Природа акустических волн

Для получения различного рода подводной информации наиболее широкое распространение получила аппаратура, в которой используется способ активной гидролокации. Этот способ основан на излучении акустической энергии в водную среду, приеме и обработке эхо-сигналов, возникающих в результате рассеяния и отражения акустических колебаний от водных объектов.

По физической природе звук представляет собой механические колебания частиц упругой среды. В качестве источника звука в жидкости обычно используется колеблющееся твердое тело. При соприкосновении колеблющегося тела с жидкостью возникает сжатие и растяжение прилегающего элемента водной среды и смещение его частиц.

Благодаря взаимодействию соседних элементов среды упругие деформации (области сгущений и разряжений) передаются от одних участков к другим, все, более удаляясь от источника звука.

Такой процесс распространения колебательного движения называется волновым процессом или распространением акустических волн. Пространство, в котором распространяются звуковые волны, называется акустическим полем.

До акустического воздействия все элементы водной среды находятся только под определенным постоянным давлением, называемым статическим (гидростатическим). Под давлением звуковой волны в зонах сжатия и разрежения происходит изменение плотности и давления. Поэтому давление, избыточное к гидростатическому (независимо от знака), называют акустическим.

В морской среде из-за отсутствия сдвиговой упругости могут образовываться только продольные волны, в которых колебания частиц совпадают с направлением распространения волны. При этом частицы жидкости не переносятся акустической волной, а только передают возмущение соседним частицам. Частицы жидкости совершают около своего положения равновесия колебательные движения, характеризующиеся амплитудой смещения и колебательной скоростью . Что же касается перемещения самой волны, то она удаляется от источника звука со скоростью, получившей название скорости звука . Скорость звука зависит только от свойств среды, причем всегда выполняется условие .

Положение колеблющейся частицы жидкости по отношению к положению равновесия характеризуется фазой колебания. Геометрическое место точек, колеблющихся в одинаковых фазах, называется волновой поверхностью. Ее форма зависит от конфигурации источника звука, типа колебаний, характера среды и т.д. Частным случаем волновой поверхности является фронт волны – геометрическое место точек, до которых к некоторому моменту времени дошло колебание.

Направления, по которым распространяются акустические колебания от источника звука, называют акустическими лучами. В изотропной среде, обладающей одинаковыми свойствами во всех направлениях, эти лучи перпендикулярны волновым поверхностям.

Гармоническая звуковая волна характеризуется длиной волны и периодом , которые связаны соотношением:

,

где с – скорость звука.

Вместо периода часто пользуются частотой , равной числу периодов в единицу времени:

или