ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.04.2024
Просмотров: 191
Скачиваний: 0
скорость звука в вертикальном направлении. Реальный океан в этом случае аппроксимируется некоторым огра ниченным числом слоев, в каждом из которых средняя скорость звука принимается постоянной. Тогда значение скорости звука в вертикальном направлении определяют как средневзвешенное, принимая за вес толщину слоев:
|
|
|
|
2 |
СіРі |
|
|
|
|
|
|
|
С , Р = Л ----- , |
|
|
(3.65) |
|||
|
|
|
|
|
I |
|
|
|
|
где |
|
Сі — средняя скорость |
звука |
в і'-м |
слое, |
м/с; |
|
||
|
|
/г — толщина |
t-го слоя, м. |
|
|
|
|
||
|
Значения средней |
вертикальной |
скорости звука |
Сср |
|||||
от поверхности до глубины Z используются при вычис |
|||||||||
лении поправок эхолотов (эхоледомеров) AZc (в |
ме |
||||||||
трах) |
за отклонение |
фактической скорости звука в воде |
|||||||
от |
номинальной, на |
которую |
рассчитан |
эхолот: |
|
||||
|
|
дZ c = |
l ~ |
^ ) z |
, |
' |
(3.66) |
||
где |
Сср-—средняя вертикальная |
скорость |
звука |
в |
|||||
|
|
воде; |
|
скорость |
звука |
для |
эхолотов |
||
|
|
С0— номинальная |
|||||||
|
|
типа НЭЛ, ПЭЛ и ГЭЛ, равная 1500 м/с. |
|||||||
|
Отражение и преломление акустических волн на гра |
нице двух сред. При падении акустических волн на по верхность раздела двух материальных сред (вода — ат мосфера) в общем случае одна часть акустической энер гии переходит из первой среды во вторую, а другая часть отражается от границы раздела и продолжает распространяться в первой среде, но уже в другом на правлении. Явление отражения акустических волн от границы раздела двух сред широко используется при гидроакустических измерениях расстояний (эхолоты, эхоледомеры, эхотралы, гидролокаторы).
Если поверхность раздела двух сред достаточно ве лика по сравнению с длиной падающей акустической волны и является плоской или размеры неровностей этой поверхности много меньше длины падающей вол ны, что, кстати, и имеет место при распространении зву
121
ка в реальном океане, то в этом случае можно ввести понятие акустических лучей и применять к ним извест ные законы геометрической оптики.
1. Угол падения і акустического луча, т. е. угол ме жду падающим лучом и нормалью к поверхности раз дела, равен углу отражения і'.
Рис. 19. Преломление акустического луча при переходе из среды акустически более плотной в среду акустически менее плот ную (С2>С і)
2. Отношение синуса угла падения і к синусу угл преломления ß равно отношению скорости распростра нения звука С1 в первой среде к скорости распростра нения звука Сг во второй среде. Это отношение назы вается коэффициентом преломления второй среды отно сительно первой (рис. 19) и для двух данных сред яв ляется величиной постоянной, т. е.
sin г __ |
(3.67) |
|
sin Э ~ С2 |
||
|
Обычно оперируют не углами падения, отражения и преломления, а их дополнениями до 90°, называемыми углами скольжения (Ѳ). Тогда
cos 6 , |
С[ |
(3.68) |
|
cos 62 |
С3 |
||
|
где
Ѳ, = 90° - і; Ѳ2 = 90° - р.
В акустике принято считать среду акустически бо лее плотной, если скорость звука в ней меньше, и аку стически менее плотной, если скорость звука в ней больше, чем в других средах. Так, воздух (С«330 м/с) считается акустически более плотным, чем вода (С ~ «1500 м/с).
Из анализа формулы (3.68) следует, что при пере ходе акустических лучей из среды, акустически более плотной, в среду, акустически менее плотную, может быть такой угол скольжения Ѳі, при котором угол Ѳг становится равным нулю н преломленный луч скользит по поверхности раздела, не проникая во вторую среду.
Такой |
предельный угол |
Ѳі называется критическим, а |
сам |
луч — предельным |
касательным пли граничным. |
Величину критического угла Ѳо можно определить, пола
гая, |
что cos 02= 1. |
Тогда в формуле |
(3.68) |
|
|||
|
|
cos Ѳ, = |
cos &о = |
Сг , |
(3.69) |
||
где |
Ѳо — критический угол |
скольжения, а |
С2 = С0— кри |
||||
тическая скорость. |
воздух — вода |
|
|||||
Пример. Для |
сред |
|
|||||
|
|
й |
|
330 Л 0 0 |
|
|
|
|
|
COS |
|
1 500 — |
|
|
|
|
|
|
Ѳ0 = 77,3°. |
|
|
|
|
Это |
значит, что |
при |
Oj |
77,3° |
ни |
один |
из акустиче |
ских лучей не может проникнуть из воздуха в воду, так как он претерпевает полное внутреннее отражение от поверхности раздела.
Рефракция звуковых лучей в океане. Из сказанного вытекает, что акустические лучи распространяются пря молинейно лишь в акустически однородной среде, в ко
торой |
скорость распространения звука постоянна. |
|||
В океанах и морях такие условия для распростра |
||||
нения |
звука, |
близкие к идеальным |
(С —const), отмеча |
|
ются |
обычно |
в |
пределах поверхностного однородного |
|
(перемешанного) |
слоя. В более общем случае в океане |
|||
отмечаются |
(порой значительные) |
вертикальные гра |
123
диенты температуры, солености, а следовательно, и функционально с ними связанной, скорости звука в мор ской воде. Реальный океан оказывается как бы слое ным, состоящим из слоев с различными акустическими свойствами (Cj ф С2 Ф С3 ф . ..). Поэтому в стратифи цированном океане, подчиняясь закономерности (3.68), акустические лучи должны искривляться и принимать порой форму довольно сложных кривых, т. е. претерпе вать рефракцию, тип которой в каждом конкретном слу-
Рис. 20. Положительная рефракция звуковых лучей в море.
Постоянство или возрастание температуры воды (возрастание скорости звука) с глубиной
чае будет зависеть от сочетания факторов (S, t, р), определяющих характер изменения скорости звука с глубиной. Из всего многообразия этих сочетаний можно, однако, выделить четыре основных типа распределения скорости звука по глубине и соответствующие им че тыре основных типа рефракции звуковых лучей в океане.
1. Возрастание скорости звука |
с глубиной (С і<С 2< |
< С з < . . . ) , отмечающееся обычно |
в холодное время года |
при изотермии (t= const) или при |
повышении темпера |
туры с глубиной {ti<t2< h < . ..), |
обусловливает п о л о |
ж и т е л ь н у ю рефракцию звуковых лучей. В этом слу чае акустические лучи (рис. 20), направленные в сто рону дна, будут встречать слои с возрастающей ско ростью звука. Это обстоятельство определяет уменьше ние углов скольжения с глубиной и вызывает при до стижении критической скорости полное внутреннее отра жение лучей и искривление их в сторону поверхности.
Зона акустической освещенности оказывается значи тельной, условия работы гидроакустических средств — наиболее благоприятными.
124
2. Убывание скорости |
звука |
с глубиной |
(Сі>С 2> |
> С 3. о т м е ч а ю щ е е с я в |
теплое |
время года |
при пони |
жении температуры с глубиной (t\>t2 > t3> . ..), обуслов ливает о т р и ц а т е л ь н у ю рефракцию звуковых лу чей: акустические лучи, направленные к поверхности океана, искривляются в сторону дна. В глубоководны^ районах океана и на мелководьях при илистых грунтах дальности действия акустических средств оказываются минимальными и ограниченными траекторией верхнего предельного луча (рис. 21), так как все прочие лучи,
Рис. 21. Отрицательная рефракция звуковых лучей в море. Убыва ние температуры воды (скорости звука) с глубиной
претерпевающие полное внутреннее отражение от по верхности океана, не могут увеличить дальности. В мел ководных районах с глубинами менее 200 м при плот
ных грунтах морского |
дна (плита, |
скала, песок) |
и от |
||||
рицательной рефракции звуковых лучей можно ожидать |
|||||||
увеличения |
дальности |
действия |
гидроакустических |
||||
средств за счет отражения звуковых сигналов от дна. |
|||||||
3. |
Убывание |
скорости звука |
с глубиной до некото |
||||
рого горизонта, называемого осью подводного звукового |
|||||||
канала |
(ПЗК), |
с |
последующим |
возрастанием |
(Ct> |
||
> С 2< С 3) |
обусловливается либо наличием четко |
выра |
|||||
женного минимума температуры на глубине оси ПЗК, |
|||||||
либо изотермией |
ниже оси ПЗК (рис. 22). В этом слу |
чае акустические лучи, вышедшие из источника звука, находящегося вблизи оси ПЗК, как в сторону поверхно сти, так и в сторону дна, встретят слои со все возра стающей скоростью звука. Претерпевая полное внутрен
нее |
отражение от различных слоев морской |
воды, |
лучи |
будут описывать параболические кривые. |
При |
125
этом звуковая энергия концентрируется вдоль оси, в некоторой толще морской воды, называемой подводным звуковым каналом. В пределах ПЗК звук распростра няется сосредоточенно, без существенных потерь на сверхдальние расстояния, достигающие сотен и даже тысяч миль. Так, опытный взрыв бомбы массой 23 кг, произведенный у берегов Австралии, был принят на расстоянии 14000 миль у Бермудских островов.
Глубина залегания осей подводных звуковых кана лов неодинакова в различных частях океана, так как зависит от его термической структуры. В умеренных
Рис. 22. Подводный звуковой канал (ПЗК). Убывание температуры воды (скорости звука) с глубиной до горизонта оси ПЗК с после дующим постоянством температуры или возрастанием температуры (скорости звука)
широтах, например, часто отмечаются ПЗК термиче ского происхождения, обусловленные сохранением ле том холодного промежуточного слоя — остатка зоны вертикальной зимней циркуляции (см. § 17). «Термиче ские» ПЗК носят сезонный характер (наблюдаются только летом) и залегают вблизи поверхности океана (30—120 м). Осенью с началом охлаждения воды такие ПЗК исчезают. Зависимость сезонных ПЗК от процес сов ветрового и приливного перемешивания делает их малоустойчивыми.
В умеренных и низких широтах, в тех местах, где глубины превышают 1000 м, постоянно существуют глу бинные (стационарные) ПЗК. На таких глубинах тем пература воды уменьшается с увеличением глубины до тех пор, пока не достигнет некоторого критического зна чения.
Ниже уровня этой температуры наблюдается изотер мический слой, в пределах которого скорость распро
126
странения звука возрастает в сторону дна по мере уве личения гидростатического давления. Выше этого уров ня увеличение скорости распространения звука обуслов лено преобладающим влиянием повышения температу ры к поверхности. Глубина залегания оси «гидростати ческих» ПЗК в общем случае составляет 600—1500 м, уменьшаясь до 100—200 м в полярных районах. Ско рость распространения звука на оси ПЗК меняется от
1450—1460 м/с в высоких широтах до 1480—1490 м/с — в низких.
Явление подводного звукового канала широко ^ис пользуется для звукоподводной связи с подводными лодками и определения ими места с помощью навига ционно-гидроакустических систем (НГС). Наибольшая дальность слышимости звуковых сигналов достигается
при нахождении и источника и приемника звука на оси
пзк.
4. Возрастание скорости звука от поверхности до не которой глубины, называемой верхней границей слоя скачка, с последующим убыванием (С і<С 2> С 3) обус ловливается либо повышением температуры морской воды от поверхности до верхней границы слоя скачка, либо наличием изотермии над слоем скачка. В этом случае распространение звука над слоем скачкабудет происходить по типу положительной рефракции, под слоем скачка — по типу отрицательной рефракции, опре деляя соответствующие условия работы гидроакустиче ских средств над слоем скачка и под ним. На границе слоя скачка один из акустических лучей претерпевает расщепление (рис. 23). Между ветвями расщепленного луча образуется зона акустической тени (или полуте ни). При нахождении источника звука над слоем скачка распространение звука в этом слое происходит без су щественных потерь за счет многократного отражения от поверхности океана и полного внутреннего отражения в пределах верхнего слоя. При этом отмечаются значи тельные дальности действия гидроакустических средств, так как возникает своего рода приповерхностный зву ковой канал (ППЗК) с осью, совпадающей с поверхно стью океана.
Расчет траекторий звуковых лучей в акустически не однородной среде. Кривая распределения скорости зву- ца по глубине может быть аппроксимирована мини-
127
этом звуковая энергия концентрируется вдоль оси, в некоторой толще морской воды, называемой подводным звуковым каналом. В пределах ПЗК звук распростра няется сосредоточенно, без существенных потерь на сверхдальние расстояния, достигающие сотен и даже тысяч миль. Так, опытный взрыв бомбы массой 23 кг, произведенный у берегов Австралии, был принят на расстоянии 14000 миль у Бермудских островов.
Глубина залегания осей подводных звуковых кана лов неодинакова в различных частях океана, так как зависит от его термической структуры. В умеренных
c ; t . |
Расстояние Д |
Рис. 22. Подводный звуковой канал (ПЗК). Убывание температуры воды (скорости звука) с глубиной до горизонта оси ПЗК с после дующим постоянством температуры или возрастанием температуры (скорости звука)
широтах, например, часто отмечаются ПЗК термиче ского происхождения, обусловленные сохранением ле том холодного промежуточного слоя — остатка зоны вертикальной зимней циркуляции (см. § 17). «Термиче ские» ПЗК носят сезонный характер (наблюдаются только летом) и залегают вблизи поверхности океана (30—120 м). Осенью с началом охлаждения воды такие ПЗК исчезают. Зависимость сезонных ПЗК от процес сов ветрового и приливного перемешивания делает их малоустойчивыми.
В умеренных и низких широтах, в тех местах, где глубины превышают 1000 м, постоянно существуют глу бинные (стационарные) ПЗК. На таких глубинах тем пература воды уменьшается с увеличением глубины до
тех пор, пока не достигнет некоторого критического зна чения.
Ниже уровня этой температуры наблюдается изотер мический слой, в пределах которого скорость распро
126
странения звука возрастает в сторону дна по мере уве личения гидростатического давления. Выше этого уров ня увеличение скорости распространения звука обуслов лено преобладающим влиянием повышения температу ры к поверхности. Глубина залегания оси «гидростати ческих» ПЗК в общем случае составляет 600—1500 м, уменьшаясь до 100—200 м в полярных районах. Ско рость распространения звука на оси ПЗК меняется от
1450—1460 м/с в высоких широтах до |
1480—1490 м/с — |
||
в низких. |
|
|
|
Явление |
подводного звукового канала |
широко ^ис |
|
пользуется |
для звукоподводной связи |
с |
подводными |
лодками и определения ими места с помощью навига ционно-гидроакустических систем (НГС). Наибольшая дальность слышимости звуковых сигналов достигается
при нахождении и источника и приемника звука на оси
пзк.
4. Возрастание скорости звука от поверхности до не которой глубины, называемой верхней границей слоя скачка, с последующим убыванием (С і<С 2> С 3) обус ловливается либо повышением температуры морской воды от поверхности до верхней границы слоя скачка, либо наличием изотермии над слоем скачка. В этом случае распространение звука над слоем скачкабудет происходить по типу положительной рефракции, под слоем скачка — по типу отрицательной рефракции, опре деляя соответствующие условия работы гидроакустиче ских средств над слоем скачка и под ним. На границе слоя скачка один из акустических лучей претерпевает расщепление (рис. 23). Между ветвями расщепленного луча образуется зона акустической тени (или полуте ни). При нахождении источника звука над слоем скачка распространение звука в этом слое происходит без су щественных потерь за счет многократного отражения от поверхности океана и полного внутреннего отражения в пределах верхнего слоя. При этом отмечаются значи тельные дальности действия гидроакустических средств, так как возникает своего рода приповерхностный зву ковой канал (ППЗК) с осью, совпадающей с поверхно стью океана.
Расчет траекторий звуковых лучей в акустически не однородной среде. Кривая распределения скорости звура по глубине может быть аппроксимирована мини-
127