Файл: Егоров Н.И. Физическая океанография.pdf

Расчеты по формуле (6.5) дают значения коэффициента затуха­ ния для различных частот, представленные в табл. 24.

Для более низких частот (при взрывных источниках звука) в ре­ зультате измерений различными авторами получены значения ко­ эффициента затухания, представленные в табл.25.

Т а б л и ц а 2 5

Значения коэффициента затухания для низкочастотных звуковых колебаний

Реверберация в море (послезвучание) заключается в том, что после прекращения действия источника звука в течение некоторого времени (от долей секунды до нескольких секурд) в некоторой об­ ласти пространства, в которой распространялся звук, наблюдается постепенно убывающий по силе звуковой сигнал, обусловленный рассеянием. Попадая в приемник, он маскирует полезный сигнал и тем самым снижает эффективность использования гидроакустиче­ ских средств.

Различают три вида реверберации в море: объемную, поверхно­ стную и донную.

Под о б ъ е м н о й реверберацией подразумевается ревербера­ ция, обусловленная рассеянием звука молекулами или группами мо­ лекул воды и взвешенными в воде примесями. Основную роль играют взвешенные в воде примеси: газовые пузырьки, твердые частицы, мелкие живые организмы — планктон. Теоретический анализ и ре­ зультаты наблюдений над объемной реверберацией позволяют сде­ лать выводы, что интенсивность реверберации пропорциональна из­ лучаемой мощности и длительности посылки сигнала (при коротких посылках) и обратно пропорциональна квадрату времени. Так как

185.

расстояние R, проходимое звуком, равно произведению времени t на скорость звука с, т. е. R = ct, то с учетом малых изменений скоро­ сти за время t интенсивность реверберации убывает обратно про­ порционально квадрату расстояния R от источника излучения.

Маскирующее действие реверберации на полезный принимаемый сигнал иллюстрируется рис. 6.1. По оси абсцисс отложено текущее время t, а по оси ординат интенсивность звука I полезного и ревер­ берационного сигналов. При работе гидролокатора это от наблю­ даемого объекта приходит спустя некоторый отрезок времени. Если

к этому моменту времени уровень ре­ верберации будет выше уровня (эха) полезного сигнала (случай а), то по­ лезный сигнал не будет принят и, нао­ борот, если уровень реверберации бу­ дет ниже (случай б), то сигнал будет

акустической аппаратуры преобладающее влияние оказывает по­ верхностная реверберация, а при малых скоростях ветра — объем­ ная. Интенсивность поверхностной реверберации пропорциональна излучаемой мощности и длительности посылки сигнала (при ко­ ротких посылках) и обратно пропорциональна кубу времени. Сле­ довательно, ее интенсивность обратно пропорциональна кубу рас­ стояния от источника излучения.

Д о н н а я реверберация вызывается рассеянием звука дном моря. Интенсивность донной реверберации пропорциональна излу­ чаемой мощности и длительности посылки сигнала (при коротких посылках) и обратно пропорциональна четвертой степени времени или расстояния от источника излучения.

§ 32. Рефракция звуковых лучей в море

При распространении звуковых лучей в акустически неоднород­ ной среде кроме поглощения, рассеяния и связанной с ними ревер­ берации наблюдается искривление траектории звукового луча, ко­ торое не наблюдается в акустически однородной среде, называемое р е ф р а к ц и е й . Характер рефракции определяется знаком и вели­ чиной градиента скорости звука. Наибольшие градиенты скорости

цию в горизонтальной плоскости можно не принимать в расчет, если рассматривать расстояния порядка нескольких десятков км.

186

Для построения траектории звукового луча в акустически неод­ нородной по вертикали морской воде разобьем всю ее толщу на ряд слоев, в пределах которых градиент скорости звука можно счи­ тать неизменным. В каждом слое при указанных условиях траекто­ рия звукового луча может быть представлена окружностью радиу­ сом R, определяемым соотношением

где с, Ci, с? ... сп — скорость звука в соответствующих слоях, i — угол падения звукового луча на границу раздела двух смежных слоев воды, отсчитываемый от вертикали.

Отношение синусов углов падения и преломления называют по­ казателем преломления звуковых лучей п. Это отношение равно от­ ношению скоростей звука в соответствующих слоях. Поэтому

_ с _ sin I Ci sinp

Величина и знак показателя преломления зависят от величины и знака вертикального градиента скорости звука. Соответственно от градиента скорости звука зависит и тип рефракции.

В зависимости от наблюдаемого в море вертикального распреде­ ления скорости звука (градиентов скорости звука) можно выделить четыре типа рефракции.

Тип I — положительная рефракция, наблюдаемая при возраста­ нии скорости звука с глубиной (положительный градиент скорости звука).

187

Тип II — отрицательная рефракция, наблюдаемая при убывании скорости звука с глубиной (отрицательный градиент скорости звука).

Тип III — изменение положительной рефракции в поверхностном слое, в котором возрастает скорость звука с глубиной, на отрица­ тельную в нижележащих слоях, в которой скорость звука убывает

сглубиной (переход от положительного градиента скорости звука

котрицательному).

Тип IV — подводный звуковой капал, наблюдаемый при убыва­ нии скорости звука в верхнем слое и возрастании в нижнем (пере­ ход от отрицательного градиента скорости звука к положитель­ ному) .

При оценке дальности действия гидроакустических систем на­ ряду с рефракцией необходимо учитывать отражение звуковых лу­ чей от поверхности моря и от дна.

В связи с этим можно выделить четыре группы лучей, наблюдае­

и испытывающие полное внутреннее отражение

вводной толще, не достигая диа;

IIIгруппа — лучи, отражающиеся только от дна и испытываю­

щие полное внутреннее отражение в водной толще, не достигая поверхности моря;

IV группа — лучи, испытывающие полное внутреннее отражение в водной толще, не достигая поверхности моря и дна.

Положительная рефракция (тип I). Этот тип рефракции на­ блюдается при возрастании скорости звука с глубиной. На рис. 6.3 а сплошными линиями показаны траектории звуковых лучей при по­ стоянном вертикальном градиенте скорости звука, а на рис. 6.3 6 — при переменном. В обоих случаях для некоторых углов имеются лучи, вышедшие из излучателя, которые отклонятся к поверхности моря, не достигая дна (испытывая полное внутреннее отражение). Достигнув поверхности моря, эти лучи отразятся от нее и, вновь ис­ пытав полное внутреннее отражение, возвратятся к поверхности моря. Следовательно, будут наблюдаться лучи II группы.

Траектории лучей для случая рис. 6.3 а будут представлять ок­ ружности.

Для случая рис. 6.3 6 траектории лучей будут отличными от ок­ ружностей.

Наряду с лучами II группы для больших углов а при положи­ тельной рефракции будут наблюдаться и лучи I группы, изобра­ женные на рис. 6.3 пунктиром, которые отражаются и от поверхно­ сти моря и дна. Обычно влияние лучей этой группы на интенсив­ ность звука после отражения от морского дна незначительно, т. к. коэффициент отражения от дна по интенсивности составляет не­ сколько процентов, в то время как коэффициент отражения от по­ верхности моря близок к единице.

188

Построение траекторий звуковых лучей может быть выполнено графически на основе формулы (6.6) путем разбивки всей толщи воды на слои, в пределах которых градиент скорости звука может быть принят постоянным.

Как видно на рис. 6.3, при положительном типе рефракции не создается рефракционных ограничений в дальности распростране­ ния, и в непоглощающей среде сигнал был бы слышен в любой то­ чке. Однако морская вода — среда поглощающая, а поверхность

Рис. 6.3. Положительная рефракция (тип I).

моря не зеркально отражающая поверхность, и на ней происходят потери энергии вследствие поглощения.

Потери звуковой энергии при отражении от волнующейся по­ верхности моря могут быть рассчитаны через коэффициент отра­ жения, который представляет собой отношение отраженной звуко­ вой энергии от поверхности моря / оп к падающей на нее /. Величина коэффициента отражения kon при достаточно большом отношении длины волн к длине звуковых волн а , полагая поверхность моря си­ нусоидальной, может быть рассчитана по формуле

. 2я

где я = —----- волновое число; п — высота морских волн, выражен-

А

ная в метрах; 6 — угол падения звукового луча на поверхность моря, отсчитываемый от горизонтали.

189

При многократном отражении луча от поверхности моря общие потери за счет отражения зависят также от числа отражений, ко­ торое претерпевает луч, прежде чем достигнет заданного расстоя­ ния. Из определения коэффициента отражения следует, что

Отсюда, при однократном отражении от поверхности моря, от­ раженная звуковая энергия будет определяться формулой

/оп= k o n l ■

В том случае когда луч многократно отражается и при условии от­ сутствия поглощения и рассеяния в слоях воды, проходимых отра­ женными лучами, звуковая энергия луча / соп, испытавшего п от­ ражений, определится из соотношения

/ сопиии = 6"оп /.

Из формулы следует, что при многократном отражении от поверх­ ности моря только за счет потерь энергии при отражении звуковая энергия будет убывать в геометрической прогрессии.

При положительной рефракции (рис. 6.3) в заданную точку про­ странства будет приходить не один луч, как при отсутствии рефрак­ ции, а несколько лучей, выходящих из излучателя под различными углами. Поэтому, несмотря на более интенсивное убывание звука с расстоянием в каждом из рефрагируемых лучей, суммарное зву­ ковое давление в заданной точке пространства будет выше. Влияние рефракции на дальность действия гидроакустических систем может быть оценено через фактор аномалий А, под которым понимается отношение интенсивности /р акустического поля в рефрагирующей среде в данной точке, удаленной от излучателя на расстояние г, к интенсивности звука / 0, в той же точке однородной безграничной среды, т. е.

нии скорости звука с глубиной. Траектории звуковых лучей при от­ рицательной рефракции для случая постоянного градиента скоро­ сти представлены сплошными линиями на рис. 6.4 а, а для пере­ менного— на рис. 6.4 6. Как видно на рисунке, для некоторых уг­ лов имеются лучи, которые, выйдя из излучателя Я, отклоняются ко дну, испытывая полное внутреннее отражение, не достигая по­ верхности моря, и в последующем отражаются от дна, т. е. отно­ сятся к лучам III группы.

Траектории лучей при постоянстве вертикального градиента скорости звука (рис. 6.4 а) имеют форму окружностей, так же как и при положительной рефракции.

190