Гидроакустика

Эта статья редактируется участником Jeepson:ru (обсуждение) в рамках конкурса.
За нарушение правил конкурса или создание помех в его проведении предусмотрены наказания. Просьба воздержаться от правок.

Внимание! Приём работ окончен!

Гидроакустика (от греч. hydor — вода, akusticoc — слуховой) — наука о явлениях, происходящих в водной среде и связанных с распространением, излучением и приемом акустических волн. Она включает вопросы разработки и создания гидроакустических средств, предназначенных для использования в водной среде.

История развития науки

Гидроакустика — сравнительно молодая наука, быстро развивающаяся в настоящее время и имеющая, несомненно, большое будущее. Ее появлению предшествовал долгий путь развития теоретической и прикладной акустики. Первые сведения о проявлении интереса человека к распространению звука в воде мы находим в записках известного ученого эпохи Возрождения Леонардо да Винчи:

«Если ты, будучи на море, опустишь в воду отверстие трубы, а другой ее конец приложишь к уху, то услышишь идущие вдали корабли*.

Первые измерения расстояния посредством звука произвел русский исследователь академик Я. Д. Захаров. Он совершил 30 июня 1804 г. полет на воздушном шаре с научной целью и в этом полете воспользовался отражением звука от поверхности земли для определения высоты полета. Находясь в корзине шара, он громко крикнул в рупор, направленный вниз. Через 10 сек пришло отчетливо слышное эхо. Отсюда Захаров заключил, что высота шара над землей равнялась приблизительно 5 х 334 = 1670 м. Этот способ лег в основу радио и гидролокации.

Наряду с разработкой теоретических вопросов в России проводились практические исследования явлений распространения звуков в море. Адмирал С. О. Макаров в 1881 — 1882 гг. предложил использовать для передачи информации о скорости течения под водой прибор, названный флюктометром. Этим было положено начало развитию новой отрасли науки и техники — гидроакустической телеметрии.

Толчком к развитию гидроакустики послужила первая мировая война. Во время воины страны Антанты несли большие потери торгового и военного флота из-за действия немецких подводных лодок. Возникла необходимость в поиске средств борьбы с ними. Вскоре они были найдены. Подводную лодку в подводном положении можно услышать по шуму, создаваемому гребными винтами и работающими механизмами. Прибор, обнаруживающий шумящие объекты и определяющий их местонахождение, был назван шумопеленгатор. Французский физик П. Ланжевен в 1915 г. предложил использовать чувствительный приемник из сегнетовой соли для первой шумопеленгаторной станции.

Основы гидроакустики

Гидроакустика — раздел акустики, изучающий излучение, прием и распространение звуковых волн в реальной водной среде для целей подводной локации, связи и т. п. Главная особенность подводных звуков — их малое затухание, вследствие чего под водой звуки могут распространяться на значительно большие расстояния, чем, например, в воздухе. Кроме затухания, обусловленного свойствами самой воды, на дальность распространения звуков под водой влияют рефракция звука, его рассеяние и поглощение различными неоднородностями среды.

Рефракция звука (искривление пути звукового луча)

Рефракция звука в воде: а — летом; б — зимой; слева — изменение скорости с глубиной.

Скорость распространения звука изменяется с глубиной, причём изменения зависят от времени года и дня, глубины водоёма и ряда других причин. Звуковые лучи, выходящие из источника под некоторым углом к горизонту, изгибаются, причём направление изгиба зависит от распределения скоростей звука в среде: летом, когда верхние слои теплее нижних, лучи изгибаются книзу и в большинстве отражаются от дна, теряя при этом значительную долю своей энергии; зимой, когда нижние слои воды сохраняют свою температуру, между тем как верхние слои охлаждаются, лучи изгибаются кверху и многократно отражаются от поверхности воды, при этом теряется значительно меньше энергии. Поэтому зимой дальность распространения звука больше, чем летом. Вертикальное распределение скорости звука (ВРСЗ) и градиент скорости оказывают определяющее влияние на распространение звука в морской среде. Распределение скорости звука в различных районах Мирового океана различно и меняется во времени. Различают несколько типичных случаев ВРСЗ:

• изотермия
• положительная рефракция
• отрицательная рефракция
• неоднородное распределение

Вследствие рефракции могут образоваться мёртвые зоны — области, расположенные недалеко от источника, в которых слышимость отсутствует. Наличие рефракции может приводить и к увеличению дальности распространения звука — явлению сверхдальнего распространения звуков под водой.

Рассеивание и поглощение звука неоднородностями среды.

Распространение звука в подводном звук. канале: а — изменение скорости звука с глубиной; б — ход лучей в звуковом канале.

На распространение звуков высокой частоты, когда длины волн очень малы, оказывают влияние мелкие неоднородности, обычно имеющиеся в естественных водоёмах: пузырьки газов, микроорганизмы 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. Пределы дальности распространения подводных звуков так же ограничиваются 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 (звуки, производимые гидробионтами: рыбами и др. морскими животными). Этим очень серьёзным аспектом занимается биогидроакустика.

Области применения.

Гидроакустика получила широкое практическое применение, поскольку ещё не создано эффективной системы передачи электромагнитных волн под водой на сколько-нибудь значительном расстоянии, и звук поэтому является единственным возможным средством связи под водой. Для этих целей пользуются звуковыми частотами от 300 до 10000 гц и ультразвуками от 10000 гц и выше. В качестве излучателей и приёмников в звуковой области используются электродинамические и пьезоэлектрические излучатели и гидрофоны, а в ультразвуковой — пьезоэлектрические и магнитострикционные.

Наиболее существенные применения гидроакустики:

• Для решения военных задач;
• Морская навигация;
• Звукоподводная связь;
• Рыбопоисковая разведка;
• Океанологические исследования;
• Сферы деятельности по освоению богатств дна Мирового океана;
• Использование акустики в бассейне (дома или в тренировочном центре по синхронному плаванию)
• Тренировка морских животных.