Распространение и рассеяние волн в случайно неоднородных средах. Том 1 - Исимару А.
Скачать (прямая ссылка):
Рис. 3.11. Типичная индикатриса
рассеяния дискретных частиц в
морской воде [77].
мерений указывает на отличие примерно в 50 дБ между значениями при
0 = 0 и 0 = 90°.
Было найдено, что отношение <ad(45°)> к полному сечению
рассеяния <as) для океанической воды примерно постоянно и
колеблется от 2-10~2 до 3,5-1СИ2.
3.4. Рассеяние звука в воде (гидроакустика)
Случайные флуктуации акустических волн (это явление называют
также реверберацией) в океане обусловлены рассеянием а) на
воздушных пузырьках, рыбах, морских животных, органических и
неорганических частицах, б) на турбулентных и слоистых
нерегулярностях распределений температуры и плот
*) Приведенные в таблице значения учитывают только взвешенное вещество.
Чтобы получить полное затухание, к приведенным значениям нужно добавить
затухание, обусловленное чистой водой.
Характеристики дискретных рассеивателей
67
ности и в) на нерегулярностях поверхности и дна океана [88, 109, 115,
150, 157]. В данном разделе мы сначала приведем краткое описание
типичных акустических свойств океана. Затем мы рассмотрим
характеристики двух основных видов рассеивателей в воде -
воздушных пузырьков и рыб. Турбулентность и характеристики
неровных поверхностей рассматриваются в гл. 16-21.
Дно океана [150, 157] условно делится на три части: шельф, склон и
абисс. Шельф представляет собой мелководную часть океана,
расположенную в прибрежной области в виде полосы, ширина которой
колеблется от нескольких километров до 100 км. Наклон дна в этой
области мал, так что глубина на границе шельфа может достигать 100 м.
Склон характеризуется большими значениями наклона дна (1 к 20 или
30), и глубина здесь достигает нескольких километров; имеются долины
и ущелья, которые называют каньонами. Абисс характеризуется
меньшими наклонами дна и занимает примерно 80% площади океаниче-
ского дна. В абиссе обнаружены большие подводные горы и трещины.
Температура верхнего 200-метрового слоя воды в океане от-
носительно постоянна (изотермична), если не принимать во внимание
флуктуации температуры, обусловленные турбулентностью. Ниже этого
слоя появляется значительный вертикальный градиент температуры,
которая примерно на глубине 1000 м достигает своего минимального
значения около 4°С. Эта область называется термоклином. Далее
температура равномерно возрастает вплоть до дна океана.
Скорость звука С (м/с) при атмосферном давлении на поверхности
описывается эмпирической формулой [150, 157]
С = 1449,2 + 4,6237; - 0.0546Г2 + 1,391 (5 - 35), (3.14)
где Т - температура в градусах Цельсия, a S - соленость в тысячных
долях (по весу). Обычно соленость 5 имеет значение около 35. Скорость
звука возрастает с температурой, соленостью и глубиной со скоростями
ЛС/ДГ = 2,7 м/с °С, (3.15а)
AC/AS = 1,2 м/с, (3.156)
АС/ДЯ = 0,017 с-1, (3.15в)
где Я - глубина в метрах.
Скорость звука в воде, содержащей несколько объемных процентов
воздушных пузырьков, существенно меньше скорости звука в воде без
пузырьков и имеет значение порядка 40 м/с. Она уменьшается до 20 м/с
в воде с содержанием воздуха 50 объемн. % [150].
68
Глава 3
Типичные кривые зависимости скорости звука С (г) от глубины
приведены на рис. 3.12. На умеренных широтах имеется минимум
скорости звука вблизи глубины z = 1270 м; в экваториальных областях
этот минимум расположен несколько ближе к поверхности. Звук может
захватываться окрестностью этого минимума и распространяться в ней
без существенного ослабления. Таким образом, область, расположенная
на такой глубине, образует акустический волновод, или звуковой канал
(канал SOFAR).
c(z), м/с 1450 1500 1550
Рис. 3.12. Изменение ско-
рости звука в зависимости
от глубины на трех харак-
терных широтах.
Вблизи поверхности океана также возможно появление от-
носительного минимума скорости звука на глубинах в несколько сотен
метров. Эта область называется поверхностным звуковым каналом.
Затухание акустических волн в океанической воде обусловлено в
основном вязкостью и релаксационным действием сульфата магния.
Потери из-за теплопроводности пренебрежимо малы. В диапазоне от
нескольких герц до 10 МГц экспериментальные данные хорошо
описываются следующей эмпирической формулой для коэффициента
затухания а (рис. 3.13):
-q-2 Г 2.34SA 3,38 "I / 4 ч
а = 8,686-10 9/2|^-3-i| + -J (1-6,54 • 10-4PS), (3.16)
где f - частота (Гц), ft - 21,9-10(9_1520/:г) - релаксационная частота
(Гц), Т - температура (К), 5 - соленость, Ps - давление (атм)1).
Акустический локатор, или сонар (SONAR - sound navigation and
ranging), представляет собой устройство, используе
') Напомним, что 1 атм = 1.013-105 Па (1 Па = 1 Н/ма).
Характеристики дискретных рассеивателей
69
мое для посылки акустических импульсов, приема отраженного
от целей сигнала и определения характеристик целей. Частота
используемых сигналов обычно заключена в пределах 5-
300 кГц, а длительность импульсов составляет 100 мкс - 100 мс.
