Учебные вопросы: 1. Океаническая среда как канал передачи акустического сигнала. 2. Особенности распространения звука в различных гидроакустических условиях. Задание на самоподготовку: Изучить основные типы распространения скорости звука под водой: Г. И. Казанцев «Учебник гидроакустика» , с. 58 99; Ю. К. Басов «Учебник гидроакустика» , с. 40 62; А. А. Клещев «Основы гидроакустики» , с. 18 32.
Вопрос № 1. Океаническая среда как канал передачи акустического сигнала Под океанической средой принято понимать водные массы, поверхность и дно океана, с которыми взаимодействует гидроакустический сигнал при распространении в канале передачи от источника до приемника. Гидроакустическим сигналом считают составляющую акустического поля, несущую полезную информацию. Океаническую среду, как канал передачи гидроакустического сигнала, в общем случае удобно представлять в виде линейного фильтра с характеристикой, описывающей временное, частотное и фазовое изменение входной информации.
Наибольшее влияние на изменение скорости звука оказывает температура водных масс, так как увеличение последней приводит к возрастанию объема и уменьшению коэффициента сжимаемости воды. Например, при начальной температуре воды 12° С изменение скорости звука с изменением температуры на 1°С равно 3, 5 м/с. При изменении солености воды изменяются удельный объем и коэффициент сжимаемости. Однако поправки на изменение скорости звука от этих изменений имеют разные знаки. Поэтому влияние изменения солености на скорость звука меньше, чем температуры. Наименьшее влияние на изменение скорости звука оказывает гидростатическое давление, увеличение которого на 1 кгс/см 2 (9, 8 104 Па), что соответствует погружению на 10 м, приводит к увеличению скорости звука на 0, 175 м/с.
Для распространения звука в океане весьма важной характеристикой является не абсолютное значение скорости звука, а форма (профиль) и, прежде всего распределение градиентов скорости звука по глубине, под которыми понимают приращение скорости звука на единицу глубины. Приповерхностный слой достигает глубин 200 м, вертикальные градиенты скорости звука превышают значения 15 с 1, а горизонтальные — 60 м/с на 1 км. Сезонный термоклин занимает диапазон глубин 200— 500 м. Профили ВРСЗ в этом слое принято представлять по четырем сезонам: зима, весна, лето, осень. Годовая амплитуда изменения скорости звука в одной точке сезонного термоклина может составить 7, 4— 12, 7 м/с, а знаки градиентов за время между сезонами изменяются на противоположные.
Глубоководный слой характеризуется монотонным увеличением скорости звука с возрастанием глубины. Междугодичная изменчивость в нем незначительна (среднее квадратическое отклонение скорости звука не превышает 0, 8— 1, 1 м/с). Рис. 1 Изменчивость скорости звука в Мировом океане.
Тип 1: практически изотермия от поверхности до дна, т. е. положительный градиент скорости звука. Данный тип часто встречается в Северном Ледовитом океане. Тип 2: положительный градиент скорости звука изменяется на отрицательный при глубинах порядка десятков метров, что имеет место, когда наблюдается резкое охлаждение поверхностного и приповерхностного слоя морей. Тип 3: положительный градиент изменяет знак на отрицательный, а затем снова на положительный, что характерно для глубоководных районов Мирового океана в зимний или осенний период. Тип 4: дважды происходит изменение знака градиента с положительного на отрицательный. Такое распределение скорости звука может наблюдаться в мелководных районах океана, мелком море и шельфовой зоне.
Тип 5: уменьшение скорости звука с глубиной, что характерно для мелководных районов в летнее время. Тип 6: отрицательный знак градиента изменяется на положительный. Данный тип ВРСЗ имеет место практически во всех глубоководных районах Мирового океана. Тип 7: отрицательный градиент изменяется на положительный, а затем вновь на отрицательный. Это может иметь место в районах мелкого моря.
Вопрос № 2. Особенности распространения звука в различных гидроакустических условиях. Для описания характеристик акустического поля в настоящее время существуют два метода: волновой и лучевой. Волновой метод основан на предположении, что фронт волны можно представить в виде суммы специальных кривых, называемых модами (рис. 3). Рис. 3. Зависимость амплитуды первых четырех мод от глубины
Вторым подходом к решению волнового уравнения является лучевая теория. Совокупность результатов и выводов, полученных на основе этой теории, называется лучевой акустикой. Лучевая теория основана на гипотезе распространения акустической энергии вдоль нормалей к фронту волны в пределах так называемых лучевых трубок, которые схематично изображаются траекториями акустических лучей (рис. 4). Рис. 4. Траектория акустического луча
Качественное сравнение волновой и лучевой теории Достоинства Недостатки Волновая теория Возможность полного формального описания поля. Справедливость на всех частотах. Отсутствие необходимости восстанавливать или определять весь путь распространения волны от источника звука Отсутствие точных решений для произвольных ВРСЗ и реальных гра ничных условий Большой объем вычислений Трудность интерпретации и зрительного восприятия результатов решения Лучевая теория Независимость от вида источника и излучаемой частоты. Простота вычислений траекторий акустических лучей Наглядность восприятия лучевых картин и зон акустического обнаружения объектов Справедливость только на высоких частотах Невозможность использования в точках акустик и зонах акустической тени. Наличие ложных акустик при кусочно линейной аппроксимации профиля ВРСЗ
Известно, что на распространение гидроакустических сигналов оказывают влияние множество факторов: пространственное затухание, акустические характеристики границ (поверхности, дна) и водных масс океана, различные океанологические явления и другие процессы. Основными причинами убывания энергии акустического сигнала с расстоянием являются расширение фронта волны, поглощение, рассеяние и утечки из каналов. Суммарный эффект поглощения и рассеяния называют затуханием звука. Наибольшее распространение получила формула, предложенная Шихи и Хэлли (1957 г. ), для расчета коэффициента пространст венного затухания в подводном звуковом канале для диапазона частот от 20 Гц до 60 к. Гц: β = 0. 036 f 3/2, где β —коэффициент пространственного затухания, д. Б/км; f—частота звука, к. Гц.
Особенности распространения звука в различных гидроакустических условиях Основными гидроакустическими явлениями специалисты считают: отрицательную рефракцию (ОР), приповерхностный звуковой канал (ППЗК), слой скачка (ССК), подводный звуковой канал (ПЗК), дальние зоны акустической освещенности (ДЗАО), донную подсветку (ДП) и др. Отрицательной рефракцией называется явление искривления траекторий звуковых лучей в сторону дна под влиянием уменьшающейся скорости звука с глубиной.
Как показывает анализ лучевой картины (рис. 5), ни один луч, выходящий из источника, не попадает в зону за пределами луча 4, которая заштрихована. Эта зона называется зоной акустической тени, так как в нее не будет проникать звук независимо от мощности, направленности и ориентации излучателя. Область вокруг источника, где проходят звуковые лучи, называется ближней зоной акустической освещенности (БЗАО). Луч, касающийся поверхности и разграничивающий зону тени и БЗАО, называется граничным лучом. Рис. 5. Зона акустической тени
Следует отметить, что в зоне тени, несмотря на отсутствие прямых лучей, существует слабое звуковое поле, возникающее как из за дифракционных явлений, так и вследствие рассеяния звуковой энергии на случайных неоднородностях среды. Кроме того, в ряде случаев зона тени оказывается засвеченной лучами, отраженными от дна океана (явление донной подсветки). Условия отрицательной рефракции являются весьма неблагоприятными для работы многих акустических средств. Имеющая место зона тени и БЗАО существенно изменяют свою протяженность в зависимости от расположения источника звука.
Минимальные частоты, при которых лучевая трактовка остается еще допустимой, составляют в условиях холодных вод открытого океана (zгр ≈ 5 ∙ 103 м) единици герц; в мелководных северных морях (и в теплых водах глубокого океана) эти частоты повышаются до 100 150 Гц из за малости величин zгр. Таким образом, развиваемые ниже классические представления о лучевом распространении звука в области положительных приповерхностных градиентов справедливы, строго говоря, лишь в узком диапазоне частот. Сверху этот диапазон ограничивается эффектами затенения и интенсивного рассеяния на взволнованной поверхности океана, снизу—сопоставимостью длины акустической волны и глубины простирания области положительных градиентов.
Типичная для рассматриваемого приведена на рис. 6 (правая часть). случая лучевая картина Рис. 6. ВРСЗ (а) и лучевая картина (б) в условиях приповерхностного звукового канала и слоя скачка
Предполагается, что источник расположен у поверхности. В левой части рисунка приведено ВРСЗ. Луч 3 в данном случае является граничным лучом, испытывающим ПВО (полное внутреннее отражение) на границе области водных масс с положительным градиентом. Остальное семейство лучей с углами скольжения больше, чем у луча 3, не удерживается в приповерхностном слое, называемом приповерхностным звуковым каналом (ППЗК). В ППЗК в отличие от отрицательной рефракции нет зоны тени и приемник принимает устойчивый сигнал даже при большом удалении от излучателя. На любом расстоянии от источника лучи, испытывающие ПВО в ППЗК, остаются в интервале глубин от 0 до zm. В горизонтальном направлении расхождение лучей остается таким же, как в однородной среде, и соответствует сферическому закону. На большом удалении от источника можно считать, что интенсивность звука убывает обратно пропорционально расстоянию, а не квадрату расстояния, как в однородной среде. Такой закон убывания интенсивности звука называется цилиндрическим, и он присущ канальным условиям дальнего распространения звука в океане.
Участок луча между двумя последовательными выходами к поверхности называется циклом. Горизонтальная длина цикла зависит от угла выхода луча из источника θо. В пределах приповерхностного какала ВРСЗ описывается выражением c = с0 (1 + az), где z – текущее значение глубины в ППЗК; с0 – значение скорости звука у поверхности; a = Gc/c 0 – относительный градиент; Gc = ∆c/∆z – вертикальный градиент скорости звука; ∆с – перепад скорости звука в слое. Если приемник расположен вблизи поверхности океана и удален от источника на горизонтальное расстояние r, то в точку наблюдения придут только те лучи, длина одного цикла которых укладывается целое число раз в расстоянии r.
Минимальное число циклов имеют лучи, которые претерпевают ПВО у нижней границы ППЗК. Эти лучи выходят из источника под наибольшими углами. Максимальное число циклов совершают те лучи, которые выходят из источника под углом, близким к нулю. На больших расстояниях от источника усредненный закон спадания интенсивности звука в ППЗК— цилиндрический. Приповерхностный канал обладает нижней граничной частотой, при которой распространение звука еще сохраняет свой волноводный характер. Кроме того, условия волноводного распространения определяются также углом, под которым луч выходит из источника.
Максимальная длина волны, каналом, определяется выражением удерживаемая λmax = 8, 53 · 10 -3 · z 3/2 m, где λ – длина волны, м; zm – толщина слоя, м.
Слоем скачка скорости звука называется слой водных масс, в котором градиент скорости звука по абсолютной величине много больше, чем в выше и ниже лежащих слоях воды. В умеренных широтах имеется сезонный ССК, который возникает весной и исчезает осенью. Слой скачка оказывает экранирующее (ослабляющее) действие на акустическое поле. Наибольший экранирующий эффект будет наблюдаться при смене знаков градиентов с положительного на отрицательный (см. рис. 6). Из рисунка видно, что лучи, выходящие вверх, и часть лучей (1— 3), испытывающих ПВО на горизонте ССК (ГССК), распространяются аналогично рассматриваемому ранее ППЗК. Отличие состоит в том, что граничный луч 3 расщепляется на ГССК па два луча —луч 3΄ и 3" и тем самым определяет БЗАО ниже слоя скачка.
Лучевые трубки под ССК расширяются, и это объединяет ослабление звука ССК, которое принято количественно оценивать с помощью коэффициента ослабления K = z 2/r 2 + 2Δс/с z 2/r 2 где с— скорость звука на горизонте источника; r—расстояние до слоя скачка.
Например, при z = 50 м, r = 2000 м, ∆с=50 м/с, с= 1, 5 ∙ 103 м/с коэффициент ослабления равен К =107 или 40, 6 д. Б. Ослабление звука слоем скачка относится лишь к области, лежащей в непосредственной близости к слою скачка. Эта область может также оцениваться с помощью фактора фокусировки.
Для глубоководных районов типичным является ВРСЗ, при котором минимум скорости звука расположен на некоторой глубине. Выше горизонта скорость звука возрастает в основном из-за повышения температуры, а ниже этого горизонта скорость звука возрастает из-за роста гидростатического давления. Если поместить источник звука на горизонт или вблизи него, то часть излучаемой энергии будет распространяться в слое, простирающемся от поверхности до горизонта, на котором скорость звука имеет такое же значение, как и на поверхности. Этот слой называют подводным звуковым каналом (ПЗК), а горизонт минимальной скорости звука осью ПЗК.
Основными характеристиками ПЗК являются глубина оси канала zm, ширина звукового канала zк, величина скорости звука у поверхности и на оси канала, а также ее перепад у дна и поверхности. Существуют две разновидности ПЗК, соответствующие двум различным соотношениям между значениями скорости звука у поверхности cо и дна cд. Случай, когда cо/cд< 1, изображен на рис. а. В менее глубоководных районах может встретиться обратное соотношение, т. е. cо/cд > 1. В этом случае ПЗК— это слой от дна до горизонта zк, на котором скорость звука равна cд (б). Иногда в океане образуется не один, а два подводных канала (в). Для образования более мелководного ПЗК необходимо существование ниже оси канала тепловых водных масс с повышенной соленостью. ПЗК такого типа называют термическим. В некоторых морях существует только термический ПЗК (например, в Балтийском и Черном морях).
Все лучи можно разделить на два класса. Первый класс — лучи, испытывающие ПВО в слое толщиной z. Крайними лучами этого класса являются верхний и нижний граничные лучи. Этот класс лучей называют канальными или водными лучами. Второй класс — лучи, вышедшие из источника под углами скольжения, большими, чем θгр. Эти лучи испытывают отражение от границ среды (дна и поверхности). Лучи, испытывающие отражение от дна, в энергетическом смысле малоэффективны (энергия теряется при отражении), поэтому на большие расстояния энергия переносится в основном лучами первого класса. Энергия концентрируется вдоль оси ПЗК.
С позиций лучевой акустики сверхдальнее распространение звука объясняется наличием определенной группы звуковых лучей, которые благодаря рефракции распространяются в ПЗК, не испытывая рассеяния и поглощения на поверхности и на дне океана. Наименьшим временем пробега в ПЗК обладает импульс, распространяющийся по лучу, для которого угол выхода из источника звука максимален. Чем больше пересечений оси канала делает луч, тем позже придет в точку приема бегущий по нему импульс. Последним придет импульс, распространяющийся по лучу, идущему по оси канала.
На небольших расстояниях, когда лучи испытали малое отражение от границ, за основным сигналом будет следовать «хвост» , обусловленный импульсами, пришедшими с отражением от дна и поверхности. Продолжительность основной части сигнала определяется разностью времени прихода последнего и первого импульсов, т. е. длительность основной части сигнала пропорциональна расстоянию. Характерными явлениями в ПЗК являются каустики и дальние зоны акустической освещенности (ДЗАО). Последние в литературе имеют также название зон конвергенции.
Каустикой называют огибающую точек схождения соседних лучей, характеризующую линию наибольшей интенсивности. Она представляет собой геометрическое место точек частичной фокусировки звука, интенсивность в котором определяется с помощью волновой теории.
Дальней зоной акустической освещенности принято называть пространственную область в толще воды, возникающую на значительном расстоянии от источника звука за счет выхода звуковых лучей на горизонт источника после полного внутреннего отражения в глубинных слоях ниже оси ПЗК. Для возникновения ДЗАО необходимо, прежде всего, чтобы источник и приемник находились в пределах ПЗК. Это означает, что для источника и приемника, расположенных на небольшой глубине, толщина слоя должна быть достаточной, чтобы обеспечивались рефракция глубинных лучей и их концентрация без отражений от дна.
Рис. Образование дальних зон акустической освещенности в условиях подводного звукового канала В благоприятных условиях на поверхности глубокого океана удавалось регистрировать до 10— 11 ДЗАО, чередующихся с зонами тени.
Конфигурация ДЗАО и зон тени постепенно с увеличением номера изменяется — горизонтальная протяженность ДЗАО возрастает, а протяженность и глубина зон тени сокращаются. В конце концов соседние ДЗАО начинают перекрываться и поверхностные воды оказываются сплошь засвечены звуковыми лучами. Общий характер вертикального разреза зональной структуры звукового поля схематично показан на рис. , где заштрихованные области соответствуют зонам тени, а белые — ДЗАО.
В типичных условиях открытого океана протяженность БЗАО составляет несколько километров. Первая ДЗАО имеет протяженность 10— 15 км и начинается на расстоянии 40— 60 км от источника. Расстояние до второй ДЗАО обычно 80— 120 км, а ее протяженность может достигать 20 км. Глубина первой зоны тени может достигать многих сотен метров, а глубина последующих зон тени уменьшается с ростом номера зоны.
Расстояние до n-й ДЗАО можно определить с помощью формулы Dn n. D 1 , (2. 6) где п—номер зоны; D 1 — расстояние до 1 -й ДЗАО. Протяженность п-й ДЗАО имеет вид ln nl 1 , где l 1 — протяженность 1 -й ДЗАО. (2. 7)
Скачать презентацию Учебные вопросы 1 Океаническая среда как канал передачи
Расспространение звуковых лучей.ppt