9. Акустические свойства морской воды

9.1. Скорость распространения звука

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 16-20×10³ Гц. Физическое понятие звук охватывает как слышимые, так и неслышимые звуки. Звук с частотой ниже 16 Гц называется инфразвуком, выше 20 ×10³ Гц - ультразвуком; самые высокочастотные акустические колебания в диапазоне от 10⁹ до 10¹²-10¹³ 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 13⁰С, давлении 1 атм и солености 35‰ равна 1494 м·с^-1; как уже указывалось, она увеличивается с ростом температуры (3 м·с^-1 на 1⁰С), 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.