Рассеяние звука. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Рассеяние звука - рассеяние звуковых волн на пространственно-временных флуктуациях плотности и упругости разл. сред (напр., на поверхности океана, на неровном и неоднородном его дне, на пересечённой местности, на искусств. периодич. структурах и неоднородных поглощающих поверхностях, применяемых для улучшения акустич. свойств больших помещений, на дискретных неоднородностях - воздушных пузырьках в жидкости, твёрдых взвешенных частицах в жидкости или газе, на рыбах и макропланктоне в океане,

каплях дождя в воздухе, точечных дефектах в кристаллах и др.). Поскольку при Р. з. часть акустич. энергии уходит по направлениям, отличным от направления распространения звука, интенсивность первичной волны уменьшается. Если при распространении в данном направлении звук рассеивается многократно, то наблюдается экспоненц. ослабление его интенсивности с расстоянием.

Рассеивающую способность неоднородностей характеризуют поперечным сечением рассеяния s_s, равным отношению акустич. мощности W_sрассеянной в единицу телесного угла, к интенсивности падающей волны

Значение s_s существенно зависит от частоты и угла падения звуковой волны, размеров неоднородностей и их акустич. характеристик. Если длина волны звука мала по сравнению с линейным размером рассеивающего тела, то сечение рассеяния s_s по порядку величины равно площади поперечного сечения тела, перпендикулярного направлению падения первичной волны. Для малых препятствий s_s ~ (ka)⁴ (закон Рэлея), где k - волновое число звука, a - линейный размер тела. Весьма эфф. рассеива-телями являются "резонансные" пузырьки газа в жидкости, частота собственных радиальных колебаний к-рых совпадает с частотой звуковой волны. При этом s_s во много раз превышает геом. сечение пузырьков. Так, напр., полное значение s_s (соответствующее рассеянию в телесный угол 4p) для воздушного пузырька в воде при атм. давлении на резонансе, т. е. при ka = 0,014, равно 4p/k² и, следовательно, превышает геом. сечение пузырьков pa² в 4/(kа)² ! 20000 раз. Из-за вязкости и теплопроводности реальное значение s_s может существенно уменьшаться. Однако даже в случае относительно больших различий в размерах пузырьков резонансное рассеяние играет доминирующую роль (как, напр., при Р. з. в приповерхностном пузырьковом слое в океане). Аналогично Р. з. глубоководными оке-анич. звукорассеивающими слоями обусловлено в осн. резонансными колебаниями плавательных пузырей небольших рыб.

Р. з. в кристаллах происходит на примесях, точечных дефектах, дислокациях, плоскостях двойникования и т. п. Если на длине звуковой волны имеется большое число точечных дефектов и примесей, то осн. роль начинает играть рассеяние на флуктуациях их числа. В поликристаллах большой вклад в Р. з. дают границы зёрен.

Наиб. значение в гидроакустике имеет Р. з. на поверхности океана, на объёмных неоднородностях водной толщи, на неровностях донного рельефа и неоднородностях подводного грунта. В результате Р. з. возникает поверхностная, объёмная и донная реверберация ,к-рая является одной из осн. помех при работе разл. гидроакустич. приборов и устройств. Характер Р. з. на случайных неровных поверхностях, таких, как поверхность океана, зависит от величины параметра Рэлея P = 2khcosq₀, где h - среднеквадратичное значение высоты неровностей, q₀ - угол падения первичной волны. При P

1 Р. з. является резонансным или избирательным - значение s_s определяется всего лишь одной гармоникой из сплошного пространственного спектра неровностей, волновой вектор к-рой q удовлетворяет условию Брэгга:

- -

, где

- горизонтальные компоненты волновых векторов падающей и рассеянной волн соответственно. Если, кроме того, горизонтальный масштаб (радиус корреляции) неровностей r₀ мал по сравнению с длиной волны звука (kr₀

1), то частотная зависимость s_s следует закону Рэлея, а зависимость s_s от угла рассеяния q (индикатриса рассеяния) - закону s_s ~ cos²q. При крупномасштабных неровностях (kr₀

1) частотные и угл. характеристики s_s существенно зависят от вида пространственного спектра неровностей. Так, при гауссовом спектре индикатриса рассеяния имеет резкий максимум в направлении зеркального отражения с угл. шириной Dq ~ 1/kr₀. В случае спектра, характерного для развитого ветрового волнения, индикатриса рассеяния имеет два максимума разл. величины, смещённых в разные стороны относительно зеркального направления, а в направлении зеркального отражения у неё наблюдается глубокий провал.

При Р. з. на крупных плавных неровностях (Р

1) поперечное сечение рассеяния s_s пропорц. плотности вероятности наклонов неровностей и не зависит от частоты звука; индикатриса рассеяния при этом имеет максимум в зеркальном направлении с угл. шириной, пропорциональной среднеквадратичному значению наклонов неровностей. При Р. з. на неровных поверхностях со сложным спектром неоднородностей рассеянное поле в направлениях, близких к направлению зеркального отражения, определяется в основном крупномасштабными компонентами неровностей, а поле в обратном (локационном) направлении обусловлено гл. обр. мелкомасштабными неровностями.

Р. з. на слабых флуктуациях показателя преломления в атмосфере пли океане во многом аналогично Р. з. на малых случайных неровностях. Оно также имеет резонансный характер; длина волны "резонансной" гармоники L = l/sin(q/2), где l - длина волны звука, q - угол между волновыми векторами падающей и рассеянной волн. По мере уменьшения q рассеяние определяется неоднородностями всё больших масштабов. При рассеянии в обратном направлении L = l/2.

Временная изменчивость рассеивателей приводит к расширению частотного спектра рассеянного поля. Типичным примером может служить Р. з. на взволнованной морской поверхности и внутр. волнах в атмосфере и океане. Ряд особенностей имеет Р. з. на дне океана. В мелководных районах Р. з. обусловлено гл. обр. флуктуациями показателя преломления и плотности в толще подводных осадков. В широком диапазоне частот (1-100 кГц) s_s для рассеяния в обратном направлении не зависит от частоты звука, его угл. зависимость близка к закону Ломмеля - Зеелигера s_s ~ cosq. В глубоком океане осн. вклад в Р. з. дают неровности донного рельефа.

Анализ разл. характеристик рассеянного звукового поля позволяет определять разл. характеристики самих рассеивателей. Так, напр., по обратному рассеянию звука на турбулентных неоднородностях в атмосфере находят пространственный спектр пульсаций показателя преломления. Наличие Р. з. на неоднородностях и дефектах в твёрдых телах лежит в основе ультразвуковой дефектоскопии.

При Р. з. на случайных поверхностных или объёмных неоднородностях образуется т. н. пятнистая интерференц. структура (спекл-структура; см. Спекл-интер-ферометрия). На основе её анализа разработаны₍ эфф. дистанц. методы определения разл. параметров природных неровностей и неоднородностей, развиты акустич. методы разведки полезных ископаемых, в частности железомарганцевых конкреций на дне океана, созданы навигац. приборы - корреляц. лаги для измерения абс. скорости движения судна относительно дна океана, а также устройства для определения с высокой точностью смещения судна относительно фиксир. точки.

При Р. з. на периодически неровных или периодически неоднородных поверхностях рассеянное поле состоит из суперпозиции плоских волн (дифракц. спектров разл. порядка), распространяющихся в дискретных направлениях, определяемых условием Брэгга. Если период неровностей (неоднородностей) меньше половины длины звуковой волны, то амплитуды всех рассеянных волн (помимо зеркально отражённой волны) экспоненциально убывают при удалении от поверхности и рассеянное поле сосредоточено вблизи поверхности (ближнее поле).

Литература по рассеянию звука

Знаете ли Вы, что низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тысяч кмилометров в секунду при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.