Бреховских Теоретические Основы Акустики Океана скачать

      Комментарии к записи Бреховских Теоретические Основы Акустики Океана скачать отключены

Уважаемый гость, на данной странице Вам доступен материал по теме: Бреховских Теоретические Основы Акустики Океана скачать. Скачивание возможно на компьютер и телефон через торрент, а также сервер загрузок по ссылке ниже. Рекомендуем также другие статьи из категории «Программы».

Бреховских Теоретические Основы Акустики Океана скачать.rar
Закачек 2506
Средняя скорость 7210 Kb/s

Бреховских Теоретические Основы Акустики Океана скачать

На практике чаще используется спектральная плотность или акустическое давление для некоторого диапазона частот, а не их точечное значение, которое измеряется труднее. При этом формула (8.100) интегрируется в пределах заданных частот

Приведенные на рис.8.13 значения акустического давления получены для полосы частот f −0 , 5 .

Библиотека сайта www.fluger.org

Библиотека сайта www.fluger.org

Рис.8.13.Спектры акустического давления шумов океана [ 5 ] . 1,2- максимальный и минимальный уровни динамических шумов. Цифры в квадратикахскорость ветра в баллах; 3,4-максимальный и минимальный уровни подледного шума; 5-усредненный шум извержения подводного вулкана; 6,7-шум рыб семейства горбылевых и креветок; 8-тепловой шум; С-шум судоходных трасс.

Диапазоны шумов: а-сейсми- ческих, б-турбулентных, в- поверхностных волн,

г- технических,д- кавитации и дождя, е- тепловых, ж- биологических.

Динамические шумы генерируются волнами, приливами, падением капель дождя, возникновением или разрушением турбулентных вихрей, любыми возмущениями скорости течения, приводящими к изменениям давления, и поэтому прослеживаются в любом районе океана. В связи с многообразием факторов, вызывающих локальные изменения давления, которые генерируют продольные волны, диапазон шумов этого типа очень широкий (между кривыми 1 и 2 на рис.8.13) и простирается во всем диапазоне частот, приведенных на рисунке. В его килогерцевом диапазоне показана зависимость шума от скорости ветра в баллах (цифры в квадратах). Этот шум обусловлен в основном кавитацией пузырьков воздуха, попавших в воду. Колебания давления от самих ветровых волн и от их обрушения вызывают низкочастотные акустические волны. Шум от приливных явлений усиливается в фазе отлива, когда скорость течения увеличивается. Естественно, что наиболее заметен он в прибрежных районах океана, где коле6ания уровня возрастают. Здесь же возникает шум и от других непериодических длинноволновых явлений.

Возмущения давления из-за турбулентности также довольно низкочастотны и не превышают сотни герц. Более высокочастотный шум генерируется дождем и зависит от его интенсивности, усиливаясь с его увеличением. Максимум этого шума приходится на диапазон 1-3 кГц , но при усилении дождя он простирается до 10 кГц.

Динамические шумы в основном сосредоточены в поверхностном слое океана, но их интенсивность и частотный диапазон меняются в пространстве и во времени в зависимости от действия факторов, их вызывающих. При этом их высокочастотная составляющая локализуется в районе ее генерации, а низкочастотная распространяется на большое расстояние, позволяя получить

Библиотека сайта www.fluger.org

Библиотека сайта www.fluger.org

представление о положении, например, вызвавших их барических возмущений.

К категории динамических шумов иногда принято относить тепловые шумы, вызванные движением молекул. Это высокочастотные волны, простирающиеся в мГц диапазон, но обусловленные ими изменения давления очень малы (линия 8 на рис.8.13). Из-за быстрого ослабления с расстоянием эти волны создают шумовой фон около чувствительного приемника.

Категория сейсмических шумов выделяется в связи с их низкой частотой, составляющей от долей до десятков Гц, и довольно высоким уровнем возмущений давления (кривая 5 на рис.8.13). Они обусловлены подводной вулканической деятельностью, оползнями и подвижками дна. Срединные океанические хребты и окраины материковых склонов наиболее активны в сейсмическом отношении. В них постоянно с большей или меньшей интенсивностью происходят колебания дна, а при извержении вулкана создается аналог подводного взрыва, который прослеживается на расстоянии в тысячи

километров. Возможность предвычисления очага возникновения акустической волны от подвижек дна, могущих привести к цунами, имеет большое значение в службе предупреждения этого явления. Дно океана испытывает постоянные микросейсмические колебания. Они могут быть следствием как более крупных землетрясений, так и локальных возмущений, оползнями грунта, следствием образования на поверхности океана стоячих волн давление которых передается дну. Спектр шумов, возбуждаемых этими колебаниями, мало меняется во времени и однороден по всему океану. Диапазон частот и колебаний давления этого шума не превышает десятка Гц, и единиц Па.

В замерзающих морях выделяется категория ледовых шумов. Они обусловлены столкновением льдин, их торошением, изгибным потрескиванием льдин при изменениях уровня моря, растрескиванием из-за термического изменения объема при понижении температуры, трением движущегося снега по поверхности льда. Такой широкий диапазон действующих факторов приводит к тому, что частотный спектр шума простирается, от единиц до тысяч Гц. Их низкочастотная составляющая обусловлена торошением льда. При этом могут возникать отдельные максимумы давления на частотах в несколько десятков Гц. Такие акустические сигналы всегда привлекают внимание практиков, так как позволяют определить направление движения фронта торошения льда.

Термическое изменение объема морского льда и происходящее при этом растрескивание вызывает шум в несколько более высокочастотном диапазоне с максимумом 100−300 Гц, на котором давление составляет величину порядка 10 -3 Па/Гц 0,5 . От этого максимума акустическое давление убывает в сторону как высоких частот, так и низких.

Библиотека сайта www.fluger.org

Библиотека сайта www.fluger.org

Шум трущихся и сталкивающихся при движении льдин находится в еще более высоком диапазоне частот от 10 2 до 1О 4 Гц. Наблюдения показывают, что он зависит от толщины льда, увеличиваясь с его уменьшением, и от скорости их движения. Но значения изменений акустического давления оказываются небольшими, не превышающими 10 -3 Па/Гц 0,5 . Несмотря на довольно слабую интенсивность этого рода шумов, они могут привлечь внимание океанологов, чтобы попытаться по ним оценить коэффициент бокового взаимодействия льдин, знание которого очень важно при расчете дрейфа сплоченного льда. Еще более высокочастотная составляющая ледового шума вызвана трением движущегося снега о лед. Это явление вызывает шум в килогерцевом диапазоне частот, но интенсивность его небольшая.

Характерной чертой ледовых шумов является их локализация в поверхностном слое океана обычно в ограниченных районах, и, как видно из рис. 8.14, их акустическое давление убывает с ростом частоты.

Биологические шумы обусловлены возбуждением резонанса плавательного пузыря рыб, щелчками клешней ракоо6разных и раковин моллюсков, импульсными сигналами китообразных и других морских животных и т.д. Все эти сигналы весьма разнообразны по форме, что позволяет по ним определять вид излучателя (рис.8.14).

Некоторые виды рыб излучают низкочастотные звуки с максимумом давления на частоте в несколько десятков Гц, другие (горбылевые) — более высокочастотные с максимумом на частотах в несколько сотен Гц. Максимум спектра шума моллюсков, раков находится в пределах от единиц до десятков кГц.

Рис.8.14. Осциллограммы звуков, издаваемых морскими организмами [ 1 ] .

а- рак-щелкун, б- умбрина семейства горбылевых, в- рыба-жаба.

Весьма своеобразны сигналы китообразных, представляющих собой очень узкие спектры, находящиеся как в полосе нескольких Гц, так и в кГц диапазоне. Все эти спектры имеют специфическую форму, позволяющую различать их принадлежность определенному объекту, а также акустическое давление. Максимум давления в спектре шума рыб составляет 10 -1 — 10 -2 Па/Гц 0,5 , в шуме ракообразных — на порядок

Библиотека сайта www.fluger.org

Библиотека сайта www.fluger.org

меньше. Особенно интенсивные звуки издают киты. У них акустическое давление, приведенное к расстоянию 1 м от источника, составляет 10 2 — 10 4 Па. Сильные шумы издают рыбы в период нереста, т.е. существует его годовой ход, а также суточный, обусловленный активностью рыб.

Изучение звуков, излучаемых представителями морской фауны, имеет большое практическое значение в промысловой океанологии, позволяя методом пассивной локации, т.е. по шуму, выявлять места скоплений рыбы.

Технические шумы вызваны излучением акустических волн различными сооружениями. Сюда относятся шумы корабельные, от технических сооружений, портовые, от сооружений на берегу, при работе которых колебания почвы передаются воде. Наибольший вклад в шумы открытого моря вносят корабельные шумы. Они вызваны шумом гребных винтов, вибрацией корпуса судна и кавитационным

шумом в кильватерной струе и в носовом буруне. Существует пропорциональность между скоростью вращения винта с учетом числа лопастей в нем, и частотой шума, приводящая к пику в низкочастотной части спектра в диапазоне десятков Гц.

Кавитация пузырьков воздуха вызывает более высокочастотный шум. Перечисленное в совокупности приводит к тому, что диапазон корабельных шумов простирается от 10 до 10 3 Гц. Из рис.8.13 видно, что спектр корабельных шумов отличается от других, позволяя его выделять. Это широко используется при обнаружении надводных и подводных кораблей акустическими средствами. Причем удается определять тип судна.

Приведенный на рис.8.13 спектр всех перечисленных шумов оказывается сложным и выделить из него шум конкретного объекта удается только в том случае, если он отличается по частоте и уровню от других и его можно отфильтровать.

1. Акустика океана . Под ред. Л .М. Бреховских.- М.: Наука, 1974 — части

2. Акустика океана . Под ред. Дж.Де Санто. Пер. с англ.- М.:Мир,1982 — гл.2.

3. Алексеев Г . В . Математические основы акустики океана.

(Учебное пособие). Владивосток, ДВГУ, 1988 — гл. 1,2,3. 4. Богородский А . В ., Яковлев Г . В ., Корепин Е . А ., Должиков А . К .

Гидроакустическая техника исследования и освоения океана. — Л.: Гидрометеоиздат, 1984 — гл. 1,2.

5 . Бреховских Л . М ., Лысанов Ю . П . Теоретические основы акустики океана. — Л.: Гидрометеоиздат, 1982 — 264с.

6. Бреховских Л . М ., Лысанов Ю . П. Акустика океана. В кн.:

Океанология. Т.2, Гидродинамика океана. — М.: Наука, 1978, гл.2.

Библиотека сайта www.fluger.org

Библиотека сайта www.fluger.org

Вопросы для самопроверки

1- Почему на практике для расчета скорости звука в океане используется не точная аналитическая формула, а приближенные?

2 — В чем состоят достоинства и недостатки волнового и лучевого подходов к описанию распространения звука в океане?

3 — Как меняются акустическое давление и интенсивность звука с расстоянием в плоской, цилиндрической и сферической акустических волнах в идеальной жидкости?

4 — Как влияет стратификация океана на траекторию акустического сигнала и на интенсивность звука вдоль нее?

5 — Как определяются границы подводного звукового канала и чем он характерен?

6 — Каковы законы горизонтальной рефракции акустического сигнала?

7 — Как зависит ослабление звука в океане от частоты излучаемого сигнала? 8 — Что понимается под уравнением гидролокации?

9 — Почему возникает явление реверберации звука в океане?

10 -Чем различаются акустические шумы в океане и каково их практическое значение?

11 — В чем заключается суть раздела акустики, называемого акустической томографией?

  • В книжной версии

    Том 1. Москва, 2005, стр. 378

  • Скопировать библиографическую ссылку:

    АКУ́СТИКА ОКЕА́НА, раз­дел гид­ро­аку­сти­ки, изу­чаю­щий рас­про­стра­не­ние зву­ко­вых волн в океа­не. Зву­ко­вые вол­ны – един­ст­вен­ный вид из­лу­че­ния, ко­то­рый спо­со­бен рас­про­стра­нять­ся в океа­не на рас­стоя­ния в сот­ни и ты­ся­чи ки­ло­мет­ров. По­это­му А. о. иг­ра­ет важ­ную роль в про­цес­се ос­вое­ния и изу­че­ния океа­на. На ис­поль­зо­ва­нии зву­ко­вых волн ос­но­ва­ны под­вод­ная ло­ка­ция и связь, об­на­ру­же­ние рыб­ных ко­ся­ков, изу­че­ние био­ло­гич. со­ста­ва глу­бо­ко­вод­ных зву­ко­рас­сеи­ваю­щих сло­ёв, вет­ро­во­го вол­не­ния, не­од­но­род­но­стей вод­ной тол­щи и под­вод­но­го грун­та. Аку­сти­че­ская то­мо­гра ­фия океа­на по­зво­ля­ет оп­ре­де­лять трёх­мер­ную струк­ту­ру вод­ных масс на боль­ших ак­ва­то­ри­ях.

    АКУСТИКА ОКЕАНА, раздел гидроакустики, изучающий распространение звуковых волн в океане. Звуковые волны — единственный вид излучения, который способен распространяться в океане на расстояния в сотни и тысячи километров. Поэтому акустика океана играет важную роль в процессе освоения и изучения океана. На использовании звуковых волн основаны подводная локация и связь, обнаружение рыбных косяков, изучение биологического состава глубоководных звукорассеивающих слоёв, ветрового волнения, неоднородностей водной толщи и подводного грунта. Акустическая томография океана позволяет определять трёхмерную структуру водных масс на больших акваториях.

    Основные акустические характеристики океана: скорость звука, затухание звука, собственные шумы океана. Скорость звука в морской воде изменяется мало и лежит обычно в пределах 1450-1540 м/с. Однако даже такие небольшие её изменения существенным образом сказываются на распространении звука. Скорость звука зависит от температуры, солёности и гидростатического давления (или глубины z). При увеличении температуры и солёности скорость звука растёт, причём наибольшее влияние оказывает температура воды. Скорость звука резко изменяется по глубине (рисунок 1).

    Вертикальный градиент скорости звука в большинстве районов Мирового океана примерно в тысячу раз больше горизонтального. Исключение представляют лишь области схождения тёплых и холодных течений, где горизонтальный градиент сопоставим с вертикальным. Поэтому в первом приближении океан можно считать стратифицированной (горизонтально-слоистой) средой. Под совместным влиянием температуры, солёности и гидростатического давления в океане образуется подводный звуковой канал (ПЗК) — слой с минимумом скорости звука на некоторой глубине. Луч, вышедший из излучателя под не слишком большим углом скольжения, вследствие рефракции звука будет вновь и вновь возвращаться к оси канала. Такое распространение называется волноводным. Максимальная дальность распространения звука в ПЗК ограничивается главным образом затуханием звука в морской воде. Звук низких частот, для которых затухание мало, может распространяться на огромные расстояния. Это явление получило название сверхдальнего распространения звука в океане.

    Ряд интересных особенностей возникает при расположении излучателя звука вблизи поверхности. На рисунке 2 видна типичная для ПЗК зональная структура звукового поля, представляющая собой последовательность облучённых зон и зон акустической тени. В зоны тени не попадают прямые звуковые лучи; интенсивность отражённых от дна лучей мала из-за утечки акустической энергии в грунт. Иногда отчётливая зональная структура в океане наблюдается на протяжении очень больших расстояний (свыше 2000 км).

    Вторичный выход звуковых лучей на малые глубины после их поворота в глубинных слоях обычно связан с их сгущением, вследствие чего эти области называются зонами конвергенции, и образованием каустических поверхностей (жирные линии на рисунке 2). Типичная горизонтальная протяжённость зон тени в глубоком океане составляет 60-65 км, а зон конвергенции — 10-15 км. В арктических и антарктических районах ось канала находится вблизи поверхности (приповерхностный звуковой канал). В ряде районов существует двухосевой канал, когда одна ось находится на поверхности, а другая на некоторой глубине.

    На более низких частотах звуковое поле в стратифицированном океане может быть представлено в виде суперпозиции нормальных волн (мод). Число распространяющихся мод зависит от отношения длины звуковой волны к глубине океана. Чем больше это отношение, тем меньше число распространяющихся мод. При плавном изменении свойств океана (глубины, профиля скорости звука) взаимодействием мод можно пренебречь (адиабатическое приближение).

    Распространение звука в океане сопровождается рассеянием звуковых волн (смотри Рассеяние звука). Основными рассеивателями являются поверхностное волнение, случайные объёмные неоднородности водной толщи, воздушные пузырьки, косяки рыб, глубоководные звукорассеивающие слои, неоднородности грунта и неровности донного рельефа. В результате рассеяния звука возникает морская реверберация — основная помеха для гидролокации. С другой стороны, рассеянные поля содержат информацию об акустических параметрах рассеивателей, которая может быть получена путём решения обратной задачи.

    Важная акустическая характеристика океана — его собственные подводные шумы. Они содержат большой объём информации о состоянии поверхности океана, атмосферы над ним, о тектонических процессах в океанической коре, о поведении морских животных. С изменением частоты в интервале от 0,1 Гц до 100 кГц уровень подводных шумов в среднем уменьшается на 100 дБ. Основными источниками подводных шумов являются подводные землетрясения, турбулентность в атмосфере и океане, обрушение волн, судоходство, дождь, перемещение ледяных полей и отдельных льдин, шумы, создаваемые морскими животными.

    Лит.: Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. 2-е изд. М., 1973; Акустика океана / Под редактор Л.М. Бреховских. М., 1974; Бреховских Л.М., Лысанов Ю.П. Теоретические основы акустики океана. Л., 1982.


    Статьи по теме