книги из ГПНТБ / Океанография и морская метеорология учебник

Тогда

где <7 ь <7г и <7з — составляющие приращения удельной остаточной плавучести подводной лодки за счет измене­ ния с глубиной плотности, температуры воды и гидро­ статического давления соответстйенно.

Рис. 17. Изменение параметров внешней среды при погруже­ нии подводной лодки под слой скачка

Так как в слое скачка плотность воды резко возра­ стает, температура обычно убывает, а гидростатическое

всегда отрицательным. Поэтому знак и величина q, а следовательно, и поведение подводной лодки при погру­ жении определяются знаками и величинами входящих в формулу (3.49) слагаемых приращений qь <72 и q^.

На рис. 18 приведен типичный для слоя скачка гра­ фик распределения q по глубине. Нетрудно видеть, что начиная с глубины Zj до глубины Z2 подводная лодка

ПО

I

будет встречать всевозрастающее положительное при­ ращение остаточной плавучести. Чтобы погрузиться под слой скачка, подводной лодке необходимо его преодо­ леть. На больших скоростях это достигается с помощью хода и дифферента. На малых ходах или без хода для погружения под слой скачка подводной лодке необхо­ димо изменить свой вес принятием некоторого балла­

почти нейтрально, имея нулевую или слабую отрица­ тельную плавучесть) без хода, как на грунте («жидкий грунт»).

Основными элементами «жидкого грунта» являются

(рис. 18):

Zi — глубина залегания его верхней границы, соответствующая значению <7 = 0;

Z2 — глубина залегания его нижней границы, соответствующая значению <7тах;

(Z2 — Z x) — мощность «жидкого грунта»; <7 тах — его интенсивность.

Для случая всплытия подводной лодки глубина Z2 будет являться верхней, а глубина Z$ — нижней грани­ цей «жидкого грунта».

111

§ 12. АКУСТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МОРСКОЙ ВОДЫ

Способность морской воды хорошо проводить звуко­

в воду один конец длинной трубки, а другой приставите к уху, то вы услышите шум кораблей, находящихся на большом расстоянии от вас».

Именно то обстоятельство, что при определенных условиях звук в океане распространяется лучше, чем в воздухе, привело к возникновению самостоятельной на­

и приема акустической энергии в океане.

Решающим толчком к развитию гидроакустики яви­ лось появление подводных лодок, обладающих качест­ венно новым тактическим свойством — скрытностью. При изыскании средств борьбы с подводными лодками было установлено, что наибольшей эффективностью должны обладать гидроакустические средства в силу того, что звуковая энергия, по существу, является единственной формой энергии, хорошо распространяющейся в океане на большие глубины и на громадные расстояния.

В современных условиях успешные действия подвод­ ных лодок и организация эффективной противолодочной обороны невозможны без широкого использования раз­ нообразных гидроакустических средств. Следует, одна­ ко, отметить, что успешное применение методов гидро­ акустических измерений возможно лишь при учете сложных законов распространения звука в морской воде, в связи с чем гидроакустические исследования в целях навигационно-гидрографического и гидрометеоро­ логического обеспечения ВМФ являются одной из важ­ нейших задач современной океанографии. Гидроакусти­ ка базируется на выводах общей акустики и учения о колебаниях и волнах, в развитии которых выдающаяся роль принадлежит русским ученым и инженерам. Зна­ чительный вклад в теорию и практику гидроакустики внесли советские ученые Н. Н. Андреев, С. Н. Ржевкин, Л. М. Бреховских, В. Н. Тюлин, А. А. Харкевич, Л. Я. Гутин, И. И. Клюкин, Б. Н. Кудревич, В. С. Анастасевич,

112

Л. Д. Розенберг, Ю. М. Сухаревский, А. Г. Федосеев, А. П. Сташкевич и др.

Гидроакустическое поле. Единицы, принятые для из­ мерения его характеристик. Гидроакустическим полем называется пространство, в котором распространяются акустические волны. Акустические волны — это упругие волны, представляющие собой периодические сжатия и разрежения материальных частиц среды (воды). При распространении акустической волны частицы совер­ шают колебания около некоторого положения равнове­ сия. Различают два типа акустических волн — продоль­ ные и поперечные. В воде и воздухе распространяются в основном продольные акустические волны, в которых смещения частиц параллельны направлению распро­ странения волн.

Акустическое поле считается полностью определен­ ным, если для каждой его точки в каждый данный мо­ мент времени известны волновое сопротивление среды и одна из величин: смещение колеблющейся частицы, скорость смещения, акустическое давление или интен­ сивность звука.

Скорость, с которой происходит колебание частиц среды в акустическом поле, т. е. производная смещения

Необходимо провести четкое различие между движе­ нием материальной точки с очень малой амплитудой и движением возмущения. Эти' движения весьма различ­ ны и характеризуются двумя различными по своей при­ роде скоростями: первое — колебательной скоростью £', второе — скоростью передачи колебательного состояния, которая называется скоростью распространения звука, обозначается символом С и измеряется в м/с.

Акустическое давление — важнейшая характеристика акустического поля. Обозначим гидростатическое давле­ ние в среде через р. Тогда в зоне сжатия давление дол­

щееся на значительно большее по величине гидростати­ ческое давление. Акустическое давление в гидроакусти­

в акустическом поле, гидроакустиков интересует еще один вопрос, непосредственно связанный с дальностью действия гидроакустических средств,— какова величина энергии или мощности, которая расходуется при распро­ странении волны?

Количество энергии, переносимое акустической вол­ ной в единицу времени через единицу поверхности, пер­ пендикулярной к направлению распространения акусти­ ческих колебаний, называют интенсивностью (или си­ лой) звука и обозначают символом /. Интенсивность звука (в системе CGS) измеряют в эрг/(см2*с).

Как указывалось выше, при характеристике акусти­ ческого поля можно пользоваться любой из перечислен­ ных величин: £, £', Р или /, связанных между собой функциональными зависимостями, однако в качестве главного параметра акустического поля чаще исполь­ зуют акустическое давление Р или интенсивность зву­ ка I.

Интенсивность звука связана со звуковым давлением следующей формулой общей акустики:

щения материальных точек среды за один полный период колебания;

114

справедливы для плоских волн при гармоническом ко­ лебательном процессе, однако они могут быть распро­ странены и на волны с иной формой волновой поверх­ ности (сферические или цилиндрические), но при усло­ вии, что рассматриваемые точки акустического поля на­ ходятся от источника акустических волн на расстояниях, много больших, чем длина акустических волн X. На та­ ких расстояниях любая акустическая волна имеет пло­ скую структуру.

В гидроакустике оказалось удобным ввести относи­ тельные единицы — белы (Б) для измерения уровня акустического давления или интенсивности акустиче­ ского поля.

Бел ( Б ) — разность уровней двух таких интенсивно­ стей звуков, один из которых обладает силой в 10 раз большей чем другой. Или: бел — это разность уровней двух таких интенсивностей звуков, десятичный логарифм отношения которых равен единице, т. е.

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