ГИДРОАКУСТИКА
(от
гидро...
и
акустика), раздел акустики, изучающий распространение звуковых волн
в реальной водной среде (в океанах, морях, озёрах и т. д.) для целей подводной
локации, связи и т. п. Существенная особенность подводных звуков - их малое
затухание, вследствие чего под водой звуки могут распространяться на значительно
большие расстояния, чем, напр., в воздухе. Так, в области слышимых звуков
для диапазона частот 500 - 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 естеств. условиях,
кроме затухания, обусловленного свойствами самой воды (т. н. вязкого затухания),
сказываются ещё рефракция звука и его рассеяние и поглощение различными
неоднородностями среды.
Рефракция звука, или искривление пути
звукового луча, вызывается неоднородностью свойств воды, гл. обр. по вертикали,
вследствие трёх осн. причин: изменения гидростатич. давления с глубиной,
изменения солёности и изменения темп-ры вследствие неодинакового прогрева
массы воды солнечными лучами. В результате совокупного действия этих причин
скорость распространения звука, составляющая ок. 1450 м/сек для
пресной воды и ок. 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 нек-рым углом
к горизонту, изгибаются, причём направление изгиба зависит от распределения
скоростей звука в среде (рис. 1). Летом, когда верхние слои теплее нижних,
лучи изгибаются книзу и в большинстве своём отражаются от дна, теряя при
этом значит, долю своей энергии. Наоборот, зимой, когда нижние слои воды
сохраняют свою темп-ру, между тем как верхние слои охлаждаются, лучи изгибаются
кверху и претерпевают многократные отражения от поверхности воды, при к-рых
теряется значительно меньше энергии. Поэтому зимой дальность распространения
звука больше, чем летом. Вследствие рефракции образуются т. н. мёртвые
зоны (зоны тени - см. рис. 1,а), т. е. области, расположенные недалеко
от источника, в к-рых слышимость отсутствует.
Наличие рефракции, однако, может приводить
к увеличению дальности распространения звука - явлению сверхдальнего распространения
звуков под водой. На нек-рой глубине под поверхностью воды находится слой,
в к-ром звук распространяется с наименьшей скоростью; выше этой глубины
скорость звука увеличивается из-за повышения темп-ры, а ниже - вследствие
увеличения гидростатич. 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
(рис. 2). Если поместить источник и приёмник звука в этом слое, то даже
звуки средней интенсивности (напр., 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, напр., у поверхности.
В этом случае лучи, рефрагируя книзу, заходят в глубоководные слои, где
они отклоняются кверху и выходят снова к поверхности на расстоянии в неск.
десятков км от источника. Далее картина распространения лучей повторяется
и в результате образуется последовательность т. н. вторичных освещённых
зон, к-рые обычно прослеживаются до расстояний в неск. сотен км. Явление
сверхдальнего распространения звука в море было открыто независимо амер.
учёными М. Ивингом и Дж. Вор-целем (1944) и сов. учёными Л. М. Бре-ховских
и Л. Д. Розенбергом (1946).
Рис. 2. Распространение звука в подводном
звуковом канале: а - изменение скорости звука с глубиной; 6 -
ход лучей в звуковом канале
На распространение звуков высокой частоты,
в частности ультразвуков, когда длины волн очень малы, оказывают влияние
мелкие неоднородности, обычно имеющиеся в естеств. 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 практич. применений
Г., в частности для гидролокации.
Пределы дальности распространения подводных
звуков лимитируются ещё и т. н. собств. 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 (подробнее
см. Биогидроакустика).
Т. получила широкое практич.
применение, т. к. никакие виды электромагнитных волн, включая и световые,
не распространяются в воде (вследствие её электропроводности) на сколько-нибудь
значит, расстоянии, и звук поэтому является единств, возможным средством
связи под водой. Для этих целей пользуются как звуковыми частотами от 300
до 10 000 гц, так и ультразвуками от 10 000 гц
и выше. В
качестве излучателей и приёмников в звуковой области используются электродинамич.
и пьезоэлектрич. излучатели и гидрофоны, а в ультразвуковой - пьезоэлектрич.
и магнитострик-ционные. Из наиболее существенных применений Г. следует
отметить эхолот, гидролокаторы, к-рыми пользуются для решения воен.
задач (поиски подводных лодок противника, бесперископная торпедная атака
и т. д. ); для мореходных целей (плавание вблизи скал, рифов и ДР-), рыбопромысловой
разведки, поисковых работ и т. д. Пассивным средством подводного наблюдения
служит шумопеленгатор, позволяющий определить направление источника
шума, напр, корабельного винта. Подводные мины снабжаются т. н. акустич.
замыкателями (взрывателями), вызывающими взрыв заряда мины в момент прохождения
над ней корабля. Самодвижущиеся торпеды могут самонаправляться на корабль
по его шуму и т. д.
Лит.: Физические основы подводной
акустики, пер. с англ., под ред. В. И. Мяси-щева, М., 1955; Бреховских
Л. М., Волны в слоистых средах, М., 1957; Подводная акустика, пер. с англ.,
под ред. Л. М. Бреховских, т. 1, М., 1965, т. 2, М., 1970; Сташкевич А.
П., Акустика моря, Л., 1966; Толстой И., Клей К. С., Акустика океана, пер.
с англ., М., 1969.
Л. Д. Розенберг. Р. Ф. Швачко.
А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я