Скорость звука в море

Скорость звука – скорость распространения акустических волн:

1. Является важнейшей гидроакустической характеристикой морской среды.

2. При изменение значений скорости звука в различных точках пространства вызывает искажение фронта волн и изменяет характер распространения сигналов, что влияет на эффективность использования ГАС (гидроакустических средств).

Скорость звука зависит от:

• глубины моря;

• времени года;

• географического района;

• времени суток.

Скорость распространения звука в океанах изменяется в вертикальном направлении в соответствии с изменением температуры, солености и гидростатического давления.

В верхних слоях океана на поле скорости звука наибольшее влияние оказывает температура воды.

Давление сильно влияет на скорость звука на больших глубинах, где значения температуры и солености малы.

Уменьшение температуры приводит к уменьшению скорости звука, а увеличение давления - к ее возрастанию.

Звуковые лучи, выходящие из источника под некоторым углом к горизонту, изгибаются, причём направление изгиба зависит от распределения скоростей звука в среде:

• летом, когда верхние слои теплее нижних, лучи изгибаются книзу и в большинстве отражаются от дна, теряя при этом значительную долю своей энергии;

• зимой, когда нижние слои воды сохраняют свою температуру, между тем как верхние слои охлаждаются, лучи изгибаются кверху и многократно отражаются от поверхности воды, при этом теряется значительно меньше энергии. Поэтому зимой дальность распространения звука больше, чем летом.

Вклад распределения температуры, гидростатического давления и солености в конкретных районах океана определяет особенности вертикального распределения скорости звука, которые соответствуют:

• Положительной рефракции (возрастание скорости звука с глубиной).

• Отрицательной рефракции (убывание скорости звука и глубиной).

• Приповерхностному звуковому каналу (возрастание скорости звука с глубиной сменяется убыванием).

• Подводному звуковому каналу (скорость звука имеет минимум на некоторой глубине).

Основным источником сведений о пространственно-временной изменчивости поля скорости звука в Мировом океане является данные гидрологических станций.

Диапазон изменчивости поля скорости звука охватывает масштабы от расстояний между молекулами до размеров океана и от тысячных долей секунды до вековых колебаний.

Среднее значение поля скорости звука в океане принято равным 1500 м/с, диапазон – 1400…1600 м/с.

Регулярная составляющая изменчивости поля скорости звук в открытых районах моря наиболее четко выражена по вертикальному градиенту G_В; горизонтальные градиенты G_Г в среднем на 2 – 3 порядка меньше вертикальных. Наиболее изменчивым является приповерхностный слой с глубинами до 100…200 м.

Изменчивость поля скорости звука определяет вероятностный характер акустического поля и гидроакустические характеристики морской среды (рисунка 4).

Рисунок 4 – Изменчивость скорости звука в Мировом океане

Особенности ВРСЗ по океанам представлены на рисунке 5, на графике выделены 4 слоя:

• I – приповерхностный;

• II – сезонной изменчивости (зима, весна, лето, осень);

• III – уменьшение регулярной составляющей;

• IV – увеличение регулярной составляющей.

Границы слоев в разных районах и разные сезоны года находятся на различных глубинах. Наиболее изменчивым является приповерхностный слой глубиной 100…200 м.

Рисунок 5 – Изменчивость скорости звука в Мировом океане

Рисунок 6 – Вертикальное распределение скорости звука

Геометрическая длина волны.

Геометрическая длина L каждого из лучей, соединяющих источник и приемник, определяется выражением:

где – трасса луча от горизонта источника до верхней точки поверхности;

– трасса луча от верхней точки поверхности до горизонта приемника;

– трасса луча от верхней точки поверхности до нижней точки дна;

N – число точек касаний дна.

Слагаемые имеют вид:

Время распространения по лучу.

Выражение, определяющее время распространения … звуковой волны вдоль любого из лучей между источником и приемником:

где – время пробега волной трассы от горизонта источника до верхней точки поверхности;

– время пробега волной трассы от верхней точки поверхности до горизонта приемника;

– время пробега волной трассы от верхней точки поверхности до нижней точки дна.

Фактор фокусировки.

Фактор фокусировки – отношение интенсивности звука в сечении лучевой трубки на расстояние рефрагирующей среде к интенсивности, создаваемой тем же источником на том же расстоянии в безграничной однородной среде.

В рамках лучевой теории зависимость интенсивности звука, соответствующей любому из лучей, от расстояния определяется законом расширения лучевой трубки. При этом предполагается, что энергия, протекающая по лучевой трубке, остается неизменной.

Поскольку в рефрагирующей среде сечение лучевой трубки меняется сложным образом, то это вызывает и соответствующие изменение интенсивности звука. Для оценки закономерности этого изменения, в зависимости от расстояния, вводится понятие фактор фокусировки.

Общепринятая формула для вычисления фактора фокусировки F имеет вид: