Скорость звука в океане

Говоря о многообразии волновых движений в Мировом оке­ане, следует иметь в виду и такой тип волн, как акустические волны, которые могут существовать в морской воде благодаря ее сжимаемости. Наука о подводном звуке, о его излучении, распространении, поглощении, рассеянии, отражении и приеме носит название акустики океана, или гидроакустики. Роль этой науки очень велика, так как из всех открытых до настоящего времени видов энергии звуковая энергия распространяется в воде на наибольшие расстояния [47, 139].

Изобретение и применение эхолота совершило переворот в гидрографии. Были получены батиметрические карты Мирового океана, открыты глубоководные впадины и хребты. Гидросейс­мические методы позволили изучить геологическую структуру океанического дна. Гидроакустические методы используются для изучения течений, поверхностных и внутренних волн, мор­ских льдов, структуры водных масс. Гидроакустика широко при­меняется для решения прикладных задач, таких как промысел рыбы, поиск полезных ископаемых, навигация и др. Огромна роль гидроакустики в подводном плавании. История подводного флота неразрывно связана с развитием гидроакустики. Можно вспомнить о многих драматических и героических страницах войны на море, связанных с акустикой. Это, например, исто­рия обезвреживания советскими минерами в 1942 г. фашистских акустических мин, снабженных прибором кратности, история со­здания первых акустических тралов сотрудниками Физического института АН СССР им. П. Н. Лебедева под руководством ака­демика Н. Н. Андреева, или история разработки акустических мин и методов борьбы с ними в период Великой Отечественной войны. Не менее захватывающие события происходят и в наше время.

Условия распространения акустических волн в океане имеют целый ряд специфических особенностей, обусловленных, с одной стороны, свойствами собственно водной среды океана, а с другой стороны — свойствами граничных сред, т. е. атмосферы и дна.

Гл 11 Акустика океана 241

в океане наиболее важное значение имеет не абсолютное зна­чение С_зв, а профиль кривой C_3B(z), т. е. вид вертикального распределения С_зв, а именно положение экстремумов на этой кривой, соотношение значений С_зв у дна, у поверхности океана

dC_3B и в экстремальных точках, распределение градиентов —— с

глубиной и т. д. Профиль C_3B(z) по существу и определяет усло­вия распространения звука в океане. При одном типе профиля скорости звука от глубины C_3B(z) дальность распространения звука может достигать сотен и тысяч километров, при другом профиле — лишь нескольких километров.

Для глубоководных районов океана типичен профиль C_3B(z) вида, приведенного на рис. 11.2, т.е. профиль с минимумом, рас­положенным на некоторой глубине z_m. Вверх от z_m скорость С_зв растет вследствие роста температуры Т, вниз от z_m величина С_зв увеличивается из-за роста давления Р. Наличие минимума С_зв приводит к формированию интереснейшего явления — возник­новению подводного звукового канала. Создаются условия, бла­гоприятные для дальнего распространения звука, — звуковые волны не рассеиваются на поверхности океана и не поглощаются в донном грунте. Из факторов, ослабляющих звуковое давление, остается только поглощение в морской воде. Для низких частот, для которых поглощение в воде невелико, дальность распростра­нения звука может составлять несколько тысяч километров. Звук спокойно мог бы обогнуть весь земной шар, если бы ему не ме­шали материки. Почти повсеместное существование в Мировом океане звукового канала было использовано для создания гидро­акустической системы спасения людей, попавших в катастрофу на море (СОФАР). Летчики, оказавшиеся на поверхности мо­ря, моряки, терпящие бедствие, сбрасывали в воду специальные глубинные бомбы, которые взрывались на глубине расположения звукового канала. Звук взрыва, зарегистрированный на несколь­ких береговых станциях, позволял точно определить положение терпящих бедствие.

Ход звуковых лучей в подводном звуковом канале может быть рассчитан с помощью лучевой теории, в основе которой лежит предположение, что звуковая энергия в среде распростра­няется вдоль некоторых линий — лучей. Если излучатель поме­стить на оси звукового канала, то при определенных условиях лучи, вышедшие из этого источника под разными углами сколь­жения, снова соберутся в одну точку, т. е сфокусируются. Таким образом, подводный звуковой канал действует на звуковые лучи как собирательная линза.

246 Г л 11. Акустика океана

высокой точностью и непрерывно в течение практически неогра­ниченного времени получать уникальные данные об изменении средней температуры глубинных вод океанов.