Общая гидроакустика - Рожин Ф.В.
Скачать (прямая ссылка):
В предлагаемом учебном пособии широко использованы материалы лекций, которые читались на квфедре акустики в течение ряда лет доцентом Нестеровым B.C. и профессором Вреховских Л.М. В графической части пособия ряд рисунков носит качественный характер и не может быть использован для количественных оценок, поэтому для этих целей необходимо проводить расчеты по приводимым формулам, либо пользоваться специальной литературой.
- 4 -
I. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МОРСКОЙ ВОЛУ. ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ЖИДКОСТИ
I. Соленость
В морской воде в растворенном виде содержится до 4$ различных солей. Из них основную долю составляет хлористый натрий (поваренная соль), а также другие хлористые, бромистые, йодистые и иные соли*
Соленость измеряют в промилле %о - тысячных долях массы воды и обозначают ? %о • Очевидно, что 1% = IO%о . Типичные значення солености лежат в пределах 15-35 %0 , Но в Балтийском море ? « 8 %о ,в Черном -^в 18-2O0ZUo . Соленость вод океанов мняется в пределах 30-36 %0 • Очевидно, что все эти величины подвержены флуктуациям и зависят в прибрежной зоне от наличия устьев и течений.
Химический анализ морской воды дает весьма оложную картину. Приведем содержание основных солей в морской воде в промилле:
2. Упругость и плотность
Упругие свойотва жидкости существенно отличаются от таковых для твердого тела. Если твердое тело может испытывать как деформации сжатия - растяжения, так и сдвига, то для жидкости характерна только деформация сжатия - растяжения, поэтому в жидкости т имеем дело только со всесторонним сжатием или растяжением. Отсюда следует, что упругие свойства жидкости полностью характеризуются одним модулем объемной упругости <? . Для пресной воды при O0C эе = 2'109 нДг, обратная величина, именуемая коэффициентом сжимаемости, ^ « %е » я°но l<« 5'10"**?! /Н.
Для морской воды в силу наличия растворенных в ней солей наблюдается уменьшение сжимаемости с увеличением солености, причем наибольшее влияние оказывает сернокислая магниевая соль М<^0^ Изменение концентрации^ К\у SD^ о I до 3 моль/л приводит к уменьшению сжимаемости примерно на порядок.
Плотность морской воды зависит как от температуры, так и от ооленооти. Всем известно, что морская вода более плотная (и плавать в ней легче, чем в речной). Обычная пресная вода
К С* ? 0,725 %0 , NHKO3 - 0,202 Voo , MaBr a 0,083 V00 .
- 5 -
имеет плотность ревную 1,0 г/см3 при температуре 40C. В качестве примера приведем некоторые значения плотности воды при разлив ной солености:
при -t » 0° и $ ~ 0 %о J> = 0.99987.
= 0° и ^«40%о jo = 1,03216, "t « 30° и 0 %0 jo = 0,99567,
-? • 30° и /g/=40%o ^/)= 1,02551.
3. Вязкость и поглощение звука
Вода является маловязкой жидкостью, сдвиговые деформаций при распространении звука в ней выражены слабо и обычно не учитываются. Однако вязкость игрвет существенную роль в поглощении звука.
Различают первую (сдвиговую) и вторую (объемную) вязкости. Сдвиговая вязкость проявляется при изменении формы тела, не связанном с изменением объема. Объемная вязкость проявляется при изменьнии объема и связанным с ним изменением плотности среды. В этом случае нарушается термодинамическое равновесие в жидкости, происходят процессы установления, сопровождающиеся диссипацией энергии, обусловленной второй вязкостью. Абсолютная вязкость падает с ростом температуры воды.
Кроме вязкого (сдвигового) поглощения в морской воде существенную роль играет релаксационное поглощение, связанное с изменением диссоциации молекул солей (особенно Mg$0^ и борной кислоты H3BO5 ).
Распространение звука в морской воде сопровождается релаксационными процессами, которые обусловливают эффект объемной вязкости. Кроме того ослабление звука с расстоянием в океане происходит вследствие рассеяния его на различного рода неодно-родностях. Обычно измеряют суммарный эффект поглощения и рассеяния звука и говорят о затухании звука.
Поскольку влияние разнообразных факторов на затухание звука в океане пока не поддается строгому теоретическому расчету, большое значение придается экспериментальным данным.
На основе анализа большого объема опытных данных Марш и Шулькин получили эмпирическую формулу, справедливую на частотах 3 - 500 кГц:
3 ъ$г" ~А
(1-І)
-'6
аде - коэффициент затухания в дБ/км; А » 2,34 IO ; В » 3,38 Ю""6; ? - соленость в %0 ; P - гидростатическое давление в кГ/см2; ^ - частота звука в кГц; = 2It9 IO ч+2*з - частота релаксации в кГц; "t - температура в градусах Цельсия. Величина \ изменяется от 59 до 210 кГц при 0 ^ t ^ 300C
Первый член в скобках описывает поглощение, обусловленное релаксацией MgSO^ 9 второй - вязким поглощением. Вторая скобка дает зависимость от давления, но эта зависимость слабая и дает поправку в 30$ при глубине 4 км.
На низких частотах 0,1^4 3 кГц работает формула Торпа:
J (1.2)
Оба члена в (1.2) имеют типичную релаксационную структуру, причем первый описывает релаксацию борной кислоты Hb6Q3 (^1- I кГц), второй - релаксацию М$$04 (?т^ 65 кГц). Основной вклад дает первый член. Однако этот член имеет региональную изменчивость в пределах Мирового океана: первый член следует брать с коэффициентом к ,изменяющимся в пределах 0,5-1,1.
