Рефракция звуковых лучей. Подводный звуковой канал
При распространении звуковых лучей в акустически неоднородной среде наблюдается искривление траектории звукового луча, называемое рефракцией. Характер рефракции определяется знаком и величиной градиента скорости звука. Наибольшие градиенты скорости звука в море наблюдаются в вертикальной плоскости, поэтому в этой плоскости отмечается и наибольшая рефракция.
Звуковой луч, падающий на границу раздела двух сред с различной скоростью звука, частично отражается от поверхности раздела и частично преломляется, проникая во вторую среду. Границы раздела могут быть между водой и воздухом, водой и дном, между слоями воды с различной плотностью.
Если разница в скорости звука велика, то происходит почти полное отражение звука. Так, через границу раздела вода-воздух проходит примерно одна тысячная доля падающей звуковой энергии, т. е. поверхность моря является практически идеальной для отражения звука.
Песчаное дно отражает примерно 13% падающей на него звуковой энергии, остальная энергия проходит в грунт.
Если разница в скорости звука невелика, звук проходит границу раздела двух сред без значительных потерь, испытывая рефракцию.
Рефракцию необходимо учитывать при определении дальности распространения звука. Чем больше стратифицировано море, тем больше искривляется звуковой луч, тем меньше дальность распространения звука.
В зависимости от наблюдаемого в море вертикального распределения скорости звука (градиентов скорости звука) выделяется четыре типа рефракции:
— положительная рефракция, наблюдаемая при возрастании скорости звука с глубиной (положительный градиент скорости звука);
— отрицательная рефракция, наблюдаемая при убывании скорости звука с глубиной (отрицательный градиент скорости звука);
— изменение положительной рефракции в поверхностном слое, в котором возрастает скорость звука с глубиной, на отрицательную в нижележащих слоях, в которых скорость звука убывает с глубиной (переход от положительного градиента скорости звука к отрицательному);
— подводный звуковой канал, наблюдаемый при убывании скорости звука в верхнем слое и возрастании в нижнем (переход от отрицательного градиента скорости звука к положительному) .
В тех случаях, когда скорость звука с глубиной не меняется, траектории звуковых лучей будут представлять прямые линии — рефракция отсутствует.
При увеличении скорости звука с глубиной (градиент скорости звука положительный) наблюдается положительная рефракция — звуковые лучи искривляются в сторону поверхности моря (рис. 8).
Рис.8. Рефракция звуковых лучей при увеличении скорости звука с глубиной (положительная рефракция).
Распространение звука сопровождается многократными отражениями от поверхности моря, а потери звуковой энергии ничтожны. Образуется канал приповерхностный звуковой. Звуковые лучи при положительной рефракции «образуют кружево, подвешенное к поверхности моря».
При убывании скорости звука с глубиной (отрицательный градиент скорости звука) наблюдается отрицательная рефракция — звуковые лучи искривляются в сторону дна (рис. 9).
Звуковые лучи отражаются от дна и при каждом отражении часть звуковой энергии переходит в грунт, что заметно снижает дальность распространения звука.
Рис.9. Рефракция звуковых лучей при уменьшении скорости звука с глубиной (отрицательная рефракция).
Кроме того, между предельным лучом, выходящим из источника звука, и поверхностью моря образуются зоны, куда не попадают звуковые лучи, независимо от мощности, направленности и ориентации излучателя. Эти зоны называются зонами акустической тени в отличие от зон, в которых распространяются звуковые лучи и которые называются освещенными зонами. Наличие зон акустической тени неблагоприятно для работы гидроакустических приборов. Приемники, находящиеся в зоне тени, либо совсем не принимают сигналы излучателя, либо принимают их сильно ослабленными.
При увеличении скорости звука в поверхностном слое и ее убывании от нижней границы этого слоя до дна (изменение положительного градиента скорости звука на отрицательный) наблюдается изменение положительной рефракции в верхнем слое на отрицательную в нижележащих слоях (рис. 10).
Рис. 10. Рефракция звуковых лучей при увеличении скорости звука в поверхностном слое и ее убывании ко дну (изменение положительной рефракции в верхнем слое на отрицательную в нижележащих слоях).
В этом случае происходит расщепление звукового луча (точка В) на два луча, один из которых (ВС) после полного внутреннего отражения отклоняется к поверхности моря, а другой (ВЕ) проникает в нижележащие слои и отклоняется ко ну. Между ними создается зона акустической тени, что значительно уменьшает дальность действия гидроакустической аппаратуры.
Подводный звуковой канал (ПЗК) определяется как слой в толще воды, в котором звуковые лучи распространяются, испытывая многократное внутреннее отражение (рис. 11). При этом звуковая энергия концентрируется вдоль оси канала, что создает условия сверхдальнего распространения звука.
Для возникновения подводного звукового канала необходимо, чтобы на некоторой глубине отмечался минимум скорости звука. Выше этой глубины скорость звука увеличивается из-за повышения температуры, а ниже — вследствие увеличения гидростатического давления. Слой с минимальной скоростью звука называется осью подводного звукового канала.
Рис. 18. Подводный звуковой канал
Если излучатель помещен на оси звукового канала, звуковой луч, вышедший из излучателя в сторону поверхности моря, будет описывать параболическую кривую, обращенную своей выпуклостью к поверхности (скорость с глубиной уменьшается — отрицательная рефракция). Испытав полное внутреннее отражение, луч достигнет оси канала, ниже которой закон изменения скорости с глубиной обратный (скорость с глубиной растет — положительная рефракция). Траектория звукового луча изогнется выпуклостью ко дну, и луч, вновь испытав полное внутреннее отражение, достигнет оси канала. Звуковой луч, отклонившийся от оси канала вверх или вниз, вследствие рефракции всегда стремится попасть в него обратно.
Обычно дальность распространения звука в океане составляет десятки или сотни километров. В зоне подводного звукового канала отмечается сверхдальнее распространение звука. Если поместить излучатель и приемник звука на оси канала, то даже звуки средней интенсивности могут быть зарегистрированы на расстоянии в сотни и тысячи км.
Пределы дальности распространения подводных звуков лимитируются собственными шумами моря, имеющими двоякое происхождение. Часть шумов возникает от ударов волн на поверхности воды, от морского прибоя, от шума перекатываемой гальки и т.п. Другая часть связана с морской фауной; сюда относятся звуки, производимые рыбами и некоторыми морскими животными.
Биогидроакустика
Гидроакустика получила широкое практическое применение, т.к. никакие виды электромагнитных волн, включая и световые, не распространяются в воде (вследствие её электропроводности) на сколько-нибудь значительном расстоянии, и звук поэтому является единственным возможным средством связи под водой. Для этих целей пользуются как звуковыми частотами от 300 до 10000 гц, так и ультразвуком от 10000 гц и выше.
Биогидроакустика — биологическая гидроакустика изучает звуки, производимые водными организмами.
Биогидроакустика имеет большое значение для военно-морского флота. В некоторых странах стали маскировать шумы торпед и подводных лодок под звуки, издаваемые рыбами. Одна из проблем военной гидроакустики — опознавание и классификация обнаруженных объектов и предметов, особенно в связи с появлением малошумящих атомных подводных лодок. Биогидроакустика позволяет определить, действительно ли цель является подводной лодкой, а не косяком рыбы или китом.
Интенсивность звуков, издаваемых рыбами (в данном случае источника гидроакустических помех), может быть весьма значительной, поэтому знание физической структуры звуков, их состава и районирования в морях, а также времени, когда они максимально проявляются, важны для правильной организации систем обнаружения и опознавания подводных объектов.
Биогидроакустика перспективна при промысловой разведке некоторых видов рыб и в установлении видовой принадлежности обнаруженных концентраций рыбы. Основная техника для поиска промысловых объектов — гидроакустическая рыбопоисковая аппарату00ра, использующая методы эхолокации и позволяющая точно определять глубину и размер обнаруженных косяков рыбы, скорость их передвижения, плотность скопления.
Дата добавления: 2016-02-02 ; просмотров: 2185 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Источник
Подводный звуковой канал
Подводный звуковой канал (ПЗК) — слой воды в океане, в котором наблюдается сверхдальнее распространение звука, обусловленное его рефракцией.
Рефракция звука — это искривление пути звукового луча, вызванное неоднородностью свойств воды (Рис. 5.40). Она наблюдается главным образом по вертикали, вследствие трёх основных причин: изменения гидростатического давления с глубиной, изменения солёности и изменения температуры морской воды.
В результате совокупного действия этих причин скорость распространения звука, составляющая около 1450 м/сек для пресной воды и около 1500 м/сек для морской, изменяется с глубиной, причём закон изменения зависит от времени года, времени дня, глубины водоёма и ряда других причин.
Глубина, на которой скорость звука достигает своего минимального значения, называется осью ПЗК. Выше этой глубины скорость звука увеличивается из-за повышения температуры, а ниже — вследствие увеличения гидростатического давления и солености.
Лучи, отклонившиеся от оси звукового канала вверх или вниз, вследствие рефракции поворачивают обратно в сторону более низких скоростей звука, т.е. всегда стремится попасть обратно в ПЗК.
Существенное увеличение дальности распространения звука при наличии ПЗК может наблюдаться и у поверхности. В этом случае лучи, рефрагируя внизу, заходят в глубоководные слои, где они отклоняются вверх и выходят снова к поверхности на расстоянии в несколько десятков километров от источника. Далее картина распространения лучей повторяется и в результате образуется последовательность так называемых вторичных освещенных зон.
Основные характеристики ПЗК – глубина оси, ширина канала и величина перепада скорости звука у поверхности и на оси. Чем больше разность скорости звука на поверхности и на оси ПЗК, тем в более широком интервале углов захватываются лучи, т.е. тем более эффективен ПЗК.
При распространении в ПЗК звуковые волны не касаются ни поверхности, ни дна океана, и следовательно, не рассеиваются и не поглощаются на его границах. Таким образом, звуки низкой частоты, для которых поглощение в морской воде мало, могут распространяться в ПЗК на расстояния в сотни и тысячи километров.
Звук является единственным возможным средством связи под водой.
Для этих целей пользуются как звуковыми частотами от 300 до 10000 гц, так и ультразвуками от 10000 гц и выше.
Из наиболее существенных применений гидроакустики следует отметить разработку эхолотов и гидролокаторов, которыми пользуются для мореходных целей (плавание вблизи скал, рифов и др.), рыбопромысловой разведки, поисковых работ и т.д.
Пассивным средством подводного наблюдения служит шумопеленгатор , позволяющий определить направление на источник шума под водой.
Литература
Гидрометеорологическое обеспечение судовождения — Панов Б.Н. [2020]
Источник
Подводный звуковой канал
Из Википедии — свободной энциклопедии
Подводный звуковой канал — слой воды в морях и океанах, в котором возможно сверхдальнее распространение звука вследствие рефракции.
На некоторой глубине под поверхностью воды (в районе Бермудских островов около 1000 м, к широте 60° достигает поверхности), находится слой, в котором звук распространяется с наименьшей скоростью; выше этой глубины скорость звука увеличивается из-за повышения температуры, а ниже — вследствие увеличения гидростатического давления с глубиной.
Этот слой представляет собой своеобразный подводный звуковой канал (ПЗК). Луч, отклонившийся от оси канала вверх или вниз, вследствие рефракции всегда стремится попасть в него обратно.
- Если поместить источник и приёмник звука в этом слое, то даже звуки средней интенсивности (например, взрывы небольших зарядов в 1—2 кг) могут быть зарегистрированы на расстояниях в сотни и тысячи км.
- Если расположить источник и приёмник звука у поверхности, то в этом случае лучи, рефрагируя книзу, заходят в глубоководные слои, где они отклоняются кверху и выходят снова к поверхности на расстоянии в несколько десятков км от источника. Далее картина распространения лучей повторяется и в результате образуется последовательность вторичных освещённых зон, или зон сходимости, которые обычно прослеживаются до расстояний в несколько сотен км.
Явление сверхдальнего распространения звука в море было открыто независимо американскими учёными М. Ивингом и Дж. Ворцелем (1944) и советскими учёными Л. М. Бреховских и Л. Д. Розенбергом (1946).
Используется горбатыми китами для коммуникации на расстояниях, достигающих тысяч километров.
Аналогом подводного звукового канала для сейсмических волн в земных недрах является астеносфера [1] .
Источник
Подводный звуковой канал
Подводный звуковой канал — природный волновод акустический ,к-рый образуется в океане вследствие особого вида зависимости скорости звука от глубины. Скорость звука на нек-рой глубине, наз. осью П. з. к., достигает мин. значения. При отходе от оси вверх скорость звука растёт в основном из-за повышения температуры воды, при отходе вниз увеличивается из-за роста гпдростатич. давления (ниже оси П. з. к. темп-pa близка к постоянной; рис., а). Осн. характеристиками П. з. к. являются глубина оси, ширина канала и величина перепада скорости звука у поверхности и на осп. Глубина осп П. з. к. в средних широтах составляет 1000 — 1200 м, в тропич. зонах опускается до 2000 м. а в арктич. и антарктич. районах выходит на поверхность (приповерхностный звуковой канал).
Подводный звуковой канал: а — типичная зависимость скорости звука от глубины; zm — глубина оси канала, h; — глубина океана, zk — глубина, на к-рой скорость звука равна скорости звука у поверхности; б — лучевая картина распространении звука, когда источник звука расположен на глубине zm.
Если источник звука расположен на оси П. з. к. или вблизи неё, то звуковые лучи, выходящие под небольшими углами к оси, вследствие рефракции звука будут вновь и вновь возвращаться к ней, т. е. будут «захвачены» П. з. к. (т. н. волноводное распространение; рис., б). Чем больше разность значений скорости звука на поверхности и на осп П. з. к., тем в более широком интервале углов
захватываются лучи, т. е. тем более эффективным будет П. з. к. При распространении в нём звуковые волны не касаются ни поверхности, ни дна океана и, следовательно, не рассеиваются и не поглощаются на его границах. Благодаря этому звук НЧ, для к-рых поглощение в морской воде весьма мало, может распространяться в П. з. к. на сотни и тысячи км («сверхдальнее» распространение). В одном из экспериментов звук от небольших подводных взрывов регистрировался на расстоянии 19000 км. Способность звука распространяться по П. з. к. на большие расстояния имеет многочисленные практич. приложения. П. з. к. в океане был открыт в сер. 40-х гг. 20 в.
Источник