Отрицательная рефракция. Поле в области тени

 

Наиболее неблагоприятным для целей гидролокации является случай отрицательной рефракции – искривление акустических лучей в сторону дна под влиянием уменьшающейся скорости звука с глубиной.

Рис. 4.1. К определению интенсивности звука в области тени

 

В мировом океане подобное распределение скорости звука встречается достаточно часто. При отрицательной рефракции к акустически освещенной зоне прилегает область акустической тени (заштрихованная часть рис. 4.1).

Теоретически, на основе волновой теории, можно показать, что при отсутствии отражений от дна и поверхности и при условии линейного уменьшения скорости звука с глубиной интенсивность звука в области тени, по мере удаления от границы тени, убывает очень быстро. Это убывание определяется следующими формулами:

 

J_R= J_R0 (R₀/R)e^–A(R–R₀⁾ (4.1)

A=(3/C₀)C_C^2/3f^1/3 непер/см, (4.2)

или

A=(25, 8/C₀)G_C^2/3f^1/3 дБ/см, (4.3)

где J_R сила звука в области тени в точке, удаленной от источника на горизонтальное расстояние R;

J_R0 – сила звука на границе тени в точке, удаленной от источника на горизонтальное расстояние R₀;

C₀ – скорость звука на уровне источника, м/сек;

G_C – градиент скорости звука;

f – частота, Гц.

 

Вычисленные значения коэффициента А в функции частоты и градиента скорости звука приведены на рис. 4.2. Мы видим, что, например, при частоте 1кГц и градиенте температуры G_t = 0, 1 град/м (соответственно при градиенте скорости звука G_C = 0, 35 1/сек) ослабление силы звука составляет приблизительно 100 дб/км.

Рис. 4.2. Затухание звука в области тени в зависимости от частоты для различных значений градиента скорости звука

 

1 – G_t = 0, 01 град/м (G_C = 0, 035 1/сек);

2 – G_t = 0, 05 град/м (G_C = 0, 175 1/сек);

3 – G_t = 0, 1 град/м (G_C = 0, 35 1/сек);

4 – G_t = 0, 2 град/м (G_C = 0, 7 1/сек);

5 – G_t = 0, 4 град/м (G_C = 1, 4 1/сек);

6 – G_t = 0, 6 град/м (G_C = 2, 1 1/сек);

7 – G_t = 0, 8 град/м (G_C = 2, 8 1/сек).

Такое быстрое убывание силы звука означает, что между областями акустической тени и акустически освещенной существует граница, которая практически часто оказывается границей дальности действия гидроакустических приборов.

В действительных условиях столь сильного затухания в области тени не существует, поскольку в зону тени проникает акустическая энергия за счет отражения звука от дна и рассеяния на неровной поверхности моря. Кроме того, если ниже области, в которой звук с глубиной убывает, простирается среда, в которой скорость звука с глубиной возрастает, то в этом случае в зону тени дифрагирует акустическая энергия из нижних слоев. В результате затухание в области тени в реальных условиях значительно меньше указанного.

Это дает основание ввести понятие геометрической дальности действия, под которой подразумевается горизонтальное расстояние от источника звука до границы тени. Соответствующие пояснения даются на рис. 4.3, а и б.

Рис. 4.3. К определению геометрической дальности действия.

 

Рассматривая случай линейного распределения скорости звука по глубине и учитывая, что траекторией луча здесь является окружность радиуса для геометрической дальности D_Г получим:

(4.4)

или

(4.5)

 

Так как то окончательно имеем:

(4.6)

где C₀ – скорость звука на уровне источника;

h₂ – глубина погружения объекта.

Значение геометрической дальности может значительно возрасти, если источник звука углубить. При этом геометрическую дальность определяют по лучу, претерпевающему полное внутреннее отражение у поверхности моря (рис. 4.3, б). Для этого случая:

 

(4.7)

где h₁ – заглубление источника звука.

 

Контрольные вопросы

1. Что такое геометрическая дальность действия гидролокатора?

2. От чего зависит геометрическая дальность действия гидролокатора?

3. Как зависит геометрическая дальность действия гидролокатора от мощности (интенсивности) излучённого акустического сигнала?

4. Что такое рефракция?

5. Под каким углом необходимо выпустить луч для определения геометрической дальности действия гидролокатора?

6. За счёт каких явлений затухание в зоне тени для реальных условий меньше чем 100дБ/км?