В.А. Магницкий - Общая геофизика (скан) (1119281), страница 53

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

Текст из файла (страница 53)

Звук представляет собой продольные упругие волны, и его скорость определяется выражением (4.1) где ж и й — адиабатические модуль объемной упругости и коэффициент сжимаемости среды соответственно, р — плотность среды. Одной из основных особенностей вод океанов и морей является наличие в них растворенных различных солей, концентрация которых изменяет сжимаемость воды и ее плотность. На упругие свойства и плотность морской воды влияют также температура и величина давления, определяемая глубиной.

Следовательно, согласно формуле (4.1), эти три фактора (температура, соленость и давление) и обусловливают величину скорости распространения звука в морях и океанах. При этом наибольший вклад в изменение скорости звука в океане вносит температура воды Т, поскольку она оказывает влияние как на величину обьемного модуля упругости ж, так и на плотность воды. Исследования показали, что под влиянием указанных факторов упругие свойства морской воды изменяются значительно больше, чем ее плотность.

Упругие свойства морской воды впервые были исследованы в 190б г. Экманом, который получил эмпирическую формулу зависимости коэффициента изотермической сжимаемости Й морской воды от ее температуры, солености и давления. Величины йт и й, связаны соотношением Й /й = у = с /с где с и с — теплоемкость р Р ~ р морской воды при постоянном давлении и постоянном объеме соответственно. Тогда скорость звука можно записать в следующем виде: с„= с0 + Лс~ + Ьс + Лс, + Лс,~р,' (4.3) здесь с0 = 1449,14 м/с — скорость звука при температуре Т = 0 С, солености ~ = 353, и нулевом гидростатическом давлении, а Лс~,, Лс~, Ас,, Лс, — поправки на отклонение температуры, солености и давления от указанных значений.

Эта формула справедлива для следующих интервалов изменения температуры, солености и давления: — 4 С<Т<30'С, 0<к<37$,, 1 — <р<10 —. см см Измерения показали, что скорость звука возрастает с увеличением температуры, солености и давления, однако влияние каждого из этих факторов неодинаково. Изменение Т на 1'С, ю на 1~„р на 1 атм изменяет с„приблизительно на 3, 1,2 и 0,2 м/с соответственно, т.е.

больше всего на скорость звука влияет изменение температуры мор- СКОЙ ВОДЫ. В морских условиях в результате изменения температуры, солености и гидростатического давления величина скорости звука изменяется приблизительно от 1440 до 1540 м/с. с =1/ (4.2) зв Исследования Экмана позволили создать первые таблицы величины скорости звука в морской воде, которые появились в 1927 г.

Поскольку температура Т и соленость ю в океанах и морях изменяются как по глубине, так и по горизонтали, условия распространения акустических волн на различных глубинах и в различных районах Мирового океана могут быть существенно различными. В 19бО г. была опубликована формула Вильсона, которую до настоящего времени считают наиболее точной для определения скорости распространения звуковых колебаний в морской воде: ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ОКЕАНЕ сО 1+ 2г (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 скорости звука, основанном на измерении промежутка времени Лг, в течение которого звуковой сигнал проходит известное расстояние. Метод этот используется в так называемом циклическом измерителе скорости звука в море. Звуковой импульс доходит до приемника, предварительно отразившись от двух отражателей, что увеличивает базу измерений ~рис, 4,1). При этом для определения скорости звука получается выражение (4.5) Ь '0 Впервые 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 волна проходит известное расстояние. Рассмотрим сущность фазового метода.

Излучатель и приемник звука располагаются таким образом, чтобы при определенной частоте/о звуковых колебаний расстояние между ними было равно 10 = = соД~, где Л0 —, длина волны в среде с известной скоростью звука со. 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 с„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 между излучателем и приемником было равно А = с„/~ . Нетрудно видеть, что (2к + р) /2л: = А /А0 — — с,/с0 и Пааемннк-- Рис. 4.1. Схема циклического метода измерения скорости звука в воде где Ь вЂ” база прибора, то — инерция прибора, т.е. время задержки сигнала в его электрической цепи, и — количество сигналов. Ме- тод этот достаточно удобен, надежен и может обеспечить хорошую точность измерений.

ОСЛАБЛЕНИЕ ЗВУКА В ОКЕАНЕ В процессе распространения звука в океане часть звуковой энергии поглощается, переходя в тепло. Амплитуда звукового давления р(Я), т.е. давления, избыточного по отношению к гидростатическому, вследствие поглощения в морской воде убывает с ростом расстояния Я от излучателя по экспоненциальному закону: р(Я) = р(0) е (4.6) 294 где,К вЂ” коэффициент поглощения [дБ/км!.

Величина коэффициента,К определяется главным образом вязкостью воды. Поглощение звука в морской воде может быть вызвано также имеющимися в ней воздушными пузырьками и морскими организмами с газовыми включениями, поскольку акустические волны должны преодолевать силы внутреннего трения в системе вода — воздушный пузырек. Второй причиной, обусловливающей затухание звука при его распространении в морской воде, является рассеяние звуковой энергии, имеющее место на различных неоднородностях океанической среды и на ее границах.

Немалую роль в рассеянии звука в поверхностном слое моря играют воздушные пузырьки. Размеры воздушных пузырьков Я„составляют доли миллиметра. Длина же А акустической волны в море для частот в несколько десятков кГц не менее нескольких сантиметров. Таким образом, выполняется условие йЯ„« 1. Или, учитывая, что волновое число Й равно 2л:/А, можно записать, что 27г Я„Й « 1, т.е. длина окружности пузырька много меньше длины акустической волны в воде.

В этом случае звуковое давление в падающей на пузырек акустической волне можно считать постоянным не только во всех точках поверхности пузырька, но и в некоторой окрестности вокруг него. Под действием периодически изменяющегося в акустической волне давления возбуждаются вынужденные колебания воздуха внутри пузырька, вследствие чего его поверхность начинает совершать радиальные колебания и пузырек, таким образом, становится излучателем звуковых волн. Поскольку радиус пузырька мал по сравнению с длиной падающей на него акустической волны, он будет излучать как точечный источник, т.е. равномерно по всем направлениям.

Следовательно, воздушные пузырьки диффузно рассеивают энергию падающей акустической волны. Амплитуда колебаний поверхности пузырька будет максимальна, если частота вынуждающих колебаний, т.е. частота падающей звуковой волны, совпадет с собственной частотой пузырька, так как в этом случае реализуются условия для резонанса. Если принять, что радиус пузырька имеет порядок 10 см, то частота собственных колебаний пузырька составит несколько десятков кГц, т.е. будет лежать в диапазоне частот, имеющих широкое применение в гидроакустике. Помимо воздушных пузырьков рассеянию звуковой энергии в поверхностном слое моря способствуют и мелкомасштабные температурные неоднородности, обусловленные турбулентностью, и шероховатость морской поверхности, вызванная волнением.

Эти причины также приводят к диффузному рассеянию акустических волн, для которого, как и для поглощения звука, справедлив экспоненциальный закон уменьшения звукового давления с удалением от источника излучения. При этом в показателе экспоненты будет стоять коэффициент рассеяния ж. Основными рассеивателями звука в водной толще океана являются скопления мелких морских животных, образующих глубоководные звукорассеивающие слои, и флуктуации показателя преломления. 295 Чаще всего в природных условиях удается измерить только суммарный эффект ослабления звуковой энергии, обусловленный как поглощением, так и рассеянием звука, который принято называть затуханием звука.

Затухание звукового давления с удалением от источника звука на расстояние Я можно представить в виде (Я) = — 10 (4.7) где А — некоторая постоянная, Й вЂ” коэффициент затухания, а показатель и в знаменателе, как будет показано далее, меняется от единицы в случае безграничного пространства до 0,5 в условиях неглубокого моря.

Согласно экспериментальным данным и теоретическим расчетам, затухание звука в море зависит от частоты звуковых колебаний: звук низких частот распространяется в океанах на большие расстояния. Затухание акустических волн в морской воде больше, чем в пресной. Исследования показали, что причиной этого являются растворенные в ней соли, присутствие которых влияет на поглощение акустических волн избирательно в зависимости от частоты звуковых колебаний.

Характеристики

Список файлов книги