим подробнее случай отрицательной рефракции и будем считать, что скорость звука линейно убывает с глубиной. Можно показать, что траектории звуковых лучей будут представлятьсобой дуги окружностей (рис. 4.8). Расположим источник звуковых колебаний под поверхностью моря. Благодаря наличию отрицательной рефракции лучи, выходящие от источника, искривляютсяв сторону дна, в результате чего образуется зона I акустическойтени, куда акустические лучи не попадают, если не считать лучи,отраженные или рассеянные взволнованной поверхностью моря. Кроме указанной зоны I акустической тени имеется зона II акустической тени, существование которой обусловлено направленностью излучателя.В зависимости от распределения скорости звука и условийизлучения могут наблюдаться достаточно сложные по структурезвуковые поля с чередующимися акустически освещенными зонами и зонами акустической тени.Рассмотрим дальнее поле точечного источника, расположен- #ного на небольшой глубине подхповерхностью в глубоком море о(рис.
4.9). Нас интересует акустическое поле в точке М (jc, Н 2) . иПричем х » Я 1 и х » # 2. В точМ(х,Нг)ку М приходят два луча, один непосредственно от источника, дру- z >гой — отраженный от поверхности моря, который можно считать р ис 4 д с хема формирования дальнеговыходящим ИЗ МНИМОГО ИСТОЧНИ- поля точечного источника звукака И'. Так как мы рассматриваемслучай глубокого моря, то отражением акустических волн от днаможно пренебречь. Звуковое давление р в точке М можно представить в виде(4.10)где ру — амплитуда звукового давления на единичном расстоянии отисточника, г и г ' — расстояния точки М от действительного и мнимого источников соответственно, си — частота звуковых колебаний, к —коэффициент отражения от морской поверхности.
Знак “минус” перед вторым слагаемым учитывает изменение фазы звукового давления на противоположную при мягком отражении от водной поверхности. Можно показать, что амплитуда звукового давления вдостаточно удаленной от источника точке будет определяться соотношением— — = 2 -----~2-----•(4Л1>Таким образом, затухание звука в рассматриваемом случаепо мере удаления от источника происходит по закону р ~ Vx2. Этоотносится к условиям абсолютно гладкой водной поверхностипри значении коэффициента отражения от поверхности, равном —1.В условиях же статистически однородного и изотропного волненияна поверхности моря средний коэффициент отражения Тс акустической волны определяется соотношением £ = —1 + # 2/ 2, ще N == 2ko^ sin <р — безразмерный параметр, который называют параметром Рэлея (к — волновое число, о^ — средняя квадратичная высотаволны на поверхности моря, р — угол скольжения для акустической волны).Параметр Рэлея характеризует разность фаз при отражении отвзволнованной поверхности.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
