В морской воде звук распространяется в 4,5 раза быстрее, чем в воздухе. Скорость его распространения зависит от температуры, солености и давления. С увеличением любого из этих факторов скорость звука возрастает.

Как измеряется скорость звука?

Ее можно рассчитать, зная температуру, соленость и глубину - три основные характеристики, измеряемые на океанографических станциях. В течение многих лет этот метод был единственным. В последние годы скорость звука в морской воде стали измерять непосредственно. Измерители скорости звука работают на принципе измерения отрезка времени, за который звуковой импульс проходит определенное расстояние.

На какое расстояние может распространяться звук в океане?

Звуковые колебания, возникшие при подводном взрыве, произведенном исследовательским судном Колумбийского университета «Вема» в 1960 г., были зарегистрированы на расстоянии 12 000 миль. В подводном звуковом канале у побережья Австралии была взорвана глубинная бомба, и примерно через 144 мин звуковые колебания достигли Бермудских островов, то есть почти противоположной точки земного шара.

Что такое звуковой канал?

Это зона, в которой скорость звука сначала уменьшается с глубиной до некоторого минимума, а затем увеличивается за счет роста давления. Возбуждаемые в этой зоне звуковые волны не могут из нее выйти, так как искривляясь возвращаются к оси канала. Попав в такой канал, звук может пройти тысячи миль.

Что такое СОФАР?

Это сокращение английских слов «sound fixing and ranging» (обнаружение источников звука и измерение расстояния до них). В системе СОФАР используется звуковой канал на глубинах 600 - 1200 м. По засечкам с нескольких станций приема можно установить местоположение источника звука в этом канале с точностью до 1 мили. Во время второй мировой войны с помощью этой системы удалось спасти многих летчиков, сбитых над морем. На их самолетах имелись небольшие бомбы, которые взрывались под действием давления при достижении глубины залегания звукового канала.

Что такое гидролокатор?

Гидролокатор работает на том же принципе, что и радиолокатор, только вместо радиоволн в нем используются звуковые (акустические) волны. Гидролокатор может быть активным или пассивным. Активная система излучает звуковые колебания и принимает отраженный сигнал, или эхосигнал. Для определения расстояния надо взять половину произведения скорости звука на время, прошедшее между излучением звукового импульса и приемом отраженного сигнала. Пассивная система работает в режиме прослушивания, и с ее помощью можно определить лишь направление, в котором находится источник звука. Гидролокатор используется для обнаружения подводных лодок, навигации, поиска косяков рыбы и для определения глубины. В последнем случае гидролокатор представляет собой обычный эхолот.

Что такое рефракция и отражение звуковых волн?

Вследствие различий в плотности морской воды звуковые волны в океане не распространяются прямолинейно. Направление их искривляется вследствие изменения скорости звука в воде. Это явление и называется рефракцией. Кроме того, звуковая энергия рассеивается на взвесях и морских организмах, отражается от поверхности и дна и рассеивается на них и, наконец, ослабляется при распространении сквозь толщу воды.

Чем вызываются шумы моря?

К шумам моря относятся шумы волн и прибоя, шумы, вызываемые атмосферными осадками, сейсмической и вулканической деятельностью, и, наконец, звуки, издаваемые рыбами и прочими морскими организмами. Шумы, вызванные движением судна, работой механизмов, добывающих полезные ископаемые, а также шумы, создаваемые во время подводных и надводных океанографических работ, возникающие вне самих платформ и измерительной аппаратуры, тоже считаются шумами моря.

Волны, приливы, течения

Отчего возникают волны?

Те волны; которые мы привыкли видеть на поверхности воды, образуются главным образом под действием ветра. Однако волны могут вызываться и другими причинами: подводными землетрясениями или извержениями подводных вулканов. Приливы также представляют собой волны.

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.

Скорость распространения звука

Если в морской воде возбудить механические колебания ее частиц (сжатия и разрежения), то, вследствие взаимодействия между ними, эти колебания начнут распространяться в воде от частицы к частице с некоторой скорость с. Процесс распространения колебаний в пространстве называется волной. Частицы жидкости, в которой распространяется волна, не переносятся волной, они лишь совершают колебания около своих положений равновесия. В зависимости от направления колебаний частиц по отношению к направлению распространения волны различают продольные и поперечные волны. В воде возможно возникновение только продольных волн, т. е. тех волн, в которых колебания частиц происходит вдоль направления распространения волн. Продольные волны связаны с объемной деформацией упругой среды. Образование поперечных волн (частицы колеблются в направлении, поперечном распространению) в воде не происходит в связи с тем, что они возникают только в такой среде, которая способна сопротивляться деформации сдвига. Вода же таким свойством не обладает.

Звуковыми волнами называются распространяющиеся в воде слабые возмущения - колебания с малыми амплитудами.

Процесс распространения звуковых волн (скорость звука), благодаря большой частоте колебаний, является адиабатическим, т. е. не сопровождается обменом теплом. В связи с этим морская вода, с точки зрения акустики, аналогична идеальному газу. В отличие от воздуха, морская вода слабо поглощает энергию звуковых колебаний. Кроме того, скорость звука в воде практически не зависит от частоты колебаний, т. е. отсутствует дисперсия волн.

Как известно из физики, скорость распространения звука в сплошной упругой среде определяется формулой :

где К = - = р 0 -(ф/ф)| - адиабатический объемный модуль

упругости, ро - плотность невозмущенной среды, к„ - коэффициент адиабатической сжимаемости. В связи с тем, что и объемный модуль упругости К, и плотность невозмущенной морской воды ро зависят от ее солености, температуры и гидростатического давления, скорость звука тоже определяется этими параметрами состояния (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Зависимость скорости звука морской воды (м с 1) от солености и температуры при атмосферном давлении (а), давления и температуры при S=35 епс (б). При расчетах использовалось УС-80

Давление,дбар

Преобразуем формулу (5.10) таким образом, чтобы в нее входили величины, удобные для расчетов. Для этого перепишем производную, входящую в (5.10), следующим образом:

Сравнивая это выражение с (5.7), получим:

где v - удельный объем, к - коэффициент изотермической сжи- с р

маемости, у = - - отношение удельных теплоемкостей при по-

стоянных давлении и объеме соответственно.

Уравнение (5.11), если использовать уравнение состояния УС -80, можно видоизменить:

где Г - адиабатический градиент температуры.

Формула (5.12) применяется для расчета скорости звука и называется теоретической. Она была использована для составления известных таблиц скорости звука Меттьюза, а также таблиц О.И. Мамаева и некоторых других.

Наряду с теоретической формулой (5.12), существуют эмпирические формулы определения скорости звука, основанные на современных лабораторных методах ее измерения. Наиболее достоверными из них можно считать формулы В. Вильсона , В. Дель Гроссо и К. Чена-Ф. Миллеро .

Наиболее близкой по вычисленным значениям скорости звука к теоретическим с использованием УС-80 является последняя. Она имеет вид:

40 епс (ПШС-78), температуры - от 0 до 40° С (МШПТ-68) и давления - от 0 до 1000 бар. Давлениер входит в (5.14) в барах.

Изменение температуры морской воды вносит в изменение скорости распространения звука наибольший вклад. При ее повышении увеличивается модуль упругости К и уменьшается плотность ро, что приводит, согласно (5.10), к увеличению скорости звука. При этом изменение скорости при изменении температуры на 1°С уменьшается при высоких температурах по сравнению с низкими.

Соленость оказывает меньшее влияние на скорость звука. Отмечено, что соли, содержащиеся в морской воде, по-разному влияют на объемный модуль упругости, т. е. на К, а следовательно, и на скорость звука. При повышении солености, также как и при увеличении температуры, скорость звука увеличивается. Скорость звука увеличивается и при повышении давления.

Рис. 5.5.

Для океанов, где с глубиной отмечается уменьшение температуры воды, характерно уменьшение скорости звука. Однако, начиная с некоторой глубины, повышение гидростатического давления перевешивает роль температуры воды и скорость звука начинает расти. Таким образом, на некотором горизонте формируется слой с минимальными скоростями звука - подводный звуковой канал (рис. 5.5). В нем, благодаря рефракции, звуковые лучи, посланные горизонтально, сосредотачиваются в слое минимума скорости и распространяются на очень большие расстояния (до 15 000-18 000 км).

Среднее значение скорости звука в Мировом океане приблизительно равно 1500 м-с. Более подробно распределение скорости звука в океане описано в работе .

Задачи и вопросы для повторения

• 5.1. Что такое объемный модуль упругости?
• 5.2. Почему адиабатическая сжимаемость меньше изотермической?
• 5.3. Как коэффициент изотермической сжимаемости зависит от солености, температуры и давления морской воды?
• 5.4. Найдите, как меняется внутренняя энергия при адиабатическом сжатии?

Ответ:

Применим метод якобианов - формулы 2.59, 2.60, 2.61, 2.63, 2.67, 2.69, 2.70, 2.71 и 2.72. Имеем:

Все параметры положительные, следовательно - > 0, т. е. при

др 1 ч

адиабатическом сжатии внутренняя энергия возрастает. Объясняется это тем, что при постоянстве энтропии (теплообмен с окружающей средой отсутствует) при увеличении внешнего давления уменьшается среднее расстояние между молекулами, увеличивается их средняя кинетическая энергия, а следовательно, возрастает температура.

• 5.5. Какие волны называются звуковыми?
• 5.6. Что влияет на скорость распространения звука в морской воде?
• 5.7. За счет чего в океане образуется подводный звуковой канал.

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 .