Рефракция акустического луча

Поскольку скорость звука в океане меняется, изменяется и угол скольжения акустического луча при переходе от одного слоя к другому. При ее применении на практике океан представляется состоящим из слоев с постоянными плотностями воды и скоростями звука. Так как океан в горизонтальном направлении более однороден, чем в вертикальном, слои обычно выделяют по глубине. Они могут быть разной толщины, и чем она меньше, тем точнее аппроксимируется непрерывный профиль скорости звуков и точнее описывается направление акустического луча.

Соотношение между скоростями звука и направлением луча выражено формулой (8.55), которая называется закон Снеллиуса

(8.55)

В ряде случаев удобнее его записывать не через углы падения, а через

углы скольжения c

(8.56)

Эта формула является основой, по сути, всей лучевой акустики и широко используется на практике.

Из формулы (8.55) следует (i – номер слоя)

(8.63)

На основании этой формулы следует, что увеличение скорости звука приводит к уменьшению угла скольжения луча и наоборот, т.е. при переменной скорости звука акустический луч искривляется рефрагирует. Характер этой рефракции показан на рис.8.5.

Рис.8.5. Вертикальные профили скорости звука С и акустического луча r.

Из формулы (8.63) следует и из рисунка видно, что акустический луч изгибается в сторону уменьшения С. Из треугольника oab следует d r / d z = ctgc. Если считать треугольник бесконечно малым, то dr = ± dz ctgc. (8.64) Знак + используется в том случае, если луч направлен вниз, а знак если он идет вверх.

Наиболее заметное изменение траектории луча происходит, если он встречает холодное или теплое течение, синоптические вихри с распределением температуры и солености, отличающихся от окружающей среды. В этом случае луч испытывает отклонение в сторону более низкой температуры или солености.

При прохождении акустического луча через внутренние волны происходит его отклонение от первоначального направления как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях из-за флуктуаций скорости звука в волне. Рефракцию акустического луча трудно точно зарегистрировать наблюдениями, поэтому чаще фиксируется сдвиг сигнала по фазе или его амплитуда. Фаза сигнала зависит от его частоты и времени пробега.

Изменение интенсивности звука с расстоянием закономерности отражения и прохождения звука через поверхность раздела жидких сред с различной плотностью справедливы, если эта поверхность ровная. Оно не выполняется при слоистой аппроксимации океана на его поверхности и на дне. К разным участкам взволнованной поверхности океана и к неровностям

донного рельефа лучи акустической волны подходят, по сути, под разными углами. Поэтому геометрическое отражение происходит в разных направлениях (рис. 8.12).

Рис.8.12. Схема рассеяния (штриховые линии) акустических лучей (сплошные линии)от

поверхности волны.

При рассмотрении такого характера отражения принято выделять в нем когерентную (регулярную) и некогерентную (случайную) составляющие. По когерентной составляющей отраженного давления определяется коэффициент отражения, а по некогерентной – коэффициент рассеяния.

Из-за рассеяния части энергии акустической волны коэффициент ее отражения всегда будет меньше, чем при идеализированной ровной поверхности. По коэффициенту рассеяния можно судить о взволнованности поверхности океана.

Отражение и рассеяние звука происходит также в толще океана пузырьками воздуха, рыбами и другими организмами, объемами воды с возмущениями температуры и солености. Последние обусловлены мезомасштабными вихрями, внутренними волнами, турбулентностью.

Наиболее сильно рассеивают энергию акустических волн пузырьки воздуха и плавательные пузыри рыб, которые под действием переменного акустического давления пульсируют и возбуждают в окружающей их воде сферические продольные волны.

Оказывается, что резонансный пузырек рассеивает звук в 20 тыс. раз сильнее, чем нерезонансный рассеиватель такого же размера. Поэтому в слое волнового перемешивания, насыщенного пузырьками воздуха, происходит очень сильное рассеяние звука. Скопления рыб также вызывают повышенное рассеяние акустического сигнала из-за того, что их плавательные пузыри играют такую же роль, как и пузырьки воздуха.

Чаще всего практический интерес представляет не вообще рассеяние, а рассеяние в направлении на источник звука, т.е. обратное. Это обусловлено тем, что обратное рассеяние можно отождествить с отражением, по которому удается получить представление об объекте рассеяния.

Дата добавления: 2015-09-05