9.3. Рефракция звуковых лучей. Подводный звуковой канал

При распространении звуковых лучей в акустически неоднород­ной среде наблюдается искривление траектории звукового луча, называемое рефракцией. Характер рефракции определяется знаком и величиной градиента скорости звука. Наибольшие градиенты скорости звука в море наблюдаются в вертикальной плоскости, поэтому в этой плоскости отмечается и наибольшая рефракция.

Звуковой луч, падающий на границу раздела двух сред с различной скоростью звука, частично отражается от поверхности раздела и частично преломляется, проникая во вторую среду. Границы раздела могут быть между водой и воздухом, водой и дном, между слоями воды с различной плотностью. Если разница в скорости звука велика, то происходит почти полное отражение звука. Так, через границу раздела вода-воздух проходит примерно одна тысячная доля падающей звуковой энергии, т. е. поверхность моря является практически идеальной для отражения звука. Песчаное дно отражает примерно 13% падающей на него звуковой энергии, остальная энергия проходит в грунт.

Если разница в скорости звука невелика, звук проходит границу раздела двух сред без значительных потерь, испытывая рефракцию.

Рассмотрим падение звукового луча под произвольным углом i на границу двух слоев воды с разными скоростями звука с₁ и с₂ (рис. 14). Поведение звуковых волн на этой границе подчиняется законам отражения и преломления:

1) угол падения равен углу отражения, т.е. i = i′;

2) отношение синуса угла падения к синусу угла прелом­ления есть величина постоянная и равная отношению скоростей распространения звука в этих средах, т.е.

, где n-показатель пре­ломления, а β - угол преломления. Если с₁ > с₂, то i > β, а n > 1; если с₁ < с₂, то i < β , а n < 1. Следовательно, значение показателя преломления зависит от значения и знака вертикального градиента скорости звука. Угол преломления β может быть больше или меньше i в зависимости от соотношения скоростей звука в отдель­ных слоях. При с₁ > с₂ звуковой луч, искривляясь, приближается к нормали к поверхности раздела слоев, а при с₁ < с₂ звуковой луч отдаляется от нормали. Таким образом, звуковые лучи отклоняются в сторону слоев, имеющих меньшую скорость звука.

Рис. 14. Рефракция звукового луча

При переходе звукового луча из слоя с меньшей скоростью с₁ в слой с большей скоростью с₂ угол i может иметь такое критическое значение, при котором угол β=90⁰ , т. е. преломленный луч пойдет вдоль поверхности раздела. Этот луч называется предельным, а угол падения, при котором происходит «полное внутреннее отражение», называтся критическим углом. Его значение можно определить, полагая sin β = 90⁰ = 1. Тогда , откуда .

Например, при переходе звуковых волн на границе воздух (с₁=334 м·с^-1) - вода (с₂=1500 м·с^-1) критический угол будет равен sin i = 0,22;i = 12,7⁰.

Рефракцию необходимо учитывать при определении дальности распространения звука. Чем больше стратифицировано море, тем больше искривляется звуковой луч, тем меньше дальность распространения звука.

В зависимости от наблюдаемого в море вертикального распределения скорости звука (градиентов скорости звука) выделяется четыре типа рефракции:

- положительная рефракция, наблюдаемая при возрастании скорости звука с глубиной (положительный градиент скорости звука);

- отрицательная рефракция, наблюдаемая при убывании скорости звука с глубиной (отрицательный градиент скорости звука);

- изменение положительной рефракции в поверхностном слое, в котором возрастает скорость звука с глубиной, на отрицательную в нижележащих слоях, в которых скорость звука убывает с глубиной (переход от положительного градиента скорости звука к отрицательному);

- подводный звуковой канал, наблюдаемый при убывании скорости звука в верхнем слое и возрастании в нижнем (переход от отрицательного градиента скорости звука к положительному) .

В тех случаях, когда скорость звука с глубиной не меняется, траектории звуковых лучей будут представлять прямые линии - рефракция отсутствует.

При увеличении скорости звука с глубиной (градиент скорости звука положительный) наблюдается положительная рефракция - звуковые лучи искривляются в сторону поверхности моря (рис. 15).

Рис.15. Рефракция звуковых лучей при увеличении скорости звука с глубиной (положительная рефракция).

Распространение звука сопровождается многократными отражениями от поверхности моря, а потери звуковой энергии ничтожны. Образуется приповерхностный звуковой канал. Звуковые лучи при положительной рефракции «образуют кружево, подвешенное к поверхности моря».

При убывании скорости звука с глубиной (отрицательный градиент скорости звука)наблюдается отрицательная рефракция - звуковые лучи искривляются в сто­рону дна (рис. 16).

Рис.16. Рефракция звуковых лучей при уменьшении скорости звука с глубиной (отрицательная рефракция).

Звуковые лучи отражаются от дна и при каждом отражении часть звуковой энергии переходит в грунт, что заметно снижает дальность распространения звука. Кроме того, между предельным лучом, выходящим из источника звука, и поверх­ностью моря образуются зоны, куда не попадают звуковые лучи, независимо от мощности, направленности и ориен­тации излучателя. Эти зоны называются зонами акустической тени в отличие от зон, в которых распространяются звуковые лучи и которые называются освещенными зонами. Наличие зон акустической тени неблагоприятно для работы гидроакустических приборов. Приемники, находящиеся в зоне тени, либо совсем не принимают сигналы излучателя, либо принимают их сильно ослабленными.

При увеличении скорости звука в поверхностном слое и ее убывании от нижней границы этого слоя до дна (изменение положительного градиента скорости звука на отрицательный) наблюдается изменение положительной рефракции в верхнем слое на отрицательную в нижележащих слоях (рис. 17).

Рис. 17. Рефракция звуковых лу­чей приувеличении скорости звука в поверхностном слое и ее убывании ко дну (изменение положительной рефракции в верхнем слое на от­рицательную в нижележащих слоях).

В этом случае происходит расщепление звукового луча (точка В) на два луча, один из которых (ВС) после полного внутреннего отражения отклоняется к поверхности моря, а другой (ВЕ) проникает в нижележащие слои и отклоняется ко дну. Между ними создается зона акустической тени, что значительно уменьшает дальность действия гидроакустической аппаратуры.

Подводный звуковой канал (ПЗК) определяется как слой в толще воды, в котором звуковые лучи распростра­няются, испытывая многократное внутреннее отражение (рис. 18). При этом звуковая энергия концентрируется вдоль оси канала, что создает условия сверхдальнего распространения звука.

Явление сверхдальнего распространения звука в море было открыто независимо американскими учёными М. Ивингом и Дж. Ворцелем (1944) и советскими учёными Л. М. Бреховских и Л. Д. Розенбергом (1946).

Для возникновения подводного звукового канала необходимо, чтобы на некоторой глу­бине отмечался минимум скорости звука. Выше этой глубины скорость звука увеличивается из-за повышения температуры, а ниже - вследствие увеличения гидростатического давления. Слой с минимальной скоростью звука называется осью подводного звукового канала.

Рис. 18. Подводный звуковой канал

Если излучатель помещен на оси звукового канала, звуковой луч, вышедший из излучателя в сторону поверхности моря, будет описывать параболическую кривую, обращенную своей выпуклостью к поверхности (скорость с глубиной уменьшается - отрицательная рефракция). Испытав полное вну­треннее отражение, луч достигнет оси канала, ниже которой закон изменения скорости с глубиной обратный (скорость с глубиной растет - положительная рефракция). Траектория звукового луча изогнется выпуклостью ко дну, и луч, вновь испытав полное внутреннее отражение, достигнет оси канала. Звуковой луч, отклонившийся от оси канала вверх или вниз, вследствие рефракции всегда стремится попасть в него обратно.

Обычно дальность распространения звука в океане составляет десятки или сотни километров. В зоне подводного звукового канала отмечается сверхдальнее распространение звука. Если поместить излучатель и приемник звука на оси канала, то даже звуки средней интенсивности могут быть зарегистрированы на расстоянии в сотни и тысячи км. Так звук от взрыва заряда массой 22,5 кг на оси канала вблизи Африки был зарегистрирован у берегов Новой Зеландии на расстоянии 10000 км.

Пределы дальности распространения подводных звуков лимитируются 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 некоторыми морскими животными