Задачи и вопросы для повторения. Глава IX Акустические свойства морской воды Скорость звука в пресной воде

Звук - одна из составляющих нашей жизни, и человек слышит его везде. Чтобы более подробно рассмотреть это явление, вначале надо разобраться с самим понятием. Для этого надо обратиться к энциклопедии, где написано, что «звук - это упругие волны, распространяющиеся в какой-либо упругой среде и создающие в ней механические колебания». Говоря более простым языком - это слышимые колебания в какой-либо среде. От того, какая она, и зависят основные характеристики звука. В первую очередь - скорость распространения, например, в воде отличается от другой среды.

Любой звуковой аналог обладает определенными свойствами (физическими особенностями) и качествами (отражение этих признаков в человеческих ощущениях). Например, продолжительность-длительность, частота-высота, состав-тембр и так далее.

Скорость звука в воде значительно выше, чем, допустим, в воздухе. Следовательно, распространяется он быстрее и намного дальше слышен. Происходит такое из-за высокой молекулярной плотности водной среды. Она в 800 раз плотнее, чем воздух и сталь. Отсюда следует, что распространение звука во многом зависит от среды. Обратимся к конкретным цифрам. Так, скорость звука в воде равняется 1430м/с, в воздухе - 331,5м/с.

Низкочастотный звук, к примеру, шум, который производит работающий судовой двигатель, всегда слышится несколько раньше, чем судно появляется в зоне видимости. Его скорость зависит от нескольких вещей. Если температура воды повышается, то, естественно, повышается скорость звука в воде. То же самое происходит с повышением солености воды и давления, которое растет с увеличением глубины водного пространства. Особую роль на скорость может оказать такое явление, как термоклинья. Это такие места, в которых встречаются разной температуры слои воды.

Также в таких местах разная (из-за разности в температурном режиме). И когда волны звука проходят через такие разноплотные слои, они утрачивают большую часть своей силы. Столкнувшись с термоклином, звуковая волна частично, а иногда и полностью, отражается (степень отражения зависит от угла, под которым падает звук), после чего, по другую сторону этого места, образуется теневая зона. Если рассмотреть пример, когда звуковой источник располагается в водном пространстве выше термоклина, то уже ниже услышать вообще что-то будет не то что сложно, а практически невозможно.

Которые издаются над поверхностью, в самой воде никогда не слышны. И наоборот происходит, когда под водным слоем: над ним он не звучит. Яркий тому пример - современные дайверы. Их слух сильно снижается из-за того, что вода воздействует на а высокая скорость звука в воде снижает качество определения направления, откуда тот движется. Этим самым притупляется стереофоническая способность восприятия звука.

Под слоем воды поступают в человеческое ухо больше всего через кости черепной коробки головы, а не как в атмосфере, через барабанные перепонки. Результатом такого процесса становится его восприятие одновременно обоими ушами. Мозг человека не способен в это время различить места, откуда поступают сигналы, и в какой интенсивности. Итогом становится появление сознания, что звук как бы накатывает со всех сторон одновременно, хотя это далеко не так.

Кроме описанного выше, звуковые волны в водном пространстве имеют такие качества, как поглощение, расходимость и рассеивание. Первое - когда сила звука в соленой воде постепенно сходит на нет за счет трения водной среды и находящихся в ней солей. Расходимость проявляется в удалении звука от его источника. Он будто растворяется в пространстве как свет, и в итоге его интенсивность значительно падает. А пропадают колебания совсем из-за рассеивания на всяческих препятствиях, неоднородностях среды.

Морская вода - акустически неоднородная среда. Неоднородность морской воды заключается в изменении плотности с глубиной, присутствии в воде пузырьков газа, взвешенных частиц и планктона. Поэтому распространение акустических колебаний (звука) в морской воде представляет собой сложное явление, зависящее от распределения плотности (температуры, солености, давления), глубины моря, характера грунта, состояния поверхности моря, замутненности воды взвешенными примесями органического и неорганического происхождения и наличия растворенных газов.

Звук в широком смысле - колебательное движение частиц упругой среды, распространяющееся в виде волн в газообразной, жидкой или твёрдой средах; в узком смысле - явление, субъективно воспринимаемое специальным органом чувств человека и животных. Человек слышит звук с частотой от 16 Гц до 16-20×10 3 Гц. Физическое понятие звук охватывает как слышимые, так и неслышимые звуки. Звук с частотой ниже 16 Гц называется инфразвуком , выше 20 ×10 3 Гц - ультразвуком ; самые высокочастотные акустические колебания в диапазоне от 10 9 до 10 12 -10 13 Гц относят к гиперзвуку.

Распространение звука в воде представляет собой периодические сжатия и разрежения воды в направлении движения звуковой волны. Скорость передачи колебательного движения от одной частицы воды к другой называется скоростью распространения звука. Теоретическая формула скорости звука для жидкостей и газов имеет вид: с = , гдеα – удельный объем, γ=-отношение теплоемкости воды при постоянном давлении c p к теплоемкости воды при постоянном объеме c v , примерно равное единице, k - истинный коэффициент сжимаемости морской воды.

С повышением температуры воды скорость звука растет как за счет увеличения удельного объема, так и за счет уменьшения коэффициента сжимаемости. Поэтому влияние температуры на скорость звука наибольшее по сравнению с другими факторами. При изменении солености воды также изменяются удельный объем и коэффициент сжимаемости. Но поправки на скорость звука от этих изменений имеют разные знаки. Поэтому влияние изменения солености на скорость звука меньше, чем влияние температуры. Гидростатическое давление оказывает влияние только на вер­тикальное изменение скорости звука, с глубиной скорость звука возрастает.

Скорость звука не зависит от силы источника звука.

По теоретической формуле составлены таблицы, дающие возможность по температуре и солености воды определить скорость звука и исправить ее на давление. Однако теоретическая формула дает величины скорости звука, отличающиеся от измеренных в среднем на ±4 м·с -1 . Поэтому на практике используются эмпирические формулы, из которых наибольшее распространение получили формулы Дель-Гроссо и У. Вильсона, обеспечивающие наименьшие ошибки.

Ошибка в скорости звука, рассчитываемая по формуле Дель­-Гроссо, не превышает 0.5 м·с -1 для вод соленостью больше 15‰ и 0.8 м·с -1 для вод соленостью меньше 15‰.

Формула Вильсона, предложенная им в 1960 году, дает более высокую точность, чем формула Дель-Гроссо. Она построена по принципу построения формулы Бьеркнеса для расчета условного удельного объема in situ и имеет вид:

с = 1449,14 + δс p + δс t + δс s + δс stp ,

где δс p – поправка на давление, δс t – поправка на температуру, δс s – поправка на соленость и δс stp - суммарная поправка на давление, температуру и соленость.

Среднеквадратичная погрешность расчета скорости звука по формуле Вильсона составляет 0.3 м·с -1 .

В 1971 году была предложена другая формула для вычисления скорости звука по измеренным значениям T, S и P и несколько иными значениями поправок:

с = 1449,30 + δс p + δс t + δс s + δс stp ,

При измерении глубин эхолотом рассчитывается осредненная по слоям скорость звука, которую назы­вают вертикальной скоростью звука. Она определяется по формуле с stp
,

где с i - средняя скорость звука в слое толщиной h i .

Скорость звука в морской воде при температуре 13 0 С, давлении 1 атм и солености 35‰ равна 1494 м·с -1 ; как уже указывалось, она увеличивается с ростом температуры (3 м·с -1 на 1 0 С), солености (1,3 м·с -1 на 1 ‰) и давления (0,016 м·с -1 на 1 м глубины). Она примерно в 4.5 раза больше скорости звука в атмосфере (334 м·с -1). Среднее значение скорости звука в Мировом океане около 1500 м·с -1 , а диапазон ее изменчивости от 1430 до 1540 м·с -1 на поверхности океана и от 1570 до 1580 м·с -1 - на глубинах более 7 км.

На большие расстояния звуковая энергия распространяется только вдоль пологих лучей, которые на всем пути не касаются дна океана. В этом случае ограничением, накладываемым средой на дальность распространения звука, является поглощение его в морской воде. Основной механизм поглощения связан с релаксационными процессами, сопровождающими нарушение акустической волной термодинамического равновесия между ионами и молекулами растворенных в воде солей. Следует отметить, что главная роль в поглощении в широком диапазоне звуковых частот принадлежит серномагниевой соли MgSO4, хотя в процентном отношении ее содержание в морской воде совсем невелико - почти в 10 раз меньше, чем, например, каменной соли NаС1, которая тем не менее не играет сколько-нибудь заметной роли в поглощении звука.

Поглощение в морской воде, вообще говоря, тем больше, чем выше частота звука. На частотах от 3-5 до по крайней мере 100 кГц, где доминирует указанный выше механизм, поглощение пропорционально частоте в степени примерно 3/2. На более низких частотах включается новый механизм поглощения (возможно, он связан с наличием в воде солей бора), который становится особенно заметным в диапазоне сотен герц; здесь уровень поглощения аномально высок и существенно медленнее падает с уменьшением частоты.

Чтобы более наглядно представить себе количественные характеристики поглощения в морской воде, заметим, что за счет этого эффекта звук с частотой 100 Гц ослабляется в 10 раз на пути в 10 тыс. км, а с частотой 10 кГц - на расстоянии только в 10 км (рисунок 2). Таким образом, только низкочастотные звуковые волны могут быть использованы для дальней подводной связи, для дальнего обнаружения подводных препятствий и т.п .

Рисунок 2 – Расстояния, на которых звуки разных частот затухают в 10 раз при распространении в морской воде.

В области слышимых звуков для диапазона частот 20-2000 Гц дальность распространения под водой звуков средней интенсивности достигает 15-20 км, а в области ультразвука – 3-5 км.

Если исходить из величин затухания звука, наблюдаемых в лабораторных условиях в малых объёмах воды, то можно было бы ожидать значительно больших дальностей. Однако в естественных условиях, кроме затухания, обусловленного свойствами самой воды (т. н. вязкого затухания), сказываются ещё его рассеяние и поглощение различными неоднородностями среды.

Рефракция звука, или искривление пути звукового луча, вызывается неоднородностью свойств воды, главным образом по вертикали, вследствие трёх основных причин: изменения гидростатического давления с глубиной, изменения солёности и изменения температуры вследствие неодинакового прогрева массы воды солнечными лучами. В результате совокупного действия этих причин скорость распространения звука, составляющая около 1450 м/сек для пресной воды и около 1500 м/сек для морской, изменяется с глубиной, причём закон изменения зависит от времени года, времени дня, глубины водоёма и ряда др. причин. Звуковые лучи, вышедшие 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 своём отражаются от дна, теряя при этом значительную долю своей энергии. Наоборот, зимой, когда нижние слои воды сохраняют свою температуру, между тем как верхние слои охлаждаются, лучи изгибаются кверху и претерпевают многократные отражения от поверхности воды, при которых теряется значительно меньше энергии. Поэтому зимой дальность распространения звука больше, чем летом. Вследствие рефракции образуются т. н. мёртвые зоны, т. е. области, расположенные недалеко от источника, в которых слышимость отсутствует.

Наличие рефракции, однако, может приводить к увеличению дальности распространения звука - явлению сверхдальнего распространения звуков под водой. На некоторой глубине под поверхностью воды находится слой, в котором звук распространяется с наименьшей скоростью; выше этой глубины скорость звука увеличивается из-за повышения температуры, а ниже - вследствие увеличения гидростатического давления с глубиной. Этот слой представляет собой своеобразный подводный звуковой канал. Луч, отклонившийся от оси канала вверх или вниз, вследствие рефракции всегда стремится попасть в него обратно. Если поместить источник и приёмник звука в этом слое, то даже звуки средней интенсивности (например, взрывы небольших зарядов в 1-2 кг) могут быть зарегистрированы на расстояниях в сотни и тысячи км. Существенное увеличение дальности распространения звука при наличии подводного звукового канала может наблюдаться при расположении источника и приёмника звука не обязательно вблизи оси канала, а, например, у поверхности. В этом случае лучи, рефрагируя книзу, заходят в глубоководные слои, где они отклоняются кверху и выходят снова к поверхности на расстоянии в несколько десятков км от источника. Далее картина распространения лучей повторяется и в результате образуется последовательность т. н. вторичных освещенных зон, которые обычно прослеживаются до расстояний в несколько сотен км.

На распространение звуков высокой частоты, в частности ультразвуков, когда длины волн очень малы, оказывают влияние мелкие неоднородности, обычно имеющиеся в естественных водоёмах: микроорганизмы, пузырьки газов и т.д. Эти неоднородности действуют двояким образом: они поглощают и рассеивают энергию звуковых волн. В результате с повышением частоты звуковых колебаний дальность их распространения сокращается. Особенно сильно этот эффект заметен в поверхностном слое воды, где больше всего неоднородностей. Рассеяние звука неоднородностями, а также неровностями поверхности воды и дна вызывает явление подводной реверберации, сопровождающей посылку звукового импульса: звуковые волны, отражаясь от совокупности неоднородностей и сливаясь, дают затягивание звукового импульса, продолжающееся после его окончания, подобно реверберации, наблюдающейся в закрытых помещениях. Подводная реверберация - довольно значительная помеха для ряда практических применений гидроакустики, в частности для гидролокации.

Пределы дальности распространения подводных звуков лимитируются ещё и т.н. собственными шумами моря, имеющими двоякое происхождение. Часть шумов возникает от ударов волн на поверхности воды, от морского прибоя, от шума перекатываемой гальки и т.п. Другая часть связана с морской фауной; сюда относятся звуки, производимые рыбами и др. морскими животными .

Звуковые волны распространяются в морской воде в виде колебаний, или волн, давления. Это механические продольные волны. В упругой среде, каковой является морская вода, они генерируют периодические сжатия и разрежения частиц, вследствие чего каждая частица перемещается параллельно направлению распространения волны. Упругость среды характеризуется волновым акустическим сопротивлением, определяемым как произведение плотности среды на скорость распространения звуковых волн. Это отношение позволяет оценить жесткость среды, которая для морской воды в 3500 раз больше по сравнению с воздухом. Поэтому для создания в морской воде такого же давления, как в воздухе, требуется гораздо меньшая энергия.

Скорость распространения упругих продольных волн и есть скорость распространения звука. В морской воде скорость звука колеблется от 1450 до 1540 м/с. При частоте колебаний от 16 до 20 000 Гц их воспринимает человеческое ухо. Колебания выше порога слышимости называются ультразвуком", свойства ультразвука обусловлены высокой частотой и малой длиной волны. Колебания с частотой ниже порога слышимости называются инфразвуком. Звуковые волны в морской среде возбуждаются естественными и искусственными источниками. Среди первых важную роль играют морские волны, ветер, скопления морских животных и их перемещение, движения воды в зонах дивергенции и конвергенции, землетрясения и др. В качестве искусственных источников могут быть названы взрывы, движение судов, масштабные научные исследования соответствующего профиля, некоторые виды производственной деятельности человека.

Звуковые волны в морской воде перемещаются с разной скоростью. Она зависит от многих факторов, среди которых важнейшими являются глубина (давление), температура, соленость, внутренняя структура водной толщи, неравномерное распределение плотности, пузырьков газа, взвешенных частиц, скоплений морских организмов. На скорость распространения звука влияют также быстро изменяющееся состояние поверхности моря, рельеф дна и состав

Рис. 72. Изменение скорости звука в зависимости от температуры и солености при нормальном атмосферном давлении (а) и от давления при О °С и солености

35%о (б) (по 127|)

донных осадков. Перечисленные факторы образуют неоднородные акустические поля, которые порождают разную направленность распространения и величину скорости звуковых волн. Наибольшее влияние на скорость распространения звуковых волн оказывают давление, температура и соленость морской воды. Эти характеристики определяют коэффициент сжимаемости, а его колебания обусловливают изменение скорости распространения звука. С увеличением температуры удельный объем морской воды увеличивается, а коэффициент сжимаемости уменьшается, и это приводит к росту скорости звука. В поверхностных водах при увеличении температуры от Одо 5° приращение скорости звука изменяется приблизительно на 4,1 м/с, от 5 до 10° - на 3,6 м/с, а при 30 °С - всего на 2,1 м/с .

Скорость звука возрастает при одновременном увеличении температуры, солености и глубины (давление). Зависимость выражается линейным изменением значений этих параметров (рис. 72). Установлено, что увеличение солености на 1%с и давления на 100 дбар повышает скорость звука приблизительно на 1,2и 1,6м/с соответственно. Из табл. 30, где приведены данные о влиянии температуры и солености на скорость распространения звука, следует, что с повышением солености при той же температуре происходит существенное возрастание скорости звука. Особенно заметен этот рост при одновременном увеличении температуры и солености морской воды.

Если температура воды мало изменяется с глубиной, как это происходит в Красном море и море Уэдделла, то скорость звука нарастает без резкого уменьшения в интервале от 700 до 1300 м. В подавляющем большинстве других районов Мирового океана в этом интервале глубин наблюдается существенное уменьшение скорости звука (рис. 73).

Таблица 30

Скорость распространения звука в морской воде (м/с) в зависимости от солености и температу ры

(упрощенный вариант табл. 1.41 1511)

Градиент изменения скорости звука в водной толще неодинаков в горизонтальном и вертикальном направлениях. В горизонтальном направлении он примерно в тысячу раз меньше вертикального. Как отмечают Л.М. Бреховских и Ю.П.Лысанов , исключение составляют районы схождения теплых и холодных течений, где эти градиенты сопоставимы.

Поскольку температура и соленость не зависят от глубины, то вертикальный градиент является величиной постоянной. При скорости звука 1450 м/с он равен 0,1110 -4 м~".

Давление столба воды оказывает весомое влияние на скорость распространения звука. С глубиной скорость звука возрастает. Это хорошо видно из табл. 31, где приводятся поправки скорости звука на глубину.

Поправка скорости звука на глубину в поверхностном слое воды составляет 0,2 м/с, а на глубине 900 м она равна 15,1 м/с, т.е. возрастает в 75 раз. В более глубоких слоях водной толщи

поправка на скорость звука становится гораздо меньше и ее величина постепенно уменьшается с увеличением глубины, хотя в абсолютном выра- жении она значительно

Рис. 73. Изменение скорости звука с глубиной в некоторых районах Мирового океана (по ) превосходит поправку на скорость звука в поверхностном слое. Например, на глубине 5000 м она в 443 раза больше, чем для поверхностного слоя.

Таблица 31

Поправка скорости звука (м/с) на глубину

(упрощенный вариант табл. 1.42 151 ])