Гидроакустика. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Гидроакустика - раздел акустики, в к-ром изучаются характеристики звуковых полей в реальной водной среде для целей подводной локации, связи и др. Большое значение Г. связано с тем, что звуковые волны в океанах и морях являются единств. видом излучения, способным распространяться на значит. расстояния; часто Г. наз. акустикой океана.

На распространение звука в океане влияют разл. факторы как регулярного, так и случайного характера, к-рые зависят от свойств среды и характеристик поверхности и дна. Наиб. важная акустич. характеристика океанич. среды - скорость звука, вертикальная и горизонтальная изменчивости к-рой в осн. определяют характер распространения звука в данном районе. Макс. относит. градиенты скорости звука по вертикали на три порядка превышают макс. относит. горизонтальные градиенты. Скорость звука в океане меняется в пределах 1450-1540 м/с; её значение зависит в осн. от температуры, солёности, давления (глубины): повышение температуры воды на 1⁰C увеличивает скорость звука на 2-4 м/с, повышение солёности на 1%₀ - примерно на 1 м/с, повышение давления на 1 атм - примерно на 0,2 м/с. Вертик. изменение температуры до глубин в неск. сотен м обычно достигает 10-20⁰C; солёность в океане близка к 35%₀, меняется слабо и, как правило, лишь в приповерхностном слое. Поэтому вертик. профиль скорости звука в верх. слоях океана в осн. повторяет вертик. профиль температуры. На больших глубинах температура и солёность мало меняются и вертик. профиль скорости звука определяется увеличением гидростатич. давления. В приповерхностном слое толщиной в неск. десятков м, перемешанном волнением, темп-pa и солёность одинаковы по глубине, скорость звука растёт с глубиной из-за увеличения гидростатич. давления. Неоднородность скорости звука по глубине приводит к вертик. рефракции звука. При расположении в океане источника звука на глубине, где скорость звука минимальна, звуковая энергия концентрируется вблизи этого горизонта, образуя природный волновод акустический ,т. н. подводный звуковой канал, ось к-рого совпадает с минимум скорости звука. Часть звуковых лучей, не взаимодействующих с дном и поверхностью, распространяется при этом на значит. расстояния (до тысяч км), особенно на низких частотах, где поглощение звука в воде мало (т. н. сверх-дальнее распространение звука). Аналогичная концентрация энергии происходит и в приповерхностном звуковом канале (рис. 1), ось к-рого совпадает с поверхностью океана, однако, в отличие от подводного канала, здесь имеет место многократное отражение волн от поверхности. Если источник звука расположен выше оси подводного звукового канала, картина звукового поля осложняется (рис. 2): вблизи источника располагается ближняя освещённая зона, за ней - т. н. первая зона тени, звуковое поле в к-рой обусловлено только отражением от дна и дифракцией; за зоной тени находится первая освещённая зона (первая зона конвергенции), где происходит фокусировка звуковой энергии. Далее чередование зон тени и конвергенции повторяется. Такая зональная структура характерна для случая, когда скорость звука у дна больше или равна скорости звука у поверхности. В противном случае дно как бы "отрезает" часть звуковой энергии. Обычно в океане на горизонте расположения источника ближняя освещённая зона простирается на неск. км, а первая зона конвергенции начинается с 50-60 км. В мелком море структура звукового поля ещё более усложняется из-за увеличения влияния отражений от поверхности и дна.

Рис. 1. Слева - вертикальный профиль скорости звука с (z), справа - лучевая картина, соответствующая данному профилю скорости. Источник звука расположен у поверхности, r - расстояние по горизонтали.

Рис. 2. Слева - вертикальный профиль скорости звука, справа - лучевая картина, соответствующая данному профилю: 1 - граничный луч, за которым начинается зона акустической тени (заштрихована).

На распространение звука в океане существ. влияние оказывает поглощение звука .Для солёной морской воды характерно добавочное релаксац. поглощение, связанное с диссоциацией растворённых веществ: на частотах ниже 1 кГц оно определяется боратами (время релаксации 10^-3 с), на частотах от неск. кГц до неск. сотен кГц в осн. обусловлено сульфатом магния (время релаксации 10^-5с). На килогерцевых частотах коэф. поглощения звука

для морской воды приближённо выражается соотношением

=0,036 f^3/2 дБ/км, где f - частота (в кГц). Коэф. поглощения зависит также от температуры воды, её солёности и гидростатич. давления.

На формирование акустич. полей в океане заметное влияние оказывают случайные неоднородности скорости звука и неровности границы океана. От взволнованной поверхности океана часть звуковой энергии отражается в зеркальном направлении, при этом в сигнале появляется нерегулярная компонента, обусловленная перемещающимися неровностями поверхности, а частотный спектр его расширяется. В направлениях, отличных от зеркального, распространяются рассеянные компоненты сигнала. Коэф. рассеяния звука поверхностью океана (или дном) т=W/IS, где W - мощность звука, рассеянного участком поверхности площадью S в единицу телесного угла, I - интенсивность падающей звуковой волны. Величина M=10 Ig т наз. силой рассеяния. Сила рассеяния звука поверхностью океана в обратном направлении зависит от угла падения волны, её частоты, скорости ветра и составляет от -10 до -60 дБ.

Отражение и рассеяние звуковых волн от дна происходит как на границе раздела вода - грунт, так и в самой толще дна и зависит от строения дна и частоты падающей волны; затухание звука в грунте очень велико и обычно линейно растёт с частотой. Модуль коэф. отражения звука лежит в пределах от 0,05 до 0,5 при нормальном падении, а при скользящих углах может быть близок к 1. Сила обратного рассеяния звука от дна имеет различные угловые и частотные зависимости в разных геоморфологич. районах.

Объёмное рассеяние в океане обусловлено в осн. мелкими рыбами длиной 3-10 см, имеющими газовые пузыри, к-рые образуют т. н. звукорассеивающие слои практически по всей акватории Мирового океана, исключая его полярные области. Они локализуются на глубинах 300-800 м днём, поднимаясь в верхний 200-метровый слой ночью. Коэф. объёмного рассеяния звука m_V=W/IV, где W- мощность, рассеянная в единицу телесного угла объёмом V. Для звукорассеивающих слоев значения m_V в обратном направлении составляют 10^-5-10^-8м^-1 на частотах 2-50 кГц. Рассеяние в обратном направлении обусловливает одну из осн. помех гидролокации - реверберацию.

Кроме акустич. волн, излучаемых под водой для целей гидролокации, связи и т. д., в океанах и морях имеются собств. шумы. По своей природе они подразделяются: на динамич. шумы, связанные с тепловым движением молекул, поверхностным волнением, турбулентными потоками воды, синоптич. вихрями, шумом прибоя, кавитац. шумом прибоя, ударами капель дождя и т. п.; биологич. шумы, производимые животными; техн. шумы, вызванные деятельностью человека (шумы судоходства, шумы самолётов, шумы бурения дна и т. п.); сейсмич. шумы, обусловленные тектонич. процессами; шумы ледового происхождения. Как правило, шумовой фон в океане образуется мн. источниками, действующими одновременно, но осн. вклад обычно вносят шумы, связанные с поверхностным волнением, частотный спектр к-рых спадает с повышением частоты примерно на 5-10 дБ на октаву.

Акустич. методы широко используются для иссле-дования океана. С помощью эхолота определяется глубина слоев дна, с помощью профилографов - приборов, аналогичных эхолотам, но работающих на существенно более низких частотах, - структура осадочных слоев дна. Форму поверхности дна изучают гидролокаторами бокового обзора. По рассеянию звука от биол. объектов определяют биопродуктивность данного района. С помощью сигналов, рассеянных организмами, лежащими на слое скачка температуры, исследуют внутр. волны. Течения прослеживаются с помощью поплавков нейтральной плавучести, оборудованных акустич. излучателями. Стационарные акустич. излучающие системы, установленные на дне, позволяют осуществить акустич. навигацию. С помощью акустич. доплеровских лагов определяют скорость судна не относительно воды, а относительно Земли, используя рассеяние звука от дна. Г. широко применяется в воен. деле (см. Гидролокация, Гидролокатор).

Литература по гидроакустике

Знаете ли Вы, в чем ложность понятия "физический вакуум"?

Физический вакуум - понятие релятивистской квантовой физики, под ним там понимают низшее (основное) энергетическое состояние квантованного поля, обладающее нулевыми импульсом, моментом импульса и другими квантовыми числами. Физическим вакуумом релятивистские теоретики называют полностью лишённое вещества пространство, заполненное неизмеряемым, а значит, лишь воображаемым полем. Такое состояние по мнению релятивистов не является абсолютной пустотой, но пространством, заполненным некими фантомными (виртуальными) частицами. Релятивистская квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости Гейзенберга, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные, то есть кажущиеся (кому кажущиеся?), частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей. Виртуальные частицы физического вакуума, а следовательно, он сам, по определению не имеют системы отсчета, так как в противном случае нарушался бы принцип относительности Эйнштейна, на котором основывается теория относительности (то есть стала бы возможной абсолютная система измерения с отсчетом от частиц физического вакуума, что в свою очередь однозначно опровергло бы принцип относительности, на котором постороена СТО). Таким образом, физический вакуум и его частицы не есть элементы физического мира, но лишь элементы теории относительности, которые существуют не в реальном мире, но лишь в релятивистских формулах, нарушая при этом принцип причинности (возникают и исчезают беспричинно), принцип объективности (виртуальные частицы можно считать в зависимсоти от желания теоретика либо существующими, либо не существующими), принцип фактической измеримости (не наблюдаемы, не имеют своей ИСО).

Когда тот или иной физик использует понятие "физический вакуум", он либо не понимает абсурдности этого термина, либо лукавит, являясь скрытым или явным приверженцем релятивистской идеологии.

Понять абсурдность этого понятия легче всего обратившись к истокам его возникновения. Рождено оно было Полем Дираком в 1930-х, когда стало ясно, что отрицание эфира в чистом виде, как это делал великий математик, но посредственный физик Анри Пуанкаре, уже нельзя. Слишком много фактов противоречит этому.

Для защиты релятивизма Поль Дирак ввел афизическое и алогичное понятие отрицательной энергии, а затем и существование "моря" двух компенсирующих друг друга энергий в вакууме - положительной и отрицательной, а также "моря" компенсирующих друг друга частиц - виртуальных (то есть кажущихся) электронов и позитронов в вакууме.

Однако такая постановка является внутренне противоречивой (виртуальные частицы ненаблюдаемы и их по произволу можно считать в одном случае отсутствующими, а в другом - присутствующими) и противоречащей релятивизму (то есть отрицанию эфира, так как при наличии таких частиц в вакууме релятивизм уже просто невозможен). Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.