Гідроакустика
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Гідроакустика

Гідроакустика (від гидро... і акустика ), розділ акустики, що вивчає поширення звукових хвиль в реальному водному середовищі (у океанах, морях, озерах і т.д.) для цілей підводної локації, зв'язку і т.п. Істотна особливість підводних звуків — їх мале загасання, унаслідок чого під водою звуки можуть поширюватися на значно великі відстані, чим, наприклад, в повітрі. Так, в області чутних звуків для діапазону частот 500—2000 гц дальність поширення під водою звуків середньої інтенсивності досягає 15—20 км. , а в області ультразвука — 3—5 км. . Якщо виходити з величин загасання звуку, спостережуваних в лабораторних умовах в малих об'ємах води, то можна було б чекати значно великих дальностей. Проте в природних умовах, окрім загасання обумовленого властивостями самої води (т.з. в'язкого загасання), позначаються ще рефракція звуку і його розсіяння і поглинання різними неоднородностямі середовища.

загрузка...

  Рефракція звуку, або викривлення дороги звукового променя, викликається неоднорідністю властивостей води, головним чином по вертикалі, унаслідок трьох основних причин: зміни гідростатичного тиску з глибиною, зміни солоності і зміни температури унаслідок неоднакового прогрівання маси води сонячними променями. В результаті сукупної дії цих причин швидкість поширення звуку, що становить близько 1450 м/сек для прісної води і близько 1500 м/сек для морської, змінюється з глибиною, причому закон зміни залежить від пори року, часу дня, глибини водоймища і ряду ін. причин. Звукові промені, що вийшли з джерела під деяким кутом до горизонту, згинаються причому напрям вигину залежить від розподілу швидкостей звуку в середовищі ( мал. 1 ). Влітку, коли верхні шари тепліше ніжніх, промені згинаються донизу і в більшості своїй відбиваються від дна, втрачаючи при цьому значну долю своєї енергії. Навпаки, взимку, коли нижні шари води зберігають свою температуру, тоді як верхні шари охолоджуються, промені згинаються догори і зазнають багатократні віддзеркалення від поверхні води, при яких втрачається значно менше енергії. Тому взимку дальність поширення звуку більша, ніж влітку. Унаслідок рефракції утворюються т.з. мертві зони (зони тіні — див.(дивися) мал.(малюнок) 1 , а), тобто області, розташовані недалеко від джерела, в яких чутність відсутня.

  Наявність рефракції, проте, може приводити до збільшення дальності поширення звуку — явища наддалекого поширення звуків під водою. На деякій глибині під поверхнею води знаходиться шар, в якому звук поширюється з найменшою швидкістю; вище за цю глибину швидкість звуку збільшується із-за підвищення температури, а нижче — унаслідок збільшення гідростатичного тиску з глибиною. Цим шаром є своєрідний підводний звуковий канал. Промінь, що відхилився від осі каналу вгору або вниз, унаслідок рефракції завжди прагне попасти в нього назад ( мал. 2 ). Якщо помістити джерело і приймач звуку в цьому шарі, то навіть звуки середньої інтенсивності (наприклад, вибухи невеликих зарядів в 1—2 кг ) можуть бути зареєстровані на відстанях в сотні і тисячі км. . Істотне збільшення дальності поширення звуку за наявності підводного звукового каналу може спостерігатися при розташуванні джерела і приймача звуку не обов'язково поблизу осі каналу, а, наприклад, в поверхні. В цьому випадку промені, рефрагируя донизу заходять в глибоководні шари, де вони відхиляються догори і виходять знову до поверхні на відстані в декілька десятків км. від джерела. Далі картина поширення променів повторюється і в результаті утворюється послідовність т.з. вторинних освітлених зон, які зазвичай просліджуються до відстаней в декілька сотень км. . Явище наддалекого поширення звуку в морі було відкрите незалежно американськими ученими М. Івінгом і Дж. Ворцелем (1944) і радянськими ученими Л. М. Бреховських і Л. Д. Розенбергом (1946).

  На поширення звуків високої частоти, зокрема ультразвуків, коли довжини хвиль дуже малі, роблять вплив дрібні неоднорідності, зазвичай наявні в природних водоймищах: мікроорганізми, бульбашки газів і т.д. Ці неоднорідності діють двояким чином: вони поглинають і розсіюють енергію звукових хвиль. В результаті з підвищенням частоти звукових коливань дальність їх поширення скорочується. Особливо сильно цей ефект помітний в поверхневому шарі води, де більш всього неоднородностей. Розсіяння звуку неоднородностямі, а також нерівностями поверхні води і дна викликає явище підводній реверберації, супроводжуючою посилку звукового імпульсу: звукові хвилі, відбиваючись від сукупності неоднородностей і зливаючись, дають затягування звукового імпульсу що продовжується після його закінчення, подібно до реверберації, що спостерігається в закритих приміщеннях. Підводна реверберація — досить значна перешкода для ряду практичних вживань Р., зокрема для гидролокациі .

  Межі дальності поширення підводних звуків лімітуються ще і т.з. власними шумами морить, що мають двояке походження. Частина шумів виникає від ударів хвиль на поверхні води, від морського прибою, від шуму перекочуваної гальки і т.п. Інша частина пов'язана з морською фауною; сюди відносяться звуки, вироблювані рибами і ін. морськими тваринами (детальніше за див.(дивися) Біогідроакустика ).

  Р. отримала широке практичне вживання, т.к. никакие види електромагнітних хвиль, включаючи і світлові, не поширюються у воді (унаслідок її електропровідності) на скільки-небудь значній відстані, і звук тому є єдиним можливим засобом зв'язку під водою. Для цих цілей користуються як звуковими частотами від 300 до 10000 гц , так і ультразвуками від 10000 гц і вище. Як випромінювачі і приймачі в звукової області використовуються електродинамічні і п'єзоелектричні випромінювачі і гідрофони, а в ультразвуковий — п'єзоелектричні і магнітострикційні. З найбільш істотних вживань Р. слід зазначити ехолот, гідролокатори, якими користуються для вирішення військових завдань (пошуки підводних човнів противника, бесперіськопная торпедна атака і т.д.); для мореплавних цілей (плавання поблизу скель, рифів і ін.), рибопромислової розвідки пошукових робіт і т.д. Пасивним засобом підводного спостереження служить шумопеленгатор, що дозволяє визначити напрям джерела шуму, наприклад корабельного гвинта. Підводні міни забезпечуються т.з. акустичними замикачами (детонаторами), що викликають вибух заряду міни у момент проходження над нею корабля. Саморушні торпеди можуть самонаправляться на корабель по його шуму і т.д.

  Літ.: Фізичні основи підводної акустики, пер.(переведення) з англ.(англійський), під ред. Ст І. Мясищева, М., 1955; Бреховських Л. М., Хвилі в шаруватих середовищах, М., 1957; Підводна акустика, пер.(переведення) з англ.(англійський), під ред. Л. М. Бреховських, т. 1, М., 1965, т. 2, М., 1970: Сташкевіч А. П., Акустика морить, Л., 1966: Толстой І., Клей До. С., Акустика океану, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1969.

  Л. Д. Розенберг. Р. Ф. Швачко.

Мал. 2. Поширення звуку в підводному звуковому каналі: а — зміна швидкості звуку з глибиною; б — хід променів в звуковому каналі.

Мал. 1. Рефракція звуку у воді: а — влітку; б — взимку; зліва — зміна швидкості з глибиною.