книги из ГПНТБ / Океанография и морская метеорология учебник

измерений, основанном на измерении частоты следова­ ния импульсов в электроакустическом кольце, которое представляет собой замкнутую цепь, состоящую из им­ пульсного генератора, двух акустических преобразова­ телей и блоков приемного тракта. После поступления на приемник импульс мгновенно включает излучатель, так что частоту следования импульсов можно опреде­ лить из выражения

всего в том, что зависимость скорости звука в морской воде и выходной частоты прибора не является строго линейной вследствие неизбежной временной задержки,

циальных измерителей приблизительно равна точности расчетов по наиболее точным эмпирическим формулам (средняя квадратическая ошибка т = ±0,2—0,4 м/с). Следует ожидать, что в ближайшем будущем точность определения скорости звука будет повышена на по­ рядок.

По формулам (3.58), (3.60) и другим, а также с по­ мощью измерителей определяют скорость звука в гори­ зонтальном направлении, принимая температуру и соле­ ность на данной глубине неизменными. При использо­ вании эхолотов и эхоледомеров необходимо определить

120

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:

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

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.

Величину критического угла Ѳо можно определить, пола­

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

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.

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

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

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

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

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

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