Рефракция звуковых лучей. Подводный звуковой канал

При распространении звуковых лучей в акустически неоднородной среде наблюдается искривление траектории звукового луча, называемое рефракцией. Характер рефракции определяется знаком и величиной градиента скорости звука. Наибольшие градиенты скорости звука в море наблюдаются в вертикальной плоскости, поэтому в этой плоскости отмечается и наибольшая рефракция.

Звуковой луч, падающий на границу раздела двух сред с различной скоростью звука, частично отражается от поверхности раздела и частично преломляется, проникая во вторую среду. Границы раздела могут быть между водой и воздухом, водой и дном, между слоями воды с различной плотностью.

Если разница в скорости звука велика, то происходит почти полное отражение звука. Так, через границу раздела вода-воздух проходит примерно одна тысячная доля падающей звуковой энергии, т. е. поверхность моря является практически идеальной для отражения звука.

Песчаное дно отражает примерно 13% падающей на него звуковой энергии, остальная энергия проходит в грунт.

Если разница в скорости звука невелика, звук проходит границу раздела двух сред без значительных потерь, испытывая рефракцию.

Рефракцию необходимо учитывать при определении дальности распространения звука. Чем больше стратифицировано море, тем больше искривляется звуковой луч, тем меньше дальность распространения звука.

В зависимости от наблюдаемого в море вертикального распределения скорости звука (градиентов скорости звука) выделяется четыре типа рефракции:

- положительная рефракция, наблюдаемая при возрастании скорости звука с глубиной (положительный градиент скорости звука);

- отрицательная рефракция, наблюдаемая при убывании скорости звука с глубиной (отрицательный градиент скорости звука);

- изменение положительной рефракции в поверхностном слое, в котором возрастает скорость звука с глубиной, на отрицательную в нижележащих слоях, в которых скорость звука убывает с глубиной (переход от положительного градиента скорости звука к отрицательному);

- подводный звуковой канал, наблюдаемый при убывании скорости звука в верхнем слое и возрастании в нижнем (переход от отрицательного градиента скорости звука к положительному) .

В тех случаях, когда скорость звука с глубиной не меняется, траектории звуковых лучей будут представлять прямые линии - рефракция отсутствует.

При увеличении скорости звука с глубиной (градиент скорости звука положительный) наблюдается положительная рефракция - звуковые лучи искривляются в сторону поверхности моря (рис. 8).

Рис.8. Рефракция звуковых лучей при увеличении скорости звука с глубиной (положительная рефракция).

Распространение звука сопровождается многократными отражениями от поверхности моря, а потери звуковой энергии ничтожны. Образуется канал приповерхностный звуковой. Звуковые лучи при положительной рефракции «образуют кружево, подвешенное к поверхности моря».

При убывании скорости звука с глубиной (отрицательный градиент скорости звука) наблюдается отрицательная рефракция - звуковые лучи искривляются в сторону дна (рис. 9).

Звуковые лучи отражаются от дна и при каждом отражении часть звуковой энергии переходит в грунт, что заметно снижает дальность распространения звука.

Рис.9. Рефракция звуковых лучей при уменьшении скорости звука с глубиной (отрицательная рефракция).

Кроме того, между предельным лучом, выходящим из источника звука, и поверхностью моря образуются зоны, куда не попадают звуковые лучи, независимо от мощности, направленности и ориентации излучателя. Эти зоны называются зонами акустической тени в отличие от зон, в которых распространяются звуковые лучи и которые называются освещенными зонами. Наличие зон акустической тени неблагоприятно для работы гидроакустических приборов. Приемники, находящиеся в зоне тени, либо совсем не принимают сигналы излучателя, либо принимают их сильно ослабленными.

При увеличении скорости звука в поверхностном слое и ее убывании от нижней границы этого слоя до дна (изменение положительного градиента скорости звука на отрицательный) наблюдается изменение положительной рефракции в верхнем слое на отрицательную в нижележащих слоях (рис. 10).

Рис. 10. Рефракция звуковых лучей при увеличении скорости звука в поверхностном слое и ее убывании ко дну (изменение положительной рефракции в верхнем слое на отрицательную в нижележащих слоях).

В этом случае происходит расщепление звукового луча (точка В) на два луча, один из которых (ВС) после полного внутреннего отражения отклоняется к поверхности моря, а другой (ВЕ) проникает в нижележащие слои и отклоняется ко ну. Между ними создается зона акустической тени, что значительно уменьшает дальность действия гидроакустической аппаратуры.

Подводный звуковой канал (ПЗК) определяется как слой в толще воды, в котором звуковые лучи распространяются, испытывая многократное внутреннее отражение (рис. 11). При этом звуковая энергия концентрируется вдоль оси канала, что создает условия сверхдальнего распространения звука.

Для возникновения подводного звукового канала необходимо, чтобы на некоторой глубине отмечался минимум скорости звука. Выше этой глубины скорость звука увеличивается из-за повышения температуры, а ниже - вследствие увеличения гидростатического давления. Слой с минимальной скоростью звука называется осью подводного звукового канала.

Биогидроакустика - биологическая гидроакустика изучает звуки, производимые водными организмами.

Биогидроакустика имеет большое значение для военно-морского флота. В некоторых странах стали маскировать шумы торпед и подводных лодок под звуки, издаваемые рыбами. Одна из проблем военной гидроакустики - опознавание и классификация обнаруженных объектов и предметов, особенно в связи с появлением малошумящих атомных подводных лодок. Биогидроакустика позволяет определить, действительно ли цель является подводной лодкой, а не косяком рыбы или китом.

Интенсивность звуков, издаваемых рыбами (в данном случае источника гидроакустических помех), может быть весьма значительной, поэтому знание физической структуры звуков, их состава и районирования в морях, а также времени, когда они максимально проявляются, важны для правильной организации систем обнаружения и опознавания подводных объектов.

Биогидроакустика перспективна при промысловой разведке некоторых видов рыб и в установлении видовой принадлежности обнаруженных концентраций рыбы. Основная техника для поиска промысловых объектов - гидроакустическая рыбопоисковая аппарату00ра, использующая методы эхолокации и позволяющая точно определять глубину и размер обнаруженных косяков рыбы, скорость их передвижения, плотность скопления.