1. Физические явления при распространении звука в океане
Рефракция. Это, как известно, искривление лучей в среде с переменным показателем преломления. Сплющенная Луна, миражи в пустыне, плавающие в воздухе острова над морем - классические примеры оптической рефракции в воздухе. Акустическую рефракцию в воздухе заметить несколько труднее, но она тоже имеет место. А вот под водой звуковая рефракция проявляется в любое время года практически повсеместно.
У гидроакустиков есть хорошее мнемоническое правило: луч, подобно жаждущему человеку, устремляется в сторону более холодных и менее соленых слоев воды. Есть, правда, еще один фактор, который труднее втиснуть в рамки мнемоники. Это гидростатическое давление, зависящее от глубины. От его величины также меняется скорость звука, а следовательно, и показатель преломления. В данном случае его изменение таково, что звуковой луч стремится вверх.
Пожалуй, особенно отчетливо проявляется влияние температуры зимой, когда верхние слои морской воды более холодные, чем нижние. Луч тогда под определенным углом устремляется к поверхности океана, отражается от нее, вновь и вновь приходит к ней, постепенно затухая по мере удаления от источника звука.
Художник-орнаменталист, пожалуй, мог бы позаимствовать в картинах подводных звуковых лучей мотивы для своих работ.
Траектория его напоминает цепь, подвешенную во многих местах к буйкам на поверхности океана. Условия для подводного обнаружения звука в поверхностных слоях при этом достаточно хорошие.
В летнее время, когда более холодными являются глубинные слои воды, луч уходит в глубину. Образуются зоны акустической тени, в которых обнаружение подводных объектов затруднено. Возможны сопутствующие эффекты. На границе слоев с резким перепадом температуры может происходить полное внутреннее отражение, расщепление луча, когда небольшая часть звука проходит под слой скачка, а другая часть отклоняется кверху. Создаются не только "мертвые зоны", как иногда именуют флотские акустики зоны акустической тени, но и зоны фокусировки, усиления звука. В общем, картина распространения звука может быть очень пестрой.
Звуковые каналы. Совместное влияние температуры, солености воды, гидростатического давления может быть таким, что на определенной глубине расположится зона ("горизонт") с минимальной скоростью звука. По этому горизонту, претерпевая лишь небольшие волнообразные отклонения, звуковой луч может распространяться на очень большие расстояния. Эта зона дальнего и сверхдальнего распространения звука условно названа звуковым каналом. Звуковой канал в океане был открыт американскими акустиками, а в глубоком океане (Черном)-советскими учеными Л.М Бреховских и Л. А. Розенбергом.
Были отмечены случаи распространения звука взрыва небольшой бомбы по подводному звуковому каналу от берега Австралии до Бермудских островов, то есть на расстоянии, равном половине окружности Земли. Существуют карты глубин залегания устойчивого звукового канала в океанах. Как правило, эти глубины в северных районах меньше, чем в южных. Так, на широте 10° в районе Маршалловых островов глубина залегания канала близка к 1 километру, а в районе Алеутских островов она не превышает 100 метров. Но во многих местах изолинии глубины залегания канала по земной поверхности имеют причудливые извилистые очертания.
Американский акустик Э. Гамильтон предсказал теоретическую возможность существования звукового канала также в осадочных породах, выстилающих дно океана. В 1974 году Р. Урик экспериментально подтвердил это.
Морская реверберация. Словом "реверберация", соответствующим английскому слову "эхо", обозначают более или менее продолжительное угасающее звучание звукового сигнала после излучения. В наибольшей степени это явление обычно связано с отражениями от скоплений газовых пузырьков, затянутых на некоторую глубину во время штормов или являющихся продуктом жизнедеятельности планктона. В мелководных районах реверберация может быть обусловлена отражениями от каменистого дна. Реверберация иногда является серьезной помехой рыболокации и военно-морской гидролокации, так как она может маскировать принимаемый полезный эхо-сигнал.
Интересно наблюдать реверберацию, когда она достаточно интенсивна. Всплески ее то вспыхивают, то гаснут на катодном индикаторе локатора, порой на расстояниях в несколько километров. Синхронно с этим меняется реверберация в динамике. Это значит, что гидролокационная посылка встретилась с каким-то отражающим звук скоплением, а затем проследовала далее.
Первая отечественная работа по реверберации океана появилась в Журнале технической физики в 1943 году, в самый разгар Великой Отечественной войны. Автором ее был военно-морской акустик В.С. Анастасевич. Трудно забыть впечатление, которое произвела эта статья на молодых акустиков. Неужели открытое океане может звучать, как готический собор? И причина этому - какие-то пузырьки... (уже известно было, что пузырьки в воде могут поглощать звук, но о рассеивающих их свойствах мало кто знал).
Исследования реверберации выполнялись Ю.М.Сухаревским. Впоследствии В. В. Ольшевский дал основы статистической теории реверберации.
Для борьбы с реверберационной помехой используют излучение в узком секторе, частотную модуляцию сигнала и другие приемы. В общем, если исключить малые расстояния от гидролокатора, реверберационная помеха оказывается не такой страшной, как "тривиальные" помехи от шумов морского волнения, а также от шумов самого корабля, несущего гидролокатор.
Звукорассеивающие слои. Когда однажды исследователи-гидроакустики в одном из южных районов попробовали устремить луч гидролокатора вниз, то к своему удивлению обнаружили: дно океана "писалось" на глубине, в несколько раз меньше действительной. Феномен "поднимающегося и опускающегося дна" отметили и специалисты по эхолотированию. Ясно было, что существуют какие-то мигрирующие слои, которые отлично отражают звук, причем в значительно большей мере, чем его отражает, например, водный слой с температурным скачком.
Брали пробы воды с глубины этих звукорассеивающих слоев, опускались в ник в батискафе. Оказалось, что "призрак" морского дна, как и реверберация, связан с морскими организмами и продуктами их жизнедеятельности. Интересно, что каждый исследователь находил в отражающих слоях скопления различных организмов - от микроскопического биопланктона до медуз и даже более крупных существ.
Однако, кто бы ни были их "учредители", со звукорассеивающими слоями приходится считаться военно-морским акустикам, да и персоналу рыбопромысловых судов, ведущих гидроакустический поиск рыбы.
Из приведенного далеко не полного перечня гидроакустических явлений в океане видно, сколь они разнообразны. Исследования распространения звука в морях и океанах во всех морских странах расширяются с каждым годом.
Интересен анализ процесса отражения звука от объектов произвольной формы. Публикации по этому вопросу не сходят со страниц журнала Американского акустического общества (статьи Джангера, Хиклинга, Дулитла и других). Авторы статей утверждают, что можно классифицировать объект по характеру отражения звука от него.
Л. М. Лямшевым еще в 50-х годах было обнаружено и проанализировано явление усиления гидролокационного отражения от пластин в жидкости вследствие возникновения в них продольных волн при падении гидролокационного импульса. Работа Л. М. Лямшева докладывалась в Венгерской Академии наук и получила общее признание. Весьма интересные исследования по теории эхо-локации выполнены в последнее время А. А. Клещевым, У. Нигулом, Е. Л. Шендеровым и другими.
Заявляет о себе мирная гидроакустика. Применения ее до невероятности многообразны и становятся все более связаны с бурным освоением Мирового океана.
Эхолот в традиционном исполнении и с традиционными функциями меньше других морских акустических приборов нуждается в представлении. Едва ли найдется морское судно, не имеющее его. А вот эхолоты-картографы с автоматической цифровой отметкой глубин на карте еще только начинают внедряться на гидрографические суда.
Обычный эхолот для контроля глубин под килем судна породил семейство себе подобных и все же различных как по назначению, так и по степени совершенства гидроакустических устройств. Это и приборы с весьма большой мощностью излучения, позволяющие получить отметку не только линии дна, но и отражающих звук грунтовых пород на достаточно большой глубине под поверхностью дна.
Это и сканирующие эхо-локационные устройства бокового обзора, их не назовешь иначе, как автоматическими топографами дна водоемов. Мелкие выступы дна высотой с полметра, траншеи, кабели на дне - все фиксируется ими на специальной бумаге.
Рыболокаторы тоже достаточно хорошо известны. Кажется, совсем недавно автор описывал в одной из книг живописную выставку "Инрыбпром-68" в Ленинграде. Прошло семь лет, и вот опять западная стрелка Васильевского острова была окружена множеством ослепительно белых рыболовецких судов всех стран, и флаги их вместе с флагами расцвечивания трепетали над вместительными павильонами. Особенно интересная
гидроакустическая поисковая техника на "Инрыбпроме-75" демонстрировалась в советском, японском и немецком разделах выставки.
Современный рыбопоисковый гидролокационный комплекс следит за косяком рыбы от момента первичного его обнаружения до момента попадания в трал. Если рыбное скопление изменило, скажем, глубину своего движения, соответствующее устройство меняет и глубину опускания трала, его раскрытие. Интегрирующие приборы позволяют определить суммарный объем встречного рыбного скопления и прогнозировать, таким образом, целесообразность его отлова.
Из многообразных областей применения гидроакустических средств при освоении богатств Мирового океана отметим лишь одну, связанную с бурно развивающейся добычей нефти со дна. Совсем недавно бурение дна в нефтеносных районах велось лишь в пределах океанского шельфа, т.е. на глубинах в несколько сот метров. Первенцем подводного бурения дна в открытом океане было судно "Гломар Челленджер"; сейчас таких судов насчитываются десятки.
По крайней мере, две проблемы при подводном бурении решаются с помощью гидроакустики. Первая - удержание дрейфующего судна над скважиной. Гидроакустические излучатели-маркеры, расположенные на дне около скважины, непрерывно посылают вверх звуковые импульсы. По этим сигналам на судне определяют, в какую сторону его сносит относительно скважины, и соответственно приводят в действие те или иные подруливающие устройства.
Вторая задача посложнее. Допустим, необходимо сменить затупившийся бур. Бурильную колонку с новым буром опускают ко дну. Но подводные течения относят эту гибкую и длинную колонку в сторону, как относит ветер паутинную нить с висящим над ней пауком. Приводится в действие гидролокационное устройство, находящееся на конце колонки. На дальних расстояниях от донной скважины излучаемые устройством импульсы имеют относительно большую продолжительность. Это режим поиска. Нащупав по отраженному сигналу скважину, конец колонки начинает приближаться к ней. Наступает режим точного наведения. Импульсы учащаются, становятся короче. В момент подхода к скважине срабатывает соответствующее устройство, и колонка погружается в скважину.
Освоение океана немыслимо без глубоководных аппаратов, которых уже теперь насчитывается великое множество. Связываются они между собой и с обеспечивающими надводными судами с помощью гидроакустического телефона, определяют рельеф дна и его глубинную структуру с помощью гидролокационных "щупалец".
Больше всего при освоении Мирового океана ученых беспокоит сохранение его биосферы. Великий акванавт нашего времени Жак-Ив Кусто обратил к человечеству такие слова: "Океане сохранит свои богатства только в том случае, если будут соблюдены биологические законы... Пора положить предел романтической эпохе "тайн океана". Тайн океана нет, остались насущные проблемы, которые следует разрешить. Мы на пороге новой эры, эры поисков и исследований!"
Гидроакустические методы и приборы займут в этих поисках достойное мест.
Чем выше температура и соленость, тем быстрее распространяется звук. Так, при увеличении температуры воды на Г скорость распространения звука увеличится на 4 метра в секунду. При увеличении солености на 1 % о скорость звука увеличится только на 1 метр в секунду.
Поэтому в Черном океане, которое сильно опреснено и имеет более холодные воды, чем Средиземное, звук идет медленнее на 40 метров в секунду, чем в последнем. В однородной среде звук распространяется прямолинейно. Поэтому после сильного шторма в поверхностных, хорошо перемешанных водах дальность распространения звука повышается. Но воды океана обычно состоят из слоев воды с различной температурой и соленостью.
В такой «слоистой» среде звуковой луч, пущенный вдоль слоя, загибается в сторону менее соленой и, особенно в сторону более холодной воды, то есть в среду, где он распространяется с меньшей скоростью.
Звуковой луч напоминает «путника в пустыне» – он стремится к прохладе и более пресной воде.
Летом, когда глубинные воды более холодны, звуковые лучи будут загибаться ко дну, а дойдя до него, отразятся вверх. На пути к поверхности звуковые лучи опять начнут загибаться и так далее, пока не угаснут. Зимою поверхностные воды сильно охлаждаются. Наступает период выравненных температур. Это создает однородную среду. Тогда звуково луч пойдет прямее, а, следовательно, звуковой сигнал можно услышать на большем расстоянии от источника.
Если зимой поверхностные воды холоднее глубинных или имеют меньшую соленость, то звуковой луч направится к поверхности и, отразившись от границы раздела вода – воздух, пойдет дальше в воде, но только путь луча от источника звука до приемника будет значительно короче, потому что звуку не приходится пробегать всю толщу воды от поверхности до дна, как летом.
С глубиной скорость распространения звука увеличивается за счет гидростатического давления. Это приводит к созданию особо – благоприятных условий для дальнего распространения звука. В таких случаях говорят о наличии «звукового канала». В нем звук может распространяться более чем на 8 тысяч километров. Благодаря дальности и быстроте распространения звука можно услышать подводные извержения вулкана, землетрясение, просто взрывы, совершенные на очень большом расстоянии. При этом звук придет намного скорее, чем волна воды, вызванная даже мощным колебанием. Зная направление пришедшего звука и определив тем самым его местоположение, можно оповестить население о скором приближении больших волн, часто угрожающих жизни и хозяйству жителей побережий.
В процессе эволюции организмов водные обитатели, приспособляясь к условиям существования, естественно, использовали замечательные особенности далекого и быстрого распространения звука. Слабое проникновение света в воду «сделало» их близорукими, т. е. невидящими.
2. Акустические методы исследования мелкого океана
В акустике океана можно выделить два основных направления: первое – изучение влияния свойств и динамики океана на распространение акустических сигналов – прямая задача, второе – использование акустических сигналов для исследования внутренней структуры вод океана и его дна – обратная задача. Для второго направления основным объектом исследования являются физические и акустические характеристики водного и донных слоев. Интересы океанологов в основном связаны с возможностями акустического мониторинга разномасштабных гидродинамических возмущений в океане: вихрей, меандрирующих течений, внутренних волн, фронтальных зон, интересы инженеров – с возможностями восстановления акустических и физических параметров донных осадков. Решение обратных задач сводится к принципиальной возможности получать информацию о свойствах среды по характеру распространения, отражения и рассеяния акустических волн.
Законы распространения звука в океане весьма сложны, и в первую очередь это относится к шельфовым районам мелкого океана. Скорость звука существенно меняется как по вертикали, вследствие изменения температуры и солености с глубиной, так и по горизонтали. Кроме того, на распространение звука оказывает влияние его рассеяние на неровных границах волновода.
Попытаемся сформулировать принципиальные возможности и выработать перспективные идеи, основанные на волновом подходе к решению обратных задач акустики мелкого океана.
