Гідроакустика

Ехолокація морського дна

Гідроакустика — розділ акустики, що вивчає випромінювання, приймання та поширення звукових хвиль у справжньому водному середовищі (в океанах, морях, озерах тощо) для призначень підводної локації, зв'язку та іншого.

Головна особливість підводних звуків — їх незначне загасання, внаслідок чого під водою звуки можуть поширюватися на значно більші відстані, ніж, наприклад, у повітрі.

Крім загасання, зумовленого властивостями самої води, на дальність поширення звуків під водою впливають рефракція звуку, його розсіяння і поглинання різними неоднорідностями середовища.

Рефракція звуку (викривлення шляху звукового променя)

Швидкість з якою шириться звук, змінюється з глибиною водойми, до того-ж відмінності залежать від пори року і часу дня, та низки інших причин.

Звукові промені, що виходять із джерела під деяким кутом до обрію, загинаються, водночас напрямок вигину залежить від розподілу швидкостей звуку в середовищі:

• Влітку, коли верхні шари тепліше нижніх, промені згинаються донизу і здебільшого відбиваються від дна, втрачаючи у цьому разі значну частку своєї енергії;
• Взимку, коли нижні шари води утримують сталу температуру, між тим як верхні шари охолоджуються, промені загинаються догори і багаторазово відбиваються від поверхні води, отже втрачається значно менше енергії. Через це, взимку дальність поширення звуку більше, ніж влітку.

Вертикальний розподіл швидкості звуку (ВРШЗ) і градієнт швидкості (ГШ), справляють визначальний вплив на поширення звуку в морському середовищі. Швидкості звуку в різних місцях Світового океану відмінні і змінюються в часі. Розрізняють декілька типових випадків ВРШЗ:

• ізотермія
• позитивна рефракція
• негативна рефракція
• неоднорідний розподіл

Внаслідок рефракції можуть утворитися мертві зони — ділянки, розташовані неподалік від джерела, в яких чутність взагалі відсутня.

Наявність рефракції може призводити і до збільшення відстані розходження звуку — явища наддалекого поширення звуків під водою.

Розсіювання і поглинання звуку неоднорідностями середовища

На поширення звуків високої частоти, коли довжини хвиль дуже малі, впливають дрібні неоднорідності, зазвичай наявні в природних водоймах: бульбашки газів, мікроорганізми тощо.

Ці неоднорідності діють подвійним чином: вони поглинають і розсіюють енергію звукових хвиль. У підсумку, з підвищенням частоти звукових коливань, дальність їх розповсюдження скорочується. Найдужче ця властивість помітна у поверхневому шарі води, де найбільше неоднорідностей.

Розсіяння звуку неоднорідностями, а також нерівностями поверхні води і дна викликає явище підводної реверберації, що супроводжує посилання звукового імпульсу: звукові хвилі, відбиваючись від сукупності неоднорідностей і зливаючись, дають затягування звукового імпульсу, що триває після його закінчення.

Межі дальності поширення підводних звуків також залежать від власних шумів моря, які мають подвійне походження:

• Частина шумів виникає від ударів хвиль на поверхні води, від морського прибою, від шуму гальки що перекочується та інше;
• Друга частина пов'язана з морською фауною (звуки, вироблювані гідробіонтами: рибами та іншими морськими тваринами). Цей дуже серйозний чинник досліджує Біогідроакустика.

Застосування гідроакустики

Гідроакустика отримала широке практичне застосування, бо жодні види електромагнітних хвиль не поширюються у воді (внаслідок її електропровідності) на скільки-небудь значні відстані, тож через це звук є єдиним можливим засобом зв'язку під водою.

Для такої мети, користуються звуковими частотами від 300 до 10000 гц і ультразвуками від 10000 гц та вище. Як випромінювачі і приймачі у звуковій області застосовуються електродинамічні і п'єзоелектричні випромінювачі і гідрофони, а в ультразвуковій — п'єзоелектричні і магнітострикційні. Крім звукопідводного зв'язку, гідроакустику використовують для:

• Виявлення шумових сигналів і визначення напрямку на них;
• Випромінювання акустичних сигналів, виявлення відбитих сигналів і визначення координат;
• Класифікації виявлених сигналів

Найбільш суттєві застосування гідроакустики:

• Вирішення військових завдань (виявлення надводних суден, підводних човнів, безпілотних підводних апаратів, торпед, водолазів, мін тощо);
• Морська навігація;
• Звукопідводний зв'язок;
• Рибопошукова розвідка;
• Океанологічні дослідження;
• Сфери діяльності з освоєння багатств дна Світового океану;
• Використання акустики в басейні (вдома або в тренувальному центрі із синхронного плавання);
• Навчання морських тварин.

Гідроакустичні засоби

Застосування гідроакустики здійснюється за допомогою гідроакустичних засобів. Гідроакустичний пристрій являє собою технічний пристрій або сукупність пристроїв, спосіб дії яких засновано на використанні акустичних хвиль у водному середовищі. До гідроакустичних засобів можна віднести:

• Гідроакустичні комплекси;
• Ехолоти — є різновидом гідролокатора вужчого призначення;
• Гідролокатори;
• Шумопеленгатори (пасивний засіб підводного спостереження) — визначає напрямок джерела шуму.

Див. також

• Геоакустика
• Ятрань (гідроакустичний комплекс)
• Акустика
• Протичовнова оборона

Посилання

• Грінченко В. Т. Гідроаку́стика // Енциклопедія сучасної України / ред. кол.: І. М. Дзюба [та ін.] ; НАН України, НТШ. — К. : Інститут енциклопедичних досліджень НАН України, 2001­–2024. — ISBN 966-02-2074-X.