marta_inj (marta_inj) wrote,
marta_inj
marta_inj

Categories:

Слой скачка и звуковой канал


Дельфины - удивительные морские животные. Они используют эхолокацию в воде для обнаружения косяков рыб и для общения между собой.

В послевоенное время при измерении глубин с помощью эхолота встретились с неожиданным явлением. Нередко там, где можно было ожидать глубину в несколько километров, эхолот вдруг показывал несколько сот или даже несколько десятков метров. Проверка глубины обыкновенным лотом подтверждала ошибочность показаний эхолота. Сначала искали причину ошибки в неисправности самого прибора, но прибор оказывался в полном порядке. Значит, причина отражения звука крылась где-то в толще воды... Между верхним, сильно прогретым слоем океанской воды и нижним, более холодным, лежит так называемый слой температурного скачка. Так как с изменением температуры меняется и плотность воды, в этом слое наблюдается также скачок плотности. По обе стороны слоя скачка образуются как бы две среды, два слоя с различной плотностью. Выше - менее плотный, ниже - более плотный....
Звукорассеивающий слой не всегда совпадает со слоем температурного скачка, поскольку звуки рассеивают морские животные - рыбы, планктон и т.п.
Способность скоплений морских животных рассеивать звук представляет значительный интерес для подводников. Если подводная лодка погрузится ниже этого слоя, он будет служить ей чем-то вроде звуковой "дымовой завесы", которую надводные суда применяют для того, чтобы скрыться от противника. Гидролокатор противолодочного надводного корабля не может нащупать подводную лодку через звукорассеивающий слой...
А слой скачка обладает свойством поддерживать плавучесть, за что подводники называют его "жидким грунтом". Обычно
Подводная лодка сохраняет желаемую глубину погружения при помощи горизонтальных рулей и управления балластными цистернами. Рули эффективно работают только во время хода, поэтому подводная лодка под водой не может надолго остановить свои двигатели. А между тем иногда это необходимо для экономии электроэнергии, если, конечно, лодка не атомная, или для спасения от противолодочных кораблей противника, выслушивающих море с помощью гидроакустических приборов. В неглубоком море подводная лодка может лечь на дно, но если море глубокое, ей на помощь в таких случаях приходит "слой скачка". Погрузившись в более плотный слой воды, прилегающий снизу к слою скачка, подводная лодка может лежать в нем без движения, как на дне, или, точней сказать, как надводное судно на поверхности океана. Поэтому слой скачка получил у подводников название "жидкого грунта". Если слой скачка совпадает со звукорассеивающим слоем, положение его быстро и легко можно определить с помощью эхолота. Таким образом, звукорассеивающий слой приобретает для подводников важное значение указателя слоя скачка плотности.

Звук в воде

Все дело в том, что вода - это идеальная среда для распространения акустических волн. Скорость звука в воде почти в пять раз выше, чем в воздухе. Но у водной среды, тем не менее, есть и другое немаловажное свойство - её неоднородность.

На распространение звуковых волн оказывают влияние множество факторов, среди которых:

- температура воды - с изменением температуры воды на 1 градус по Цельсию скорость звука в воде изменяется на 3 м/сек.;

- солёность воды - измеряется в промилле. Плюс/минус один промилле -соответствует изменению скорости звука на 1,2 м/сек. соответственно;

- величина давления - так как она напрямую зависит от глубины погружения, то нам проще считать, что каждые 30 метров скорость звука в воде увеличивается на 0,6 м/сек.

Наибольшие изменения этих величин наблюдаются в вертикальном (по глубине), а не в горизонтальном направлении. И, имея сведения о вертикальном распределении скорости звука, мы делаем вывод о типе гидрологии, который, в свою очередь, определяет траектории распространения звуковых лучей в воде.
Когда скорость звука с глубиной уменьшается, звуковые лучи искривляются вниз (отрицательная рефракция). Если скорость звука с глубиной возрастает, то звуковые лучи отклоняются вверх, изгибаясь в сторону слоя с более низкой скоростью звука (положительная рефракция).
В природе встречаются области глубин, в которых скорость звука снижена до минимума. Как правило, это области с низкой температурой воды. Если мы поместим в такой области источник звука и отобразим на рисунке траектории звуковых лучей, то мы обнаружим, что часть этих лучей будет задерживаться границами сред с более высокой температурой, формируя таким образом звуковой канал, по которому звук способен распространяться на значительные расстояния.

Звуковой канал может быть сформирован в приповерхностном слое воды, как показано на рисунке выше. Если в районе наблюдается положительная рефракция, то звуковые лучи будут отклоняться вверх, к поверхности, с последующим отражением от нее. Если на глубине есть термоклин - слой температурного скачка, то звуковые лучи, покидающие источник звука под углами малыми к горизонту, отражаются от него и захватываются звуковым каналом. Таким образом, поверхность моря формирует верхнюю границу приповерхностного звукового канала, а термоклин - нижнюю.

Помимо приповерхностного звукового канала есть также подводный звуковой канал.


По "звуковому каналу" звук может распространяться на тысячи километром, даже на десятки тысяч.

Этот "канал" представляет собой некоторый слой в толще морской воды, в котором скорость звука, в результате комбинации трех переменных величин - температуры, солености и гидростатического давления достигает минимума; вверх и вниз от этого слоя скорость звука увеличивается. За "ось" канала принимают глубину с наименьшей скоростью звука. Верхняя и нижняя граница звукового канала находится на глубинах с равными скоростями звука. Очень большая дальность распространения звука в канале объясняется тем, что звуковые волны все время отражаются от его верхней и нижней границы, не выходя за его пределы и не увеличивая "фронта волны". Взрыв бомбы весом 1,8 кг в звуковом канале слышен на расстоянии более 4000 км. Взрыв 22-килограммовой бомбы, произведенный однажды в районе Австралии, был услышан у Бермудских островов на расстоянии 19 200 км, причем звук прошел этот путь за 3 часа 43 минуты. В литературе, между прочим, промелькнуло сообщение о попытке установления связи между Австралией и Южной Африкой при посредстве звукового канала. В тропических водах звуковой канал расположен на глубине около тысячи метров, в северных холодных водах он приближается к поверхности моря.

Кроме того:


Из книги Андреева "Физические основы распространения звука в океане"

О кей, мы имеем несколько очень интересных фактов:

1. Ход звуковой волны в толще морской воды искривляется в сторону тех слоев, в которых скорость звука меньше (рефракция)

2. От поверхности воды звук, идущий снизу, отражается.

3. Есть слой воды (слой скачка), в котором резко меняются условия (плотность?) так, что на этом слое может лежать даже подводная лодка, и, по всей видимости, морские животные тоже любят на нем полежать. Поэтому из морских животных в районе слоя скачка формируется "звуковая завеса".

4. По звуковому каналу звук может преодолеть тысячи километров

Продолжение следует.
Tags: Волны, Вопросы к науке
Subscribe

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic
  • 12 comments