Морское дно

Морское дно представляет собой отражающую и рассеивающую границу, имеющую ряд характерных и аналогичных морской поверхности особенностей.

По двум причинам отражение звука от морского дна представляет собой значительно более сложное явление, чем отражение от морской поверхности:

1. Дно имеет более разнообразные акустические свойства, т.к. по составу может меняться от твердой скалы до мягкого ила.

2. Дно является сложной слоистой структурой, имеющей плотность и скорость звука постепенно или резко меняющиеся с глубиной.

По этим причинам потери при отражении от морского дна труднее предсказать, чем потери при отражении от поверхности.

Потери при отражении от дна.

Теория потерь при отражении звука, падающего под определенным углом на плоскую границу раздела двух жидкостей, впервые была разработана Рэлеем. Если плоская волна падает под углом θ₁ на границу раздела двух жидкостей с плотностями и и скоростями звука С₁ и С₂ (рисунок 5) то формула Рэлея для расчета отношения интенсивности отраженной волны к интенсивности падающей волны имеет вид:

где

Рисунок 7 – Отраженные и преломленные лучи на границе раздела двух сред

Потери при отражении зависят от отношений и и угла скольжения.

Коэффициент отражения звука дном определяет величину потерь акустической энергии при взаимодействии фронта волны с грунтом. Для вычисления этого коэффициента используется простейшая модель дна, представляет собой однородною среду с плоской границей, которая характеризуется плотностью и скоростью звука . Коэффициент отражения звука дном вычисляется по формуле:

где – угол скольжения луча у дна;

– отношение плотностей грунта и воды;

- отношении скоростей звука в воде и грунте (показатель преломления).

При усложнении модели отражения за счет учета потерь, связанных с поглощением звука в грунте или с рассеянием на неровностях, определяемых параметром Релея в величину показателя преломления вводится дополнительная поправка на потери, и она принимает вид ( – коэффициент обратного донного рассеяния).

Для выполнения расчетов величины значения , , приводятся в справочных материалах по акустики.

Наиболее сильное поглощение и большая величина потерь относится к крупнозернистым илам. Наименьшие значения этих показателей характерны для глинистых илов.

Определение потерь, связанных с донным отражением звука, с помощью формулы вычисляется коэффициент отражения звука. При этом используется следующие значения входящих в это выражение параметров:

• для илистого грунта ;

• для песчаного грунта .

Для переизлученного дном звука на высоких частотах характерно появление рассеянной компоненты поля. Существование в индикатрисе рассеяния звука дном узкого зеркально ориентированного максимума дает основание для использования при описании переизлученного дном суммарного акустического поля величины эффективного отражения .

Индикатриса рассеяния – направление, характеризующее основную область рассеяния акустической энергии в пространстве или на плоскости после взаимодействия фронта акустической волны с препятствием (неоднородностью среды). Индикатриса рассеяния может изображаться прямой или изогнутой линией. Количественные оценки индикатрисы рассеяния используются при проектировании гидроакустических средств.

Зависимости от угла скольжения и частоты, полученные экспериментально для выровненного с твердым грунтом дна глубокого моря, эффективный коэффициент отражения практически отсутствует, и для ориентировочных расчетов можно принять .

Применительно к районам мелкого моря связь отражающих свойств дна с рельефом не является определяющей и значительное влияние на характеристики переизлучения звука оказывают структура и тип донного грунта. В таблице представлены угловые зависимости в диапазоне частот 1 – 32 кГц для мелководных районов с ровным дном и различными типами грунта.

Тип грунта
		5	15	25	35	45	55	65	75
Илистый слоистый	1	-	0.8	0.5	0.5	0.28	0.26	0.25	0.33
	32	0.2	0.1	0.08	0.1	0.09	0.08	0.1	0.09
Песчаный	1 - 32	0.95	0.93	0.83	0.58	0.47	0.42	0.4	0.4

Частотная зависимость (эффективный коэффициент отражения) в мелком море существенна для высокопористых водонасыщенных донных отложений со слоистой структурой и практически отсутствует для уплотненных однородных грунтов.

Коэффициент объемного рассеяния звука в верхнем слое дна характеризуется мощностью, рассеиваемую неоднородностями единичного объема слоя грунта по всем направлениям, в том числе и обратном.

Коэффициент обратного донного рассеяния характеризует отношение мощности, рассеиваемой единичной площадкой дна в телесного угла характеристики направленности, к интенсивности падающей волны. Пространственное распределение значений коэффициентов отражения и рассеяния изображается графически в виде индикатрисы (рисунок 8).

Рисунок 8 – Схема отражения и рассеяния звука дном океана

О – объект обнаружения;

ИП – излучатель и приемник;

П – приемник.