книги из ГПНТБ / Прохоров, Е. С. Звуковая сигнализация судов на реках и водохранилищах учеб. пособие для студентов-судоводителей и плавсостава

10°, а для звуков более высокой частоты они имеют большую ве­ личину. При этом следует учитывать, что возможны случаи, когда сигнал, подаваемый обгоняющим судном, из-за наличия дифрак­ ции и отражений, может казаться приходящим спереди. Более точно направление на источник можно определить, используя при­ бор, искусственно увеличивающий базу между ушами.

Ухо способно также оценивать расстояние до источника звука. Это связано с уменьшением кривизны волнового фронта и интен­ сивности высокочастотных составляющих в спектре сигнала по мере удаления от источника звука.

Оценка местоположения источника звука имеет субъективный характер и существенно зависит от опыта и тренированности на­ блюдателя.

РА СП РО СТ РА Н ЕН И Е ЗВУКА В П РИ ВОДН ОМ СЛ О Е

АТМ ОСФ ЕРЫ

Дальность действия звуковой сигнализации сильно зависит от состояния приводного слоя атмосферы. Этот слой отличается по­ вышенной нестабильностью. Учесть все факторы, влияющие на ослабление звука в приводном слое чрезвычайно трудно, вследст­ вие чего данные, приводимые разными авторами по дальности слышимости сигналов, сильно отличаются друг от друга.

Ослабление звука в атмосфере определяется следующими при­ чинами: рефракцией звуковых лучей под действием градиентов скорости ветра и температуры, сферическим расхождением волн, рассеянием звуковой энергии на турбулентных пульсациях и других неоднородностях среды (капли воды, снег, пыль), погло­ щением звука за счет вязкости и теплопроводности среды, а так­ же молекулярным поглощением.

Рефракция звука под действием ветра и температуры

Наибольшее влияние на распространение звука оказывает ве­ тер. В приводном (приземном) слое атмосферы, т. е. до высот порядка десятков—сотен метров, скорость ветра, как правило, возрастает с высотой. Такое изменение скорости ветра с высотой объясняется трением воздушного потока о подстилающую поверх­ ность.

Поскольку скорость звука геометрически суммируется со ско­ ростью ветра, то при распространении сигнала по ветру скорость ветра прибавляется к скорости звука, при распространении про­ тив ветра—вычитается. Таким образом, когда звук идет по ветру, скорость звука возрастает с высотой. Вследствие этого звуковые лучи, распространяющиеся по ветру, будут загибаться книзу, уве­ личивая дальность слышимости, а лучи, идущие против ветра,

19

отклоняются кверху, уменьшая дальность действия сигнала. В по­ следнем случае может образоваться область звуковой тени, 'куда звуковые лучи не попадают совсем (рис. 4). Расстояние до обла­ сти тени возрастает с увеличением высоты источника и приемни­ ка звука над водой и с уменьшением градиента скорости ветра. Кроме того, оно существенно зависит и от угла между направле­ нием распространения звука и направлением ветра.

/Направление и

чтобы увеличить дальность действия звуковой сигнализации, не­ обходимо располагать источник и приемник звука как можно вы­ ше.

В реальных условиях резкой границы области тени не наблю­ дается, так как вследствие дифракции и отражения от воды, а также рассеяния энергии на турбулентных пульсациях звук в нее все же попадает. Примеры спада уровня силы звука сигналов судов с расстоянием для различных скоростей ветра при распро­ странении сигнала по ветру и против ветра приведены, па рис. 5. Именно из-за влияния рефракции кривые против ветра идут зна­ чительно круче, чем по ветру. Особенно хорошо это видно присравнении кривых 1 и Г , 2 и 2', снятых в каждом случае с одним и тем же источником и в одинаковых условиях.

Кривые спада уровня силы звука позволяют определять рас­ стояния, на которых может быть слышен сигнал. Например, при уровне помех 75 дб по кривым 2 и 2' .видно, что указанный уро­ вень звуковой сигнал имеет по ветру на расстоянии 1100 м, а про-

20

тив—500 ж. Указанные расстояния и определяют дальность слы­ шимости сигнала по ветру и против ветра при условиях, в кото­ рых снимались кривые спада.

На практике часто требуется знать уровень силы звука сигна­ ла под другими углами к направлению ветра. Эксперименты по­ казали, что уровни силы звука, измеренные в точках, расположен­ ных на одинаковом расстоянии вокруг источника, в первом при­

РисДб.’ Диаграмма распределения уровня --силы звука при ветре 10 м\сек на расстоя­ нии 750 м от источника звука.а’Направление ветра указано стрелкой. Точка И — местонахождение источника звука. Точка

О — центр окружности

круговая диаграмма, снятая на расстоянии 750 ж от источника при ветре 10 ж/сек. Уровень силы звука под каким-либо углом к направлению ветра определяется по отрезку прямой, соединяюще­ му источник с соответствующей точкой на окружности. Например,

с центром в источнике и радиусом, равном уровню помех.в ме­ сте приема сигнала, то по диаграмме можно будет судить, под какими углами к источнику звука сигнал будет слышен, а под ка­ кими нет. На рис. 6 пунктиром проведена окружность, соответст­ вующая уровню помех 65 дб. Для всех направлений, заключен-

22

В приводном слое могут наблюдаться вертикальные градиёнты температуры, достигающие нескольких градусов на 10 м. Та­ кие градиенты могут возникать при отсутствии ветра, когда'тем­ пература воды значительно выше температуры воздуха над ее по­

медленнее воздуха. При мощных инверсиях звуковые лучи, выхо­ дящие из источника под небольшими углами к горизонту, будут отклоняться к водной поверхности, затем после подъема, снова возвращаться к воде. Процесс этот может повторяться (рис. 7,6). Пространство, в котором происходит распространение звука в этих условиях, называется волноводным каналом. Дальность дей­ ствия звуковой сигнализации при этом может быть очень большой.

Совместное действие градиентов скорости ветра и температу­ ры приводит к значительным вариациям ослабления силы звука сигналов с расстоянием. Ввиду того, что влияние градиента ветра сильнее, чем гр'адиеита температуры, при возрастании температу­ ры с высотой область тени при распространении звука против ветра все же сохраняется, но уровень силы звука в этом случае обычно спадает медленнее. В этом отношении характерна кривая

4 на рис. 5. Она снята весной при температуре воды 1°С и при наличии температурной инверсии в нижнем слое воздуха. -При от­ сутствии инверсйи кривыеспада при таком же ветре идут ближе к кривой 2' и могут быть даже круче' ее._По ветру оба градиента увеличивают дальность слышимости сигнала.

При понижении температуры с высотой и распространении звука против ветра действие градиентов температуры и ветра суммируются и акустическая тень образуется особенно близко от источника. Кривая 5 на рис. 5 дает пример особенно сильной ре­ фракции в направлении против ветра. При распространении зву­ ка по ветру тени и в этом случае, как правило, не образуется.

21

Сферическое расхождение фронта волны

Звукосигнальные средства судов можно рассматривать как точечные источники, а волны, излучаемые ими, считать сфериче­ скими. Распространение сферической волны сопровождается, по­ стоянным увеличением поверхности фронта волны, при этом коле­ бания, вызванные источником звука, передаются все возрастаю­ щей массе воздуха. Интенсивность в такой волне убывает обрат­ но пропорционально квадрату расстояния от источника. Из-за сферического расхождения фронта волны уровень силы звука убывает на 6 до при удвоении расстояния или на 20 дб при уве­ личении расстояния в 10 раз. Этим объясняется резкий спад уров­ ня силы звука при увеличении расстояния вблизи источника

(рис. 5).

Сферическое распространение может нарушиться за счет ре­ фракции и наличия отражений от берегов и воды. Так, из-за на­ личия градиента скорости ветра волна, распространяющаяся по ветру, может перейти из сферической в цилиндрическую и далее в плоскую. При этом интенсивность звука будет убывать с рас­ стоянием медленнее, чем в сферической волне. Температурная инверсия также уменьшает область сферического распростране­ ния звука.

Отраженные волны дают заметный вклад в интенсивность зву­ ка в месте приема, если их уровень силы звука . отличается от уровня звука сигнала, пришедшего непосредственно от источника, не более чем на 10 дб. Это наблюдается, когда поверхности бере­ гов, расположенных вблизи судового хода, являются хорошо от­ ражающими или фокусирующими звук в сторону фарватера, а ослабление звука в атмосфере не очень велико. Подобные усло­ вия имеют место на некоторых участках рек со скальными бере­ гами (Лена, Енисей, Чусовая, Вишера). На реках с высокими бе­ регами сферическое распространение звука при отсутствии ветра, как правило, заканчивается на расстояниях, меньших 500 м, в то Бремя как на реках с низкими берегами—около 1 км. Это одна из причин большей дальности слышимости на реках с высокими бе­ регами.

Другой причиной большей дальности действия звуковой сигна­ лизации в условиях возвышенных берегов является, характер ме­ теоусловий над рекой. Во-первых, ветры, дующие поперек реки, ослабляются берегами. Во-вторых, ветры имеют меньший верти­ кальный градиент скорости и саму скорость из-за торможения потока берегами. В-третьих, днем в этих условиях чаще наблю­ даются температурные инверсии из-за сильного прогрева берегов.

Эксперименты по измерению спада уровня силы звука с рас­ стоянием над водной поверхностью показали, что спад уровня силы звука с расстоянием в расчете на единицу длины изменяет­ ся. обычно до расстояний 0,5— 1 км, а далее, как правило, спад на

35

единицу длины остается постоянным и кривая спада переходит в прямую.

Исходя из наличия двух участков па кривых спада, для опре­ деления дальности действия звуковой сигнализации удобно поль­ зоваться двумя коэффициентами ослабления звука: на первом километре и на втором и последующих. Они могут быть получе­ ны изкривых спада уровня силы звука с расстоянием, причем па первом километре коэффициент принимается равным разности уровня силы звука на 10 м и 1 км, на втором и последующих ки­ лометрах коэффициент ослабления определяется по наклону пря­ молинейного участка кривой спада.

На распространение звука оказывает влияние наличие отра­ жений от воды. Для звуковых колебаний спокойная вода пред­ ставляет собой хорошую отражающую-поверхность. Так как угол полного внутреннего отражения при падении луча из воздуха па воду равен 13°, то уже на небольших расстояниях от источника (несколько метров) углы падения оказываются больше предель­ ного, и поверхность воды можно считать идеальной отражающей плоскостью. Действие поверхности воды в этом случае можно за­ менить действием мнимого источника, который излучает сфериче­ ские волны в фазе с источником звука. Уровень силы звука в ме­ сте приема при этом повышается в среднем на 3 до, по сравне­ нию с тем случаем, когда зеркального отражения не наблюдает­ ся. Зеркальное отражение нарушается, если размеры волн на во­ де будут больше или сравнимы с длиной звуковой волны. Для ча­ стот ниже 300 Гц отражение сохраняется зеркальным, пока высо­ та волн не превышает примерно 20 см, в то время как для частот выше 800 Гц зеркальное отражение нарушается уже при легком волнении.

Ослабление звука в атмосфере

Распространение звука сопровождается поглощением звуковой энергии. Поглощение звуковой энергии обусловлено вязкостью и теплопроводностью воздуха (классическое поглощение) и перехо­ дом энергии звуковой волны в энергию внутримолекулярных дви­ жений (молекулярное поглощение). Коэффициенты классического и молекулярного поглощения пропорциональны квадрату часто­ ты звуковых колебаний, причем молекулярное поглощение значи­ тельно больше классического, и именно оно определяет поглоще­ ние звука в воздухе. Молекулярное поглощение существенным об­ разом зависит от количества водяного пара, содержащегося в воздухе,, и определяется, главным образом, столкновениями моле­ кул-кислорода с молекулами водяного пара.

С увеличением относительной влажности коэффициент моле­ кулярного поглощения для частот, используемых в звуковой сиг­ нализации, сначала резко возрастает, достигая максимума при

26

\

5— 15% относительной влажности (такие влажности могут встре­ чаться на реках, протекающих в пустынных и засушливых райо­ нах, например, на Амударье), затем быстро спадает и для влаж­ ностей, больших 40%, практически остается постоянным.

На рис. 8 приведены графики, показывающие, как изменяется коэффициент молекулярного поглощения для звуковых колебаний различных частот в зависимости от'относительной влажности воз­ духа. Из рисунка видно, что с ростом частоты звуковых колебаний коэффициент поглощения увеличивается. Например, при 20°С и от­ носительной влажности 60% для частот 125 и 2000 Гц имеем соот­ ветственно 0,3 и 11 дб/км. При-заданной частоте и влажности су­ ществует температура, дающая максимальное поглощение. Для воздуха, влажность которого более 40%, коэффициент молекуляр­ ного поглощения для положительных температур практически не зависит от температуры. Коэффициенты поглощения, определен­ ные из приведенных графиков, показывают вклад молекулярного поглощения в общее ослабление звука.

В реальных условиях оценить влияние одной только влажно­ сти очень трудно, так как обычно даже при отсутствии ветра ска­ зывается влияние термической турбулентности, обусловленной неравномерным нагревом различных участков подстилающей по­

27

верхности, и влияние рефракции звука. Так, низкая относитель­ ная влажность обычно наблюдается днем, в ясную солнечную по­ году, т. е. при сильно развитой термической турбулентности и уменьшении температуры с высотой, а высокая относительная влажность—вечером и ночью, когда термическая турбулентность развита слабее и часто наблюдаются температурные инверсии, увеличивающие дальность действия -звуковой сигнализации. Вследствие этого коэффициенты поглощения (для частот, исполь­ зуемых в звуковой сигнализации), снятые в реальных условиях, значительно превышают коэффициенты молекулярного поглоще­ ния особенно при влажности ниже 80—90%, а уменьшение коэф­ фициентов поглощения с увеличением влажности выражено более заметно.

В качестве примера на рис. 9 представлены результаты измере­ ний ослабления звукового сигнала в октаве 500 Гц в зависимости от относительной влажности. Измерения проводились летом на Енисее при отсутствии ветра.

турбулентности. Воздушный поток при ветре всегда имеет турбу­ лентный характер. В нем непрерывно возникают и распадаются вихри разнообразных размеров, движущиеся с общим потоком и создающие беспорядочные пульсации скорости, 'температуры, дав-- ления и плотности среды. Размеры вихрей изменяются от не­ скольких километров до долей сантиметра, причем крупные вихри

28