Файл: Океанография и морская метеорология учебник..pdf

человека.

Вторым главным параметром акустического поля яв­ ляется волновое (акустическое) сопротивление среды, т. е. произведение плотности морской воды р на скорость распространения звука С.

Плотность морской воды может быть определена лю­ бым из методов, изложенных в § И, скорость распро­

впервые было получено в 1687 г. Ньютоном в его Мате­ матических началах натуральной философии, а затем усовершенствовано Лапласом, установившим, что про­ цессы изменения давления при распространении акусти­ ческих волн как в газах, так и в воде происходят при­ близительно адиабатически, т. е. между областями сжа­ тий и разрежений обмен тепла происходить не успевает.

Выражение (3.58) для скорости звука известно в акустике как теоретическая формула Ньютона — Лапласа:

(3.58)

где *s,t,p — удельный объем морской воды с учетом ее сжимаемости;

ской воды, представляющий собой относи­ тельное изменение удельного объема при изменении гидростатического давления па единицу (1 дбар).

Морская вода является аномальным веществом и в отличие от многих других физических тел имеет значе­ ния х = сРІсѵ, близкие к единице (в реальных условиях значения % обычно не выходят за пределы 1,000— 1,021,

116

поэтому при некоторых расчетах принимается ’/ = 1). Тогда

Входящие в формулу (3.58) величины зависят от температуры, солености морской воды и гидростатиче­ ского давления. При этом следует иметь в виду, что для морской воды а = 0,93—0,98~ 1, т. е. скорость звука в воде определяется главным образом ее сжимаемостью.

Изменение температуры морской воды оказывает на скорость, звука наибольшее влияние. Исследованияпо­ казывают, что с повышением температуры на 1° ско­ рость звука в морской воде возрастает на 2—4 м/с как за счет увеличения удельного объема, так и за счет уменьшения коэффициента сжимаемости.

При увеличении солености на 1%о скорость звука возрастает примерно на 1,2 м/с, при этом происходит незначительное уменьшение скорости за счет уменьше­ ния удельного объема и значительно большее увеличе­ ние за счет уменьшения коэффициента сжимаемости.

При увеличении гидростатического давления умень­ шаются и удельный объем и коэффициент сжимаемости; влияние второго фактора оказывается преобладающим, и, как результат, с увеличением гидростатического дав­ ления на 10 дбар, что соответствует изменению глубины примерно на 10 м, скорость звука в морской воде воз­ растает примерно на 0,18 м/с.

На основе формулы (3.58) в Океанологических таб­ лицах Н. Н. Зубова [24] рассчитана таблица 33, позво­

Таблица 34 дает поправку на давление к скорости зву­ ка, найденной по таблице 33.

Сопоставление значений скоростей звука, рассчитан­ ных по формуле Ньютона — Лапласа и выведенных из экспериментальных определений . в естественных усло­ виях, выявляет расхождения, достигающие 4 м/с, кото­ рые возникают вследствие неточного знания истинного

коэффициента сжимаемости морской воды.

Повышение точности определения скорости звука в морской воде осуществлено путем установления эмпири­ ческих зависимостей между основными параметрами

117

морской воды и скоростью распространения звука

вней.

Вобщем случае скорость распространения звука в

морской воде в зависимости от ее температуры, солено­ сти и гидростатического давления может быть выраже­

совершенными оказались результаты исследований Вильсона (1959 г.). Выведенная им эмпирическая фор­ мула обеспечивает определение скорости звука в мор­ ской воде со средней квадратической ошибкой т = = ±0,22 м/с. Эта формула не только дает результаты, наиболее близкие к фактическим скоростям звука в морской воде, но и оказывается наиболее полной, так как учитывает все факторы, влияющие на скорость рас­ пространения звука в морской воде, и не требует вве­ дения каких-либо дополнительных поправок. Формула пригодна для расчета скорости звука в самом широком диапазоне изменения температуры, солености и глуби­ ны, а также удобна для программирования при массо­ вой механизированной обработке результатов гидроло­ гических наблюдений [65]. По формуле Вильсона состав­ лены .специальные таблицы для расчета скорости звука в морской воде [57].

Благодаря преобразованиям, произведенным В. Н. Фе­ доровой и Р. М. Книжником, формулу Вильсона уда­ лось упростить, заменив, в частности, давление столба воды р горизонтом измерений Z. Для температуры от

118

гидроакустических измерений внедряются также новые методы непосредственного (инструментального) опреде­ ления скорости звука в морской воде, основанные либо на принципе измерения разности фаз акустических воли (фазовый метод), либо на принципе измерения времени прохождения звуком известного пути в воде (импульс­ но-частотный или циклический метод).

В фазовом методе излучатель и приемник звука дол­ жны быть расположены на фиксированном расстоянии/ один от другого. Это расстояние выбирается с таким расчетом, чтобы при заданной частоте /0 и номиналь­ ной скорости звука в воде С0 оно было равно длине вол­ ны (1 = 1о). При этом разность фаз напряжений, питаю­ щего излучатель и развивающегося на приемнике звука, будет равна нулю. Если же скорость звука в воде отли­ чается от номинальной и равна С, то появится разность фаз <р, и тогда

К основным недостаткам приборов, основанных на фазовом методе измерения скорости звука в воде, сле­ дует отнести нелинейность шкалы (градуировка по за­ кону гиперболы), зависимость точности определений от влияния стоячих волн, а также значительные габариты приборов. Этих недостатков лишены приборы, построен­ ные на импульсно-частотном (или циклическом) методе

119

измерений, основанном на измерении частоты следова­ ния импульсов в электроакустическом кольце, которое представляет собой замкнутую цепь, состоящую из им­ пульсного генератора, двух акустических преобразова­ телей и блоков приемного тракта. После поступления на приемник импульс мгновенно включает излучатель, так что частоту следования импульсов можно опреде­ лить из выражения

всего в том, что зависимость скорости звука в морской воде и выходной частоты прибора не является строго линейной вследствие неизбежной временной задержки,

циальных измерителей приблизительно равна точности расчетов по наиболее точным эмпирическим формулам (средняя квадратическая ошибка т = ±0,2—0,4 м/с). Следует ожидать, что в ближайшем будущем точность определения скорости звука будет повышена на по­ рядок.

По формулам (3.58), (3.60) и другим, а также с по­ мощью измерителей определяют скорость звука в гори­ зонтальном направлении, принимая температуру и соле­ ность на данной глубине неизменными. При использо­ вании эхолотов и эхоледомеров необходимо определить

120