книги из ГПНТБ / Егоров Н.И. Физическая океанография

Зона, находящаяся за предельным лучом, который испытывает полное внутреннее отражение у самой поверхности моря, представ­ ляет зону акустической тени, так как все лучи, испытывающие ре­ фракцию до отражения от дна, проходят левее заштрихованной зоны, ограниченной предельным лучом.

В зоне тени распространение звука может происходить за счет дифракции (аналогично дифракции света), отражения от дна лучей III группы и за счет лучей I группы, траектории которых показаны на рис. 6.4 пунктиром.

Рис. 6.4. Отрицательная рефракция (тип II).

В зоне тени по мере удаления от ее границы интенсивность звука убывает очень быстро. Это убывание может быть рассчитано по формулам:

/ я = / д,- ~ - е - А(Я- 'Ч

Л = — o’Af'A,

191

на горизонтальное расстояние Ro\ с0— скорость звука на глубине излучателя; сгс — градиент скорости звука; / — частота колебаний.

Эта формула определяет убывание интенсивности звука за счет дифракции при отсутствии отражений от дна и поверхности моря и постоянстве вертикального градиента скорости звука.

Отражение от дна связано с потерей энергии звука. Эти потери могут быть определены через коэффициент отражения от дна k0д, определяемый формулой

,/од

где /,,д — энергия, отраженная от дна; / — энергия, падающая на грунт дна.

Величина коэффициента отражения от дна зависит от характера грунта (размеров частиц грунта, его плотности) и угла падения (скольжения) лучей на грунт, отсчитываемого от горизонтальной

плоскости.

При углах скольжения, близких к нулю, значения коэффици­ ента отражения более 0,8. С увеличением углов скольжения до 20— 30° отмечается сильное уменьшение коэффициента отражения по интенсивности. Так, например, при углах скольжения более 30° ко­ эффициент отражения по интенсивности составляет 10—20%, только для ровного песчаного грунта коэффициент отражения по ин­ тенсивности может достигать 0,2—0,3 (20—30%).

Лучи, отраженные от дна, могут в последующем претерпевать полное внутреннее отражение, не достигая поверхности моря (лучи III группы), или отражаться от поверхности моря (лучи I группы) и, вновь достигнув дна, вторично отражаться от него. В этом случае ослабление потери энергии в отражаемых от дна лучах будет зави­ сеть также от числа отражений от дна. При я-кратном отражении

с увеличением числа отражений.

Изменение положительной рефракции в верхнем слое на от­ рицательную в нижележащих слоях (тип III). Этот тип рефрак­ ции наблюдается при возрастании скорости звука в поверхностном слое и ее убывании от нижней границы этого слоя до дна. Такой характер вертикального распределения скорости звука чаще всего связан с наличием изотермии в поверхностных слоях, при которой за счет влияния давления на скорость звука отмечается в этих слоях воды положительный градиент скорости звука.

Условия распространения звука при типе III зависят от поло­ жения источника звука: находится ли он в поверхностном изотерми­ ческом слое или ниже его.

При нахождении источника звука в поверхностном изотермиче­ ском слое распространение звука в этом слое (рис. 6.5 а) происхо-

192

дит за счет многократного отражения лучей от поверхности моря при их полном внутреннем отражении в пределах изотермического слоя (лучи II группы). При достаточной толщине изотермического слоя hz возникает своеобразный приповерхностный звуковой канал.

Это явление, именуемое «эффектом приповерхностного звуко­ вого канала», зависит от рабочих частот станций /, величины пере-

Рис. 6.5. Изменение положительной рефракции в верхнем слое на отрицательную в нижнем (тип III).

пада скоростей звука на нижней и верхней границах изотермиче­ ского слоя Ас, и может наблюдаться при толще этого слоя hz больше критического значения hK, определяемого формулой

. 51 Лк= ---- •

/УДс

На нижней границе изотермического слоя, являющейся и ниж­ ней границей приповерхностного канала, происходит явление «рас­ щепления» звукового луча, испытывающего полное внутреннее от­ ражение на этой границе. Как видно на рис. 6.5 а, этот луч, выйдя из излучателя и дойдя до слоя полного внутреннего отражения,

раздваивается. Верхняя его половина изгибается к поверхности моря, а нижняя — ко дну, образуя зону тени (на рис. 6.5 а она заштрихо­ вана), аналогичную зоне тени при отрицательном типе рефракции. В этой зоне распространение звука может происходить за счет ди­ фракции и лучей, отраженных от дна, то есть лучей I и III групп.

Всвязи с тем, что при III типе рефракции зона тени не доходит до поверхности моря, а также в связи с дифракцией лучей из зоны приповерхностного канала в зону тени, ослабление энергии в ней происходит медленнее, чем при отрицательном типе рефракции. По­ этому отмеченную на рис. 6.5 а зону тени называют зоной полутени.

Суменьшением толщины изотермического слоя, а также с умень­ шением изменения по вертикали скорости звука в приповерхностном слое эффект приповерхностного канала будет исчезать. При посто­ янстве скорости звука в поверхностном слое (рис. 6.5 6) распрост­ ранение звука на дальние расстояния будет происходить только за счет лучей, отраженных от поверхности моря и дна (лучи I группы).

Вприлегающей к излучателю зоне распространение звука будет

происходить в поверхностном слое, как в непереслоенной среде, с преломлением лучей и их отрицательной рефракцией при пере­ ходе в нижележащие слои. Дальность действия гидроакустических средств в этом случае будет меньше, чем при положительном гра­ диенте скорости звука в поверхностном слое (рис. 6.5 а).

При нахождении излучателя ниже изотермического слоя (рис. 6.5 в) отмечаются рефракционные ограничения во всей толще воды. Граница зоны тени будет создаваться лучом, претерпевающим «расщепление» на нижней границе изотермического слоя. Верхняя половина луча, изгибаясь к поверхности моря, отражается от нее и следует ко дну, ограничивая зону тени. В зоне тени распростране­ ние энергии будет происходить за счет лучей I группы, испытываю­ щих многократное отражение от поверхности моря и дна (пунктир­ ные лучи), а ослабление звуковой энергии будет происходить столь же интенсивно, как и при отрицательной рефракции.

Подводный звуковой канал (тип IV) можно определить как слой в толще воды, в пределах которого звуковые лучи распростра­ няются, испытывая многократное внутреннее отражение. При этом звуковая энергия концентрируется вдоль оси канала, что создает условия сверхдальнего распространения звука, открывающие боль­ шие возможности подводной связи и кораблевождению.

Для возникновения подводного звукового канала необходимо такое распределение скорости звука, при котором на некоторой глу­ бине отмечается минимум скорости. Слой с минимальной скоростью звука называется ос ь ю п о д в о д н о г о з в у к о в о г о к а н а л а . Если излучатель помещен на оси звукового канала, звуковой луч, вышедший из излучателя в сторону поверхности моря, будет опи­ сывать параболическую кривую, обращенную своей выпуклостью к поверхности (отрицательная рефракция). Испытав полное вну­ треннее отражение, луч достигнет оси канала, ниже которой закон изменения скорости с глубиной обратный (скорость с глубиной ра­ стет— положительная рефракция). Траектория звукового луча изо­

194

гнется выпуклостью ко дну, и луч, вновь испытав полное внутреннее отражение, достигнет оси канала. Далее картина будет повторяться. Аналогично будут вести себя и звуковые лучи, вышедшие из излуча­ теля в сторону дна.

В зоне подводного звукового канала отмечаются весьма боль­ шие дальности распространения звука. Так, например, по наблюде­ ниям в Атлантическом океане взрыв бомбы весом 0,25 кг хорошо прослушивался на расстоянии около 1500 км, а бомбы весом 2,7 кг — на расстоянии до 5750 км.

Основной группой лучей при распространении звука в подвод­ ном звуковом канале являются лучи IV-й группы, испытывающие

Рис. 6.6. Подводный звуковой канал (тип IV).

полное внутреннее отражение, не достигая ни поверхности моря, ни дна. Одновременно наблюдаются и другие типы лучей. Лучи 1группы отмечаются при любом типе подводного звукового канала. Лучи II группы наблюдаются в случае подводного звукового канала пер­ вого рода, когда скорость звука на поверхности моря меньше, чем

(рис. 6.6 б ).

Границами канала первого рода служат поверхность моря и го­ ризонт ниже оси канала, на котором скорость звука равна скорости звука на поверхности моря. Для канала второго рода границами служат дно моря и горизонт выше оси канала, на котором скорость звука равна скорости звука у дна.

Наибольшие дальности действия гидроакустических систем при наличии подводного звукового канала отмечаются тогда, когда из­ лучатель и приемник находятся на оси канала.

С удалением излучателя и приемника от оси канала дальность действия гидроакустических систем уменьшается вследствие более интенсивного ослабления звука с расстоянием и появлением ре­ фракционных ограничений.

При расположении излучателя на оси канала затухание интен­ сивности импульсного сигнала происходит по закону плоской волны, т. е. обратно пропорционально расстоянию. Однако этот закон со­ храняется в общем случае до определенного расстояния RKр от из­ лучателя, определяемого формулой

. 9с0т0

где т0 — длительность излученного импульса; ag— угол выхода из излучателя луча, испытывающего полное внутреннее отражение на границе канала; с0— скорость звука на оси канала; /?кр представ­ ляет собой расстояние, на котором время опережения импульса равно его длительности.

К точке приема сигнала приходят звуковые лучи, прошедшие различными траекториями, и, налагаясь, создают усиление им­ пульса. Наименьший путь проходят лучи, распространяющиеся не­ посредственно вдоль оси канала, т. е. лучи, выходящие из излуча­ теля под нулевыми углами скольжения. Необходимое время пробега этих лучей наибольшее, так как скорость на оси канала наимень­ шая, а их интенсивность наибольшая. С увеличением углов сколь­ жения лучей, выходящих из излучателя, проходимый ими путь воз­ растает, но благодаря тому, что они распространяются в слоях с большей скоростью, время их пробега сокращается, а интенсив­ ность уменьшается. Поэтому в какой-либо фиксированной точке на оси канала будет регистрироваться нарастающий по времени им­ пульс с размытым передним фронтом и резко спадающим задним фронтом, как это отчетливо видно на рис. 6.7 для сигналов, заре­ гистрированных на расстояниях в 10 (рис. 6.7 а) и 95 (рис. 6.7 б) миль от излучателя. С увеличением расстояния от излучателя зад­ ний фронт размывается, а передний становится более крутым, что видно на рис. 6.7 для расстояний 195 (рис. 6.7б), 240 (рис. 6.7г)

и 320 (рис. 6.7 д) миль.

Одновременно с размыванием заднего фронта импульса с уве­ личением расстояния от излучателя сигнал растягивается по вре­ мени, т. е. увеличивается промежуток времени между первым и по­ следним зарегистрированными сигналами, пришедшими по различ­ ным траекториям, называемый временем опережения. В табл. 26

приведено время опережения в секундах для лучей, вышедших под углом скольжения а относительно луча, распространяющегося вдоль оси канала для различных расстояний от излучателя.

Данные таблицы показывают, что время опережения может до­ стигать нескольких десятков секунд и в несколько раз превышать время импульса сигнала.

Величина RKp определяет расстояние, на котором длительность импульса равна времени опережения. На расстояниях больше Rkp

19G

Время опережения звукового сигнала (с)

Расстояние, км

«°

вследствие большой растяжки сигнала по времени наложения им­ пульсов, пришедших по различным траекториям, происходить не будет и каждый сигнал будет регистрироваться отдельно. Вследст­ вие этого пик сигнала будет уменьшаться и ослабление интенсивно­ сти звука будет происходить быстрее — но закону сферической волны, т. е. обратно пропорционально квадрату расстояния.

С подводным звуковым каналом связано образование зон с х о ­ ди м о с т и , называемых вторичными (дальними) рефракционными зонами. Это явление отмечается в канале первого типа при располо­ жении излучателя выше оси канала. Зоны сходимости представляют зоны выхода звуковых лучей к поверхности моря после их рефракции в подводном звуковом канале. Они наблюдаются на

197

расстояниях в несколько десятков км от излучателя за зоной зву­ ковой тени, вызванной отрицательной рефракцией в слое, распо­ ложенном выше оси канала.

Механизм образования этих зон нетрудно объяснить на основе построения рефракционной картины, руководствуясь формулой (6.6). Такая картина представлена на рис. 6.6 а. Как видно на ри­ сунке, образование зоны сходимости обусловлено рефракцией зву­ ковых лучей в зоне канала. Ширина этой зоны на поверхности моря ограничивается лучами, претерпевающими полное внутреннее отра­ жение на нижней границе подводного звукового канала (луч 2) и у дна (луч 3). Луч 1, показанный на рисунке, ограничивает даль­ ность распространения звука при отсутствии зоны сходимости. Ме­

жду этим лучом и лучом 2 располага­ ется зона акустической тени.

Зоны сходимости позволяют увели­ чить дальность действия гидроакусти­ ческих систем до нескольких десятков километров.

В океане можно выделить два вида подводного звукового канала: поверх­ ностный и глубинный.

Поверхностный подводный звуко­ вой канал может наблюдаться в верх­ ней толще воды в весенне-летний се­

зон, когда поверхностные слои прогреты, а нижние еще сохраняют зимнее распределение температуры. В этом случае изменение ско­ рости звука с глубиной следует за изменением температуры воды, которая вначале падает до какой-то глубины, а затем растет, что и обусловливает возникновение подводного звукового канала, назы­ ваемого поверхностным.

Глубинный подзодный звуковой канал возникает под влиянием изменения температуры и давления с глубиной. До глубин порядка 1000 м наблюдается уменьшение скорости звука, обусловленное по­ нижением температуры воды. Ниже температура воды практически не меняется с глубиной, но начинает сказываться рост давления, что вызывает увеличение скорости звука. Вследствие указанных при­ чин на глубинах порядка 1000 м появляется минимум скорости звука, что и создает явление звукового канала.

Влияние слоя скачка на ослабление силы звука. Наиболее ин­ тенсивная рефракция звуковых лучей происходит в слое скачка ско­ рости звука, который совпадает со слоем скачка плотности воды. Учитывая, что изменения плотности воды чаще всего определяются изменениями температуры, а не солености, слой скачка скорости звука обычно связан со слоем скачка температуры. При переходе звуковых лучей через слой скачка интенсивность звука резко умень­ шается. Количественную оценку этого ослабления можно получить из следующих рассуждений.

Предположим, что на границу слоя скачка падает параллельный пучок звуковых лучей под углом cji к горизонту (рис. 6.8). После

198

преломления в слое скачка угол скольжения лучей станет равным аз, причем a2>«i. Благодаря этому площадь сечения параллель­ ного пучка лучей ниже слоя скачка S аЬ окажется больше площади

сечения до слоя скачка 5аьСчитая, что пучки имеют вид трубок, можно записать

•Sa jbi CLib\

Если мощность источника обозначить через Ра, то интенсивность

Ра

звука в верхней трубке (до преломления) будет / = —— , а в ниж- •Sab ’

ней (после преломления) /2

(L\b\

Отношение интенсивностей звука k будет

Учитывая, что

ab — ab1 sin aibt = abi sin a2,

получим

/2 _ sin ai / 1 sina2

Величина k может быть определена и через отношение скоростей звука в слое, расположенном выше слоя скачка щ и ниже его с2, учитывая соотношение (6.6), из которого следует, что

При практических расчетах дальности действия гидроакустиче­ ских средств возникает вопрос о том, каким значениям вертикаль­ ного градиента скорости звука соответствует слой скачка. К сожа­ лению, ответить на этот вопрос однозначно нельзя, так же как и на вопрос о градиентах температуры в изотермическом слое и слое скачка температуры. Более того, при определении слоя скачка звука нельзя принять однозначно за главный параметр вертикальный гра­ диент скорости звука.

Качественно слой скачка скорости звука определяется как слой, в котором происходит заметный на глаз изгиб кривой вертикального распределения скорости звука, связанный с переходом градиента на меньшую величину или с изменением знака. Таких изгибов может быть несколько, поэтому в качестве одного из критериев слоя скач­ ка логично принять слой с максимальным вертикальным градиентом скорости звука. Однако и в данном случае изменение интенсив­ ности звука под слоем скачка будет также зависеть от угла паде­ ния луча, частоты импульса, отражающих характеристик цели,

199

глубин взаимного положения излучателя и цели и т. п. Следова­ тельно, конкретные характеристики слоя скачка звука являются нс только региональными, но зависят также от практически решае­ мых задач.

§ 33. Акустические характеристики вод океана

Скорость звука. Скорость распространения звука в океанах из­ меняется во времени и в пространстве соответственно изменению температуры, солености и гидростатического давления воды.

Из анализа особенностей географического распределения и се­ зонных изменений температуры и солености, рассмотренных в гл. II, следует, что на изменение скорости звука наиболее существенное влияние оказывают изменения температуры воды, которые значи­ тельно превышают изменения солености. Гидростатическое давле­ ние оказывает влияние только на изменения скорости звука по вер­ тикали, причем наиболее существенно это влияние на глубинах, где вертикальные градиенты температуры воды малы.

Скорость звука на поверхности в феврале изменяется в Атлан­ тическом, Тихом и Индийском океанах от 1450 м/с в полярных рай­ онах до 1535—1540 м/с в экваториальных. В августе в полярных районах северного полушария скорость звука возрастает до 1480 м/с, а в полярных районах южного полушария уменьшается до 1450— 1445 м/с.

Такая закономерность изменения скорости звука хорошо согла­ суется с закономерностями изменения температуры воды на поверх­ ности, средние значения которой составляют около 28° С у экватора

иоколо 0°С у кромки полярных льдов. Так как кромка арктических

иантарктических льдов летом сдвигается к полюсам соответствую­

щего полушария, в высоких широтах океанов в это время темпера­ тура воды возрастает благодаря притоку тепла от Солнца, вызы­ вающего таяние льдов, что и вызывает повышение скорости звука.

Изменения солености воды на поверхности океанов, как указано в гл. II, незначительны как во времени, так и в пространстве. В по­ лярных районах средняя соленость воды на поверхности равна 32— 33%о, достигая в тропической зоне 36—37%0. Следовательно, измене­ ния солености от полярных районов к тропикам составляют всего 4—5%о и поэтому не оказывают заметного влияния на изменения скорости звука.

Подводный звуковой канал. Из анализа вертикального распре­ деления температуры воды в океанах (гл. II) следует, что темпе­ ратура воды в верхних слоях обычно убывает, а затем начиная с не­ которого горизонта остается практически неизменной до самого дна.

Вертикальное же распределение солености характеризуется сла­ бым возрастанием солености с глубиной.

Поэтому, учитывая сказанное выше, можно заключить, что на изменение скорости звука с глубиной наиболее существенное влия­ ние оказывают: в верхнем слое толщиной несколько сот метров, где наблюдается значительный вертикальный градиент температуры,— температура воды, а в нижних слоях, где вертикальный градиент

200