Физическая сущность звука. Классификация звуковых волн. Параметры звукового поля, страница 4

Например, для эхолокаторов не требуется очень острая направленность излучателя: γ ≈ 50° для того чтобы эхосигнал от дна мог возвращаться при любом угле качки.

Очевидно, широкая диаграмма направленности может быть на низкой частоте, при которой усиливается эффект рассеивания.

При измерении глубины до 500 м  fр = 100 кГц (отечественные эхолоты марки М-3Б).

При глубинах до 2000 м  fр ≈ 20 кГц.

При глубинах 5000 – 6000 м уменьшают частоту до fр ≈ 10 кГц (отечественные эхолоты марки М).

Есть эхолоты, работающие на нескольких частотах.

Для гидроакустических лагов, гидролокаторов существует другое требование: высокая точность измерения по пеленгу. Для них применяется игольчатая ДН равная 2 - 3°, которая позволяет определять местоположение подводного объекта с высокой точностью. Для создания такой острой ДН  увеличивают базу антенны b и повышают частоту до fр = 300 ÷ 600 кГц. Но учитывая, что при этом увеличивается затухание сигнала, повышают мощность излучаемого сигнала.

В последних моделях ГАЛ применяется частота в несколько МГц, поэтому отражаться сигналы будут от слоев воды на глубине нескольких десятков метров.

В последнее время появились эхолоты с небольшим размером вибратора b, но с большой дальностью действия за счёт сложения ЗВ от двух близкорасположенных источников звука.

ГАЛ, работающие на эффекте Доплера, имеют частоты fр = 250 ÷ 600 кГц, при этом лаг работает как абсолютный до глубины 200 – 600 м.

ТЕМА 6. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЗВУКА В ВОДЕ

Впервые скорость звука в естественных условиях измерена в 1827 г. Колладоном и Штурмом при проведении эксперимента на Женевском озере.

При рассмотрении данного вопроса будем рассматривать следующие явления:

- скорость звука;

- отражение и преломление звука;

- полное внутреннее отражение;

- критический угол падения;

- рефракция звука, подводный звуковой канал;

- дифракция звука;

- реверберация звука;

- явление кавитации.

6.1. Скорость звука

Скорость звука является функцией от температуры (t), солёности (‰), гидростатического давления.

Скорость звука в воде может изменяться в пределах С=(1450 ÷ 1540) м/с.

Сильнее всего скорость звука зависит от температуры. Изменение температуры на 1° влечет изменение скорости на 3,6 м/с.

Изменение солёности на 1 влечет изменение скорости на 1,2 м/с.

При изменении давления на 1 атм (изменение глубины на 10 м) скорость изменяется на 0,2 м/с.

Основным фактором, влияющим на С, является температура. Повышение ее всего на 1°С вызывает примерно такое же увеличение скорости звука в воде, как повышение гидростатического давления на 15 атм, соответствующее изменению глубины на 150 м.

6.2. Отражение и преломление звука

Закон отражения: угол падения равен углу отражения θ = θ1.

Закон преломления (Снелиуса): sin угла падения относится к sin угла преломления, как отношение скорости в 1-й среде к скорости во 2-й среде.

sin θ2 > sin θ1,  C2 > C1    или     sin θ2 < sin θ1,  C2 < C1   

Пространственно-временная изменчивость скорости звука в море

Типичный для глубокого моря ВРСЗ (профиль звука) показан на рис.8. В нем можно выделить несколько участков, имеющих различные характеристики и протяженность. Непосредственно у поверхности моря расположен слой воды (приповерхностный слой), в котором скорость звука подвержена суточным и локальным воздействиям температуры и ветра (слой А). У поверхности также может находиться перемешанный слой с постоянным значением температуры по глубине, который образуется в результате воздействия приповерхностных ветров. В приповерхностном слое создаются условия для «захвата» звуковой энергии и формируется звуковой канал. При длительном безветрии и солнечной погоде этот слой исчезает, и приповерхностная масса воды приобретает уменьшающуюся с глубиной температуру.

Под приповерхностным слоем располагается сезонный термоклин (слой воды, в котором температура изменяется с глубиной). Сезонный термоклин (слой Б) характеризуется отрицательным градиентом температуры и скорости звука, который зависит от времени года.

Летом и осенью, когда приповерхностный слой воды в море нагрет, сезонный термоклин устойчив и имеет четкие границы. Зимой и весной, а также в полярных районах он сливается с поверхностным слоем и выделить его порой невозможно.