В.А. Магницкий - Общая геофизика (скан) (1119281), страница 55
Текст из файла (страница 55)
При углах падения больше 12,7' звуковые волны из воздуха в воду не пройдут. Если звук распространяется из среды, где его скорость больше, в среду, где она меньше, то звуковой луч будет отклоняться вниз от первоначального направления распространения, т.е. испытывать отрицательную рефракцию. Пусть распределение с глубиной скорости распространения звука в море характеризуется некоторой кривой 1, представленной на рис. 4.4. Расположим точечный источник звука в точке О и рассмотрим луч 2, выходящий под углом гО к вертикали. Будем рассматривать траекторию луча в системе координат ХОЕ, начало которой совпадает с положением источника звука.
у Рис. 4.4. Схематическое распределение скорости звука в море (1) и соответствующая ему траектория распространения звукового луча (2) Разобьем толщу моря на тонкие слои и в пределах каждого слоя 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 дошедший до границы раздела слоев, испытает преломление по закону Снеллиуса: $1П 11 С1 $1П 12 С2 $1П 1з Сз — и т.д.
Б1П Г1 С2 Б1П Г2 Сз $1П Гз С4 Таким образом, при распространении звука в слоисто-неоднородной среде звуковой луч будет отклоняться в сторону меньшей скорости его распространения. В случае когда 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 развитая вертикальная 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 звука будет возрастать с глубиной в результате увеличения гидростати- 302 Рис. 4.7. Распределение скорости звука по глубине в ночные часы весенне-летнего периода (а) и соответствующее ему формирование приповерхностного звукового канала (б). С началом дневного прогрева водоема этот канал исчезает и ход акустических лучей будет соответствовать рис.
4,6, таких водоемах трансформируется к виду, приведенному на рис. 4.7. В этом случае также образуется тонкий подповерхностный звуковой волновод, 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 типичное для глубоководных водоемов. При таком распределении на некоторой глубине ~ величина скорости звука достигает минимального значения. Если расположить источник звуковых колебаний на глубине г то звук будет распространяться, концентрируясь около оси, проходящей по этому горизонту. Такое явление, как упоминалось выше, носит название звукового канала.
"1 "( юдаеиый кт Рис. 4.8. Образование зон акустической тени 304 Рассмотрим подробнее случай отрицательной рефракции и будем считать, что скорость звука линейно убывает с глубиной. Можно показать, что траектории звуковых лучей будут представлять собой дуги окружностей (рис. 4.8). Расположим источник звуковых колебаний под поверхностью моря; Благодаря наличию отрицательной рефракции лучи, выходящие от источника, искривляются в сторону дна, в результате чего образуется зона 1 акустической тени, куда акустические лучи не попадают, если не считать лучи, отраженные или рассеянные взволнованной поверхностью моря. Кроме указанной зоны 1 акустической тени имеется зона 11 акустической тени, существование которой обусловлено направленностью излучателя.
В зависимости от распределения скорости звука и условий излучения могут наблюдаться достаточно сложные по структуре звуковые поля с чередующимися акустически освещенными зонами и зонами акустической тени. Рассмотрим дальнее поле то- Ф чечногЬ"источника, расположенгю ноге;; на неб~злъшой глубине под ~~у, ~ повьртхностыб в глубоком море д „, ) ! (рис. 4.9). Нас интересует акус- "1 ! тическое, поле в точке М (х, Н2). о г ~~~2 Причем х»Н1 и х»Н2.
В точ~ч '«г~2 ку М приходят два луча, один непосредственно от источника, другой — отраженный от поверхности моря~ котОРыи мОжнО считать Рис. 4.д. схема формирования дальнего выходящим из мнимОГО источни- поля точечного источника звука ка И'. Так как мы рассматриваем случай глубокого моря, то отражением акустических волн от дна можно пренебречь. Звуковое давление р в точке М можно представить в виде р1 -уй р1 -уй' йи р= — е — —,е г Г' (4.10) где р~ — амплитуда звукового давления на единичном расстоянии от источника, Г и Г' — расстояния точки М от действительного и мнимого источников соответственно, го — частота звуковых колебаний, А— 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 в достаточно удаленной от источника точке будет определяться соот- ношением 1 1 2 1 1 2 р =2 — Г =2 к (4.11) 306 Таким образом, затухание звука в рассматриваемом случае 1 по мере удаления от источника происходит по закону р - /к2. Это относится к условиям абсолютно гладкой водной поверхности при значении коэффициента отражения от поверхности, равном -1. В условиях же статистически однородного и изотропного волнения на поверхности моря средний коэффициент отражения Г акустической волны определяется соотношением Г= — 1+ ~'/2, где У = = 2йо в1п р — безразмерный параметр, который называют параметром Рэлея (А — волновое число, сг„— средняя квадратичная высота волны на поверхности моря.
р — угол скольжения для акустической волны). Параметр Рэлея характеризует разность фаз при отражении от взволнованной поверхности. Если параметр Рэлея мал, то отраженные от различных участков взволнованной поверхности лучи находятся почти в фазе, так же как при отражении от гладкой поверхности, и коэффициент отражения близок к -1. По мере возрастания параметра Рэлея разность фаз лучей растет, лучи частично гасят друг друга и ослабляют отраженное поле в зеркальном направлении. Если разность фаз достигает л, отраженное поле в зеркальном направлении исчезает и отражение становится диффузным. Параметр Рэлея играет важную роль в теории рассеяния и позволяет разделять поверхности на гладкие и шероховатые.
Принято считать, что при 2Ы в1п р <ж~ поверхность гладкая, а при 2Ы з1п р > л/2 — шероховатая. Ч Если глубина моря недостаточно велика, то отражением акустических волн от дна пренебрегать нельзя и акустическое поле в произвольной точке будет иметь более сложный характер, чем в случае глубокого моря. Акустическое поле в неглубоком море можно представить в виде так называемых нормальных волн, каждая из которых распространяется в направлении оси к со своей скоростью и имеет в соответствии с этим свою длину волны. При этом каждая нормальная волна.
бегущая в горизонтальном направлении, в вертикальном направлении представляет собой в~пну стоячую. Амплитуда звукового давления, как показывают ра~ - ты, убывает с расстоянием по горизонтали пропорционально 1 ! ~ .. Применительно к условиям мелкого моря имеет место понятие критической длины волны акустических колебаний, с превышением которой при заданной глубине моря Н нормальные волны становятся затухающими.
Критическое значение длины волны определяется соотношением Л„= 4Н, этой длине волны соответствует критическая частота/'„р = с„/4Н. Коэффициент затухания для волн с длиной Л > Л в мелком море может быть чрезвычайно велик. кр Так, для первой нормальной волны, которая распространяется без затухания при Н/Л = 1/4, в случае если Н/Л становится равным 1/5, коэффициент затухания будет составлять 130 дБ/м. Учитывая столь большие значения коэффициента затухания, можно сказать, что мелкое море является своеобразным фильтром: оно пропускает лишь волны, частота которых больше /„р.
Волны же, для которых ~'с ~', в мелком море распространяться не могут. кр' РЕВЕРБЕРАЦИИ ЗВУКА И ШУМЫ 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 со временем. Это так называемое послезвучание, или реверберация. Промежуток времени, в течение которого уровень интенсивности звука уменьшается в 10 раз, называется временем реверберации. Причиной реверберации является отражение акустических волн от различного рода рассеивателей. Реверберация звука порождается неровностями дна и поверхности, различными неоднородностями водной массы: воздушными пузырьками, увлекаемыми с поверхности; пузырьками газов, образующимися при гниении органических остатков животных и растительных организмов; мелкомасштабными температурными неоднородностями, обусловленными турбулентностью; мелкими твердыми взвешенными частицами.
Причинами реверберации могут быть косяки рыб, стаи дельфинов и т.д. Различают реверберацию поверхностную, донную, обьемную и реверберацию от слоя. Реверберация в море оказывает существенное влияние на работу гидроакустических приборов. Сравнительно недавно было открыто новое явление, основные свойства которого противоположны свойствам реверберации. Было отмечено, что при распространении звука в подводном звуковом канале на больших расстояниях от источника перед приходом отдельных составляющих звуковых колебаний появляется звуковой фон, 307 опережающий по времени приход основного сигнала. При этом уровень его не спадает с течением времени, как это имеет место при реверберации, а, наоборот, нарастает и достигает своего максимума в конце, перед приходом основного сигнала.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
