В.А. Магницкий - Общая геофизика (скан) (1119281), страница 54
Текст из файла (страница 54)
Для диапазона частот звуковых волн от 104 до 106 Гц можно привести формулу, полученную Р.А. Вадовым для коэффициента поглощения звука в морской воде: АУ где ~ — частота звуковых колебаний; А, 1~, й — параметры, зависящие от гидрофизических характеристик среды. Первый член этого выражения описывает поглощение звуковых колебаний, обусловленное растворенными в воде солями, а второй — соответствует поглощению звука в пресной воде. ОТРАЖЕНИЕ ЗВУКА В ОКЕАНЕ 29б Как отмечалось выше, свойства граничных сред, т.е. атмосферы и дна океана, играют заметную роль в формировании специфических особенностей 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 звуковое давление на границе раздела будет равно нулю. Поверхность моря благодаря волнению не является плоской. Это обстоятельство приводит к тому, что на границе раздела океан — атмосфера наряду с 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 моря образуется большое количество мелких газовых пузырьков, которые являются дополнительной причиной затухания акустических колебаний. Если верхнюю границу раздела море — атмосфера можно считать полностью 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. ЭХОЛОТИРОВАНИЕ И ГИДРОЛОКАЦИЯ На отражающих свойствах морского дна основан метод определения глубин с помощью эхолотирования.
Эхолот представляет собой устройство, 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 скорость распространения звука в воздухе меньше, чем в воде, а следовательно, промежуток времени от момента излучения звукового сигнала до прихода его эха больше. Применение эхолотирования в море осложняется необходимостью измерения малых промежутков времени между посылкой сигнала и приходом эха.
Первые достаточно точные измерения глубин были выполнены с помощью ультразвуковых излучателей Ланжевена. Использование ультразвука позволяет создать остронаправленные пучки звуковых сигналов, 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, спектральный уровень интенсивности которых в области ультразвуковых частот много ниже, чем в звуковом диапазоне.
Если на дне моря существует толстый слой ила, покрывающий твердый скалистый грунт, то на записи эхолота достаточно ясно 297 выступают обе отражающие поверхности (рис. 4.2). Метод эхолотирования весьма эффективен при обнаружении затонувших кораблей или при поиске косяков рыбы. Рнс. 4.2. Пример записи показаний эхолота в случае, когда на дне моря существует толстый слой ила Существует большое количество разновидностей эхолотов. Одни из них используются только для навигационных целей, другие— только как рыбопоисковые средства, третьи — для научных целей, например для измерения больших глубин, определения характера грунта дна океана по вертикали.
К методу эхолотирования примыкают и методы гидролокации, предназначенные для обнаружения обьектов, которые полностью или частично находятся в воде, а также для определения их местоположения относительно корабля, несущего гидролокатор. Такими объектами могут быть айсберги, скалы, мели, подводные или надводные корабли, мины, морские животные, косяки рыб и др. Обнаружение объектов производится путем посылки и приема отраженных акустических сигналов в горизонтальном или близком к горизонтальному направлении. Принцип работы гидролокаторов тот же, что и в эхолотах. 298 В качестве примеров технического использования гидроакустики можно привести цепочки гидроакустических маяков для обеспечения точности движения судов по фарватеру; указатели уровня приливов (так называемый обращенный эхолот); применение эффекта Допплера для определения скорости течений и для измерения скорости движения судна; звукоподводную связь; гидроакустические буи нейтральной плавучести и т.д. Для успешного использования эхолотирования и гидролокации необходимо знание скорости звука в океане и ее зависимости от внешних параметров.
ИЗМЕНЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ОКЕАНЕ Измерения показали, что в верхних слоях моря вертикальное распределение скорости звука приблизительно повторяет вертикальное распределение температуры с небольшими отклонениями за счет солености. Вертикальный профиль скорости звука в море отслеживает тонкую термохалинную структуру вод океана. На больших глубинах увеличение скорости звука определяется главным образом ростом гидростатического давления. Существующее в океане вертикальное распределение температуры, солености и гидростатического давления с глубиной приводит к формированию вертикального распределения скорости звука, характеризующегося наличием минимума, расположенного на некоторой глубине.
Как правило, слой минимальных скоростей распространения звука в океане залегает на глубине нескольких сотен метров. Для распространения звука в океане наиболее важное значение имеет не абсолютное значение скорости звука, а профиль кривой с (л), 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 с„(г), по существу, определяет условие распространения звука в океане. При одном типе с„(г) дальность распространения звука может достигать сотен и тысяч километров, а при другом — лишь нескольких километров. Для глубоководных районов океана типичным является профиль сз,(~), при котором минимум скорости звука расположен на некоторой глубине ~ (рис. 4.3).
Такое распределение скорости звука по глубине характерно для районов с нормальной термохалинной стратификацией. Так, например, в Атлантическом океане минимум скорости звука лежит на глубинах от 1200 до 2000 м, в Тихом 299 Рис. 4.3. Распределение по вертикали скорости звука, наиболее часто встречающееся в глубоководных районах морей и океанов (а), и формирование подводного звукового канала (б) океане — на горизонтах от 500 до 700 м, а в полярных широтах— у самой поверхности. При удалении от горизонта ~ вверх скорость звука растет в основном из-за повышения температуры, при опускании же вниз она повышается из-за роста гидростатического давления.
Наличие ппп 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 рассеиваются на поверхности океана и не поглощаются в донном грунте. 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 свсрхдальнего распространения звука имеет многочисленные практические применения, в числе которых звукопеленгация и локация. 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 ;«:.которых линий-лучей; При определенных условиях лучи, идущие нод различными углами скольжения от излучателя, расположенного на оси подводнг)го звукового канала, снова собираются в одну точку, т.е.
фокусируются, Таким образом, подводный звуковой канал действует на звуковые лучи как собирательная линза. 300 Характерным для моря является то, что скорость распространения звука 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 углом к плоскости раздела, имеют место те же, что и в геометрической оптике, законы отражения и преломления, в частности закон Снеллиуса для синуса угла преломления: С2 япО = — з1пО.; с 1 г1 (4.8) здесь О,- — угол падения, Π— угол преломления.
Таким образом, при переходе из среды с меньшей скоростью распространения звука в среду, где эта скорость больше, звуковые волны будут отклоняться вверх от направления их распространения, т.е. испытывать положительную рефракцию. В этом случае существует некоторый предельный, или критический, угол падения, определяемый соотношением с, ЯЛ ~1 пред — — ъ г (4.9) 301 с превышением которого отражение звуковых волн становится полным, и если угол падения О,. больше предельного, тоакустическая волна во вторую среду не проходит. Если звук идет из воздуха в воду, то синус предельного угла падения равен 330/1500=0,22 и предельный угол будет 12,7'.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
