Подводная акустика
-
Подводная акустика
- Изучение распространения звука в воде и его взаимодействия с водой и её содержимым.
- Типичные частоты: от 10 Гц до 1 МГц.
- Используется для мониторинга физических и биологических характеристик подводного мира.
-
История подводной акустики
- Зародилась в 1490 году с Леонардо да Винчи.
- В 1687 году Исаак Ньютон написал математические принципы натуральной философии.
- В 1826 году Даниэль Колладон и Шарль Штурм измерили скорость звука в воде.
- В 1877 году лорд Рэлей основал современную акустическую теорию.
- В 1912 году потопление «Титаника» и Первая мировая война стимулировали развитие подводной акустики.
- В 1919 году опубликована первая научная работа по подводной акустике.
-
Теория звуковых волн
- Звуковая волна состоит из чередующихся сжатий и разрежений воды.
- Скорость звука связана с частотой и длиной волны.
- Поглощение звука слабое на низких частотах, но усиливается на высоких.
-
Пограничные взаимодействия
- Поверхность воды и дно являются отражающими и рассеивающими границами.
- Поверхность моря ведет себя как идеальный отражатель на частотах ниже 1 кГц.
- Морское дно имеет меньшее несоответствие акустического сопротивления, чем поверхность.
-
Распространение звука
- Направление распространения звука определяется градиентами скорости звука.
- Вертикальные уклоны в море намного больше горизонтальных.
-
Распространение звука в океане
- Скорость звука увеличивается с глубиной из-за давления.
- В термоклине градиент скорости звука меняется, создавая волновод.
- В экваториальных и умеренных широтах минимальная скорость звука достигается на глубине нескольких сотен метров.
- Образуются зоны фокусировки звука (конвергенции) и поверхностные каналы.
-
Потери при распространении
- Потери при распространении зависят от расстояния и интенсивности звука.
- Потери определяются как логарифм отношения интенсивности на источнике и приемнике.
- На малых расстояниях преобладают потери из-за рассеяния, на больших — из-за поглощения и рассеяния.
-
Моделирование распространения
- Распространение звука описывается волновым уравнением.
- Разработаны модели, такие как лучевая теория и параболические уравнения.
- Лучевая теория лучше на малых расстояниях и высоких частотах, другие решения — на больших расстояниях и низких частотах.
-
Эхо и доплеровский сдвиг
- Переходные звуки приводят к затуханию фона (реверберации).
- Доплеровский сдвиг возникает при движении объекта относительно приемника.
- Сдвиг частоты можно наблюдать в активных и пассивных гидролокационных системах.
-
Колебания интенсивности и нелинейность
- Наблюдаются временные и пространственные колебания интенсивности звука.
- Нелинейность в воде приводит к генерации дополнительных частот.
- Синусоидальная форма сигнала становится пилообразной.
-
Измерения и скорость звука
- Звук измеряется гидрофоном, преобразуется в уровень звукового давления (SPL).
- Скорость звука в воде увеличивается с давлением, температурой и соленостью.
-
Поглощение и окружающий шум
- Поглощение звука зависит от характеристик воды и частоты.
- Окружающий шум включает турбулентность, микросейсмы, движение судов и тепловой шум.
- Временные источники звука также вносят вклад в уровень шума.
-
Биологические источники шума
- Китообразные, рыбы и креветки создают шум.
- Дождь создает высокий уровень шума, но его интенсивность трудно измерить.
-
Эхо и реверберация
- Измерения реверберации морской поверхности, дна и объема.
- Синусоидальная форма сигнала изменяется по частоте из-за движения поверхности.
- Донная реверберация часто описывается законом Ламберта.
- Объемная реверберация возникает в слоях, глубина которых меняется.
- Нижняя поверхность льда создает сильную реверберацию.
-
Потеря дна
- Потери на дне зависят от угла скольжения и шероховатости.
- На мелководье потеря дна доминирует на большие расстояния.
- На низких частотах звук может распространяться через осадочные породы.
-
Подводное слушание
- Уровень звукового давления под водой измеряется в децибелах.
- Различия в контрольном давлении и интерпретации затрудняют сравнение.
- Чувствительность слуха дайверов и других животных различается.
-
Человеческий слух
- Пороговые значения безопасности для дайверов.
- Высокий уровень шума создает опасность для дайверов.
-
Другие виды
- Водные млекопитающие имеют высокую чувствительность к звуку.
- Рыбы и водоплавающие птицы также чувствительны к подводному шуму.
-
Применение подводной акустики
- Гидролокатор используется для зондирования моря.
- Подводная коммуникация важна для сбора данных и связи.
- Подводная навигация и слежение требуют точного измерения расстояний.
- Сейсморазведка использует низкочастотный звук для зондирования дна.
- Акустические датчики контролируют звук ветра и осадков.
- Акустическая океанография изучает море и его содержимое.
-
История и оборудование
- Интерес к эхолотам возник после крушения «Титаника».
- Первый практический эхолот изобретен Харви К. Хейзом.
- Эхолоты используются для измерения глубины воды и создания карт.
-
История и развитие гидролокаторов
- Гидролокаторы начали использоваться в 19 веке для измерения глубины воды.
- В 20 веке появились гидролокаторы высокого разрешения, позволяющие классифицировать подводные объекты и получать изображения.
- Современные гидролокаторы подключаются к ROV, что позволяет получать точные изображения.
-
Применение гидролокаторов в морской биологии
- Гидролокаторы используются для изучения морской флоры и фауны, включая микропланктон и китов.
- Эхолоты помогают определять численность, распределение и поведение морских обитателей.
- Акустическая телеметрия используется для мониторинга рыб и морской фауны.
-
Применение гидролокаторов в физике элементарных частиц
- Нейтрино сверхвысоких энергий могут быть обнаружены акустически в морской воде.
-
Другие области применения гидролокаторов
- Измерение интенсивности дождя и скорости ветра.
- Глобальная термометрия и мониторинг газообмена между океаном и атмосферой.
- Буксируемая сенсорная система наблюдения с массивом датчиков.
- Акустический доплеровский профилограф течения.
- Акустическая камера и пассивный акустический мониторинг.
-
Дополнительные ресурсы
- Биоакустика и Кембриджский интерферометр.
- Эхолот и акустика рыбного хозяйства.
- Исследование океана и сеть слежения за океаном.
- Преломление звука и способ гидроакустического зондирования.
- Система подводного акустического позиционирования и подводная акустическая связь.
- Компания Underwater Audio и записи.
- Рекомендации и библиография.