CC BY
136
ПРОБЛЕМА РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗВУКА В ВОДЕ Коваленко А.А.
Коваленко Ангелина Александровна - студент, Институт микроприборов и систем управления имени Л.Н. Преснухина Московский институт электронной техники, г. Москва
Вода - идеальная среда для распространения акустических волн, где скорость звука практически в пять раз выше, чем в воздухе. Но все не так просто -распространение звуковых волн зависит от неоднородности среды. Насчитано около тридцати факторов аномалии, влияющих на распространение звука в воде. Отметим следующие, немаловажные факторы, такие как [3]: температура воды. При изменении температуры на 1 градус Цельсия соответственно изменяется скорость звука на 3,58 метров в секунда; соленость воды. Скорость звука изменяется соответственно на 1,2 м/сек; величина давления. Она прямо пропорционально зависит от глубины погружения (чем глубже, тем давление выше), то есть с каждыми 30 метрами скорость звука в воде увеличивается на 0,6 м/сек. На практике заметили, что эти величины изменяются только в вертикальном направлении, поэтому имея информацию об изменении величин в данном направлении, можно судить о типе гидрологии, который как раз определяет траекторию распространения звука.
В гидрологии имеет место быть понятие рефракции звука. Рефракция - это преломление звуковых лучей в неоднородной среде, где скорость звука зависит от координат. Для удобства анализа звука логично представить, что звук в воде распространяется в виде лучей, имея в виду, что из-за особенности водной среды лучи никогда не распространяются по прямой. Использование моделей лучей позволяет отказаться от волновой природы звука и использовать законы оптики.
На рисунке 1 представлена траектория распространения звука, подобно лучу, отражающемуся от некоторых зон водной среды.
о ю 20 30
Range (km)
^i- |—
•95 -90 -85 -80 Transmission Loss (<Ш re 11m)
Рис. 1. Трассировка звуковых лучей
В ситуации, когда с ростом глубины уменьшается скорость звука, звуковые лучи искривляются вниз, что свидетельствует об отрицательной рефракции. Если скорость звука с ростом глубины увеличивается, то звуковые лучи искривляются наоборот - вверх, что свидетельствует о положительной рефракции [2]. В морской природе с большой вероятностью можно встретить такие области глубин, где скорость звука минимальна. Такие области соответствуют местам в водной среде с
очень низкой температурой воды. Если звук будет распространяться в такой области, то часть его лучей будет тормозиться границами сред с температурой выше и это приведет к образованию звукового канала. Если на глубине будет термоклин. Термоклин и есть область, куда практически не попадают звуковые лучи, именно по этой причине обнаружить какое-либо подводное судно или морской объект будет очень затруднительно.
Процесс, который был описан выше, показан на рисунке 2. Так как лучи распространения звука изгибаются к таким участкам среды, где имеется меньшая скорость, то они будут концентрироваться в этом слое. Такой слой называется подводным звуковым каналом.
Скорое 1ъ эаукд Поверхность моря
Не только из-за особенностей распределения звука в воде можно не поймать сигнал от источника. Услышать работу подводной лодки, находящейся на глубине, практически невозможно на суше и из-за шумности следящего наводного корабля и пассивные гидроакустические средства не решают эту проблему. Гидролокаторы, зондирующие толщу океана низкочастотными сигналами, тоже не всегда эффективны из-за того, что их работу на подводной лодке услышат быстрее, чем установится контакт с шумопеленгатором. Шумопеленгатором называется такой прибор, который определяет направление прихода звукового луча или шума. Проблема измерения акустического поля корабля и других подводных объектов является актуальной для современной измерительной гидроакустики. Акустические поля являются единственными полями, которые имеют способность распространяться на значительные расстояния в морской среде.
Величины шумов соизмеримы или имеют большие значения по отношению к значениям уровней полезного сигнала. За это отвечает значение такого технического параметра, как «сигнал/шум». Причиной шума может быть и тепловой шум в компонентах системы, недостаточная разрядность АЦП, аномальные явления морской среды и различные резонансные явления [2]. Для определения отношения сигнал шум как раз потребуется суммарное значение всех шумов. Отношение мощности полезного сигнала к отношению мощности шума характеризует сигнал/шум. Чем больше это отношение, тем меньше шум влияет на характеристики системы [2].
Эта величина позволяет сравнивать различные устройства по частоте передачи сигнала.
Поэтому шумность тесно связана с измерением и достоверностью информации акустического поля. Таким образом, снижение шумности - одна из важнейших задач метрологических организаций, ответственных за создание метрологических средств и гидроакустических измерений. Перед специалистами была поставлена достаточно сложная задача, которая заключалась в обеспечении измерения параметров акустических сигналов в присутствии помех, уровни которых достаточно сильно
Рис. 2. Изменение скорости звука с глубиной
(1.1)
превышают уровни самих измеряемых сигналов. Изучения процессов образования гидроакустических полей, которые обосновывались результатом обтекания объектов жидкостью показало, что также эти поля могут присутствовать в дальнем поле обтекаемого тела. Близкие по принципу поля оказались полезными для гидролокации сигналов. Их спектр принадлежит низкочастотному диапазону ниже 20 Гц, что свидетельствует о распространении на достаточно большие расстояния [1].
Для определения направления источника акустического давления необходимы одиночные системы, или системы с протяженностью больше 2 км, эта необходимость накладывается на условие исследований в диапазоне частот от 1 до 10 Гц. Исследования на низких частотах привело к привлечению внимания к разработкам векторных приемников и увеличению их помехоустойчивости, так как как раз они принимают сигнал на низких частотах.
Список литературы
1. Трохан A.M., Коновалов C. J1. Гидроакустические автономные измерительные системы. Некоторые итоги и перспективы // М.: Проблемы и методы гидроакустических измерений: Сборник научных трудов ФГУП «ВНИИФТРИ». 2003. С. 72-80.
2. Карташев В.Г. Основы теории дискретных сигналов и цифровых фильтров: Учеб. пособие для вузов. М.: Высш. школа, 1982. 109 с.
3. Кистович А.В. Введение в гидродинамику и акустику океана. Монография. Менделеево: ФГУП «ВНИИФТРИ». 2011, 275 с.
