13. Акустика.

1.Почему акустика океана вызывает большой интерес у людей "морских" профессий?

Гидроакустика — раздел акустики, изучающий излучение, прием и распространение звуковых волн в реальной водной среде (в океанах, морях, озёрах и т. д.) для целей подводной локации, связи и т. п.

Главная особенность подводных звуков — их малое затухание, вследствие чего под водой звуки могут распространяться на значительно бо́льшие 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.

Гидроакустика получила широкое практическое применение, ибо никакие виды электромагнитных волн не распространяются в воде (вследствие её электропроводности) 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. Кроме звукоподводной связи гидроакустика применяется для:

1.Обнаружения шумовых сигналов и определения направления на них;

2.Излучения акустических сигналов, обнаружения отраженных сигналов и определения координат;

3.Классификации обнаруженных сигналов

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.

2.Физическая природа звука.Звук как явление физическое представляет собой колебательные движения материальных тел - твердых, газообразных или жидких. Возникновение слуховых ощущений человека связано, как правило, именно с колебаниями воздуха. Вот поэтому в безвоздушной среде передача звука становится невозможной. Колебания воздуха, воспринимаемые органом слуха человека как звук, в естественных условиях имеют очень широкий диапазон величин давления, в связи с этим принято пользоваться логарифмической шкалой, выражая уровень интенсивности в белах (Б) или децибелах (дБ). Децибел - единица уровня интенсивности, равная десятикратному десятичному логарифму отношения интенсивности одного звука к некоторой другой интенсивности звука, условно принятой за уровень отсчета и близкой к пороговой.

Колебания, имеющие интенсивности, выходящие за пределы данного диапазона, как звук уже не воспринимаются, то есть они или совсем не слышны и не вызывают практически никаких ощущений, или воспринимаются тактильными и болевыми рецепторами и дают ощущения давления или боли, вытесняющие слуховые ощущения. Звук как колебательный процесс характеризуется также частотой, которая по существу представляет собой описание изменений звукового давления во времени. Если эти изменения имеют правильный синусоидальный характер, то говорят о чистом тоне. В реальных условиях к такому чистому основному тону, как правило, примешивается еще некоторое количество добавочных тонов, которые придают звуку его часто неповторимую индивидуальность. Звук считается чистым, если добавочные тоны по своей акустической энергии не превышают 10 процентов. В жизни нам нередко приходится сталкиваться с естественными чистыми звуками. Это звуки, издаваемые птицами и зверями, это и звуки, получающиеся при произнесении нами гласных. Звуки, в которых нельзя выделить основного тона и в которых соответственно колебания звукового давления описываются более сложной, чем синусоидальная, зависимостью, обозначают как шумы. И если акустическая энергия распределена равномерно по всему спектру, то говорят о "белом" шуме. Орган слуха человека воспринимает колебания воздуха (при достаточном уровне интенсивности) в диапазоне от 16 герц до 20 килогерц, и соответственно эти частоты в физике и технике обозначают как звуковые, а менее 16 герц - как инфразвук и более 20 килогерц - как ультразвук. Человек инфра- и ультразвуковые колебания не слышит, сколь бы большой интенсивности они ни были. Но это совсем не означает, что такие виды энергии вообще на человека не действуют. Они представляют собой типичный пример раздражителей, которые мы с вами обозначили ранее как "внерецепторные", то есть которые не вызывают специфических ощущений. Человек же начинает ощущать их опосредованно в результате взаимодействия, и нередко неблагоприятного, с тканями нашего тела.

Звук как колебательный процесс характеризуется также длиной волны, которая количественно при неизменной частоте может меняться в зависимости от скорости распространения звука. Эта скорость в воздухе при температуре 0 градусов по шкале Цельсия и нормальном атмосферном давлении составляет 332 метра в секунду, возрастая при повышении давления и температуры воздуха. В более плотной среде скорость распространения звука значительно выше, составляя при этом: в граните - 6000 метров в секунду, в стекле - 5500 метров в секунду, в алюминии - 5140 метров в секунду, в железе и стали - 5000 метров в секунду, в твердых породах дерева (в продольном направлении) - 4000 метров в секунду, в меди - 3560 метров в секунду и в воде (при температуре 19 градусов по шкале Цельсия) - 1461 метр в секунду. Таким образом, звуковые колебания одной и той же частоты в разных средах имеют различную длину волны. Это оказывается небезразличным для нашего слуха и обусловливает некоторые особенности слухового восприятия при пребывании человека под водой.

3. Возбуждение акустической волны в толще воды.Начало всесторонних и фундаментальных исследований по распространению акустических волн в воде было положено в годы Второй мировой войны, что диктовалось необходимостью решения практических задач военного времени. Экспериментальные и теоретические работы были продолжены и в послевоенные годы и были обобщены в ряде монографий. В результате этих работ были выявлены и уточнены некоторые особенности распространения акустических волн в воде: поглощение, затухание, расходимость, отражение и рефракция. Поглощение энергии акустической волны в морской воде обуславливается двумя процессами: внутренним трением среды и диссоциацией растворенных в ней солей. Первый процесс преобразует энергию акустической волны в тепловую, а второй – преобразуясь в химическую энергию, выводит молекулы из равновесного состояния, и они распадаются на ионы. Этот вид поглощения резко возрастает с увеличением частоты акустического колебания.

Наличие в воде взвешенных частиц, микроорганизмов и температурных аномалий приводит также к затуханию акустической волны в воде. Как правило, эти потери невелики и их включают в общее поглощение, однако иногда, как, например, в случае рассеяния от следа корабля, эти потери могут составить до 90%.

Наличие температурных аномалий приводит к тому, что акустическая волна попадает в зоны акустической тени, где она может претерпеть многократные отражения.

Наличие границ раздела вода-воздух и вода-дно приводит к отражению от них акустической волны, причем, если в первом случае акустическая волна отражается полностью, то во втором случае коэффициент отражения зависит от материала дна: плохо отражает илистое дно, хорошо – песчаное и каменистое. На небольших глубинах из-за многократного отражения акустической волны между дном и поверхностью возникает подводный звуковой канал, в котором акустическая волна может распространяться на большие расстояния.

Изменение величины скорости звука в воде приводит к искривлению звуковых “лучей”. Это есть рефракция. Рефракция акустических волн в воде определяет формирование специфических условий их распространения, которые приводят к образованию четырех типов особых зон: звукового канала, изотермического слоя, поверхности с отрицательным градиентом и поверхности с положительным градиентом.

Кроме того, существует явление расхождения в пространстве акустического излучения, в результате чего его интенсивность ослабевает пропорционально квадрату расстояния от излучателя.