Водный звук

Звук воды - это звук , который передается в воде . Связанная с акустикой специальность - гидроакустика . Иногда термин "водный шум" также используется как синоним технического применения гидроакустики.

Поскольку электромагнитные волны, такие как радиоволны и свет, могут гораздо хуже распространяться в воде, чем водный шум, и имеют дальность действия от нескольких метров до максимум 100 м из-за их более сильного поглощения , водный шум имеет множество технических применений. Это включает в себя связь , навигацию и позиционирование, а также измерение физических , химических и биологических величин. Используемый здесь частотный диапазон составляет приблизительно от 10  Гц до 1 МГц.

Переносимые водой звуковые волны достаточной мощности передачи можно воспринимать в низкочастотном диапазоне на любом водном пути на земле, который не прерывается сушей.

история

Раннее утверждение о шуме, передаваемом водой, можно найти у Леонардо да Винчи , который писал в 1490 году: «Если вы окунете трубку в воду и поднесете другой конец к уху, вы сможете слышать корабли на очень большом расстоянии».

В 1827 году Колладон и Штурм описали измерение скорости звука в воде Женевского озера . Их интересовало определение сжимаемости воды.

Примерно в 1900 году звуковые сигналы, передаваемые через воду, начали использовать в качестве средства навигации .

Американский океанолог Мори был, вероятно, первым, кто указал на использование звука для эхолота глубины воды в 1855 году . Однако его собственные попытки не увенчались успехом. Бем , Фессенден и Ричардсон , изобретатели эхолота в период с 1912 по 1914 год, считаются полностью независимыми друг от друга, но, очевидно, все трое находятся под впечатлением крушения Титаника . В то время считалось, что отголоски айсбергов легче получить, чем от дна океана.

В конце Первой мировой войны были доступны знания, позволяющие эхолокацию подводных лодок со звуком, но они больше не использовались в технических целях. Напротив, пассивная локализация подводных лодок использовалась еще в Первую мировую войну. Эта технология, первоначально называвшаяся в Великобритании ASDIC , позже была названа гидролокатором на основе радара .

Во время Второй мировой войны слежение за подводными лодками значительно увеличилось. Тем не менее, снижение эффективности подводных лодок во время Второй мировой войны было связано не столько с использованием звука с воды, сколько с недавно изобретенным радаром и борьбой с подводными лодками с воздуха.

После Второй мировой войны подводные лодки, которые до этого могли называться «подводные лодки», которые погружались только на короткое время перед атакой или при угрозе, превратились в настоящие подводные аппараты, которые появляются только ненадолго, или как обычные подводные лодки для зарядки батарей. трубка . Атомные подводные лодки или обычные подводные лодки AIP могут быть обнаружены почти только с помощью звуковых сигналов или гидролокаторов . Из-за этого разработка и исследование водных звуковых и военных гидроакустических устройств вызвали значительный подъем. Этому способствовало то, что морские мины сейчас в основном обнаруживаются с помощью гидролокаторов.

Основные звуковые явления, передаваемые через воду

Звуковые волны - это волны давления, которые распространяются продольно , т. Е. То есть молекулы колеблются в направлении распространения звука. Итак, вам нужна среда для распространения. Как и в случае с другими волнами, применяется следующее:

${\ displaystyle \ lambda = {\ frac {c _ {\ text {S}}} {f}}}$

Где:

${\ displaystyle c _ {\ text {S}}}$скорость звука в воде, частота звука и длина волны звука в воде.${\ displaystyle f}$${\ displaystyle \ lambda}$

В океане звук намного быстрее - около 1480 м / с, чем в воздухе, где при нормальных условиях он распространяется со скоростью около 340 м / с. Скорость звука увеличивается с увеличением температуры , давления и солености . Поскольку давление почти линейно зависит от глубины, это часто используется для расчета скорости звука. Есть несколько эмпирически определенных формул, с помощью которых можно относительно хорошо рассчитать скорость звука. Все эти формулы очень похожи, одна простая:

${\ Displaystyle с _ {\ текст {S}} \, = \, (1449 + 4 {,} 6 \ T-0 {,} 05 \ T ^ {2} +1 {,} 4 (S-35) + 0 {,} 017 \ D) \; \ mathrm {\ frac {m} {s}}}$,

где температура в ° C, соленость в psu, а глубина в метрах. ${\ displaystyle T}$${\ displaystyle S}$${\ displaystyle D}$

По поводу зависимости скорости звука можно сказать:

• В верхнем слое температура имеет решающее значение, так как эта переменная изменяется больше всего.
• Ниже слоя скачка температуры изменение температуры очень мало, здесь глубина является определяющим параметром.
• Соленость практически не влияет на скорость звука, так как она имеет почти постоянное значение около 3,5% в большинстве мест в океане, и поэтому связанный с ней член очень мал. Часто им можно пренебречь.

Поскольку соленость и температура также приводят к изменениям плотности, а горизонтальные изменения плотности статически не существуют в жидкостях, вода стратифицирована только с небольшими горизонтальными градиентами . Соответственно, градиент скорости звука и, следовательно, показателя преломления также слаб по горизонтали. В результате звуковые лучи, идущие вертикально, практически не преломляются. Звук распространяется очень регулярно в вертикальном направлении, как в свободной, неограниченной среде без изменения скорости звука.

Уровень шума от воды

Как и в случае с воздушным шумом, уровень звукового давления используется в качестве наиболее важной измеряемой переменной для водяного шума . Хотя формально используются одни и те же методы, уровни передаваемого через воду и воздух звука трудно сравнивать и постоянно приводят к недопониманию среди непрофессионалов. Уровни являются логарифмическими величинами и могут быть интерпретированы осмысленно только при соблюдении соответствующих контрольных значений . В качестве эталонного значения для уровня звукового давления выбрано 20 мкПа для воздушного шума и 1 мкПа для шума,  переносимого водой. Эталонное значение для воздушного звука было основано на выбранном пороге слышимости человека и соответствует распространению плоской волны в среде распространения воздуха при звуковом давлении около 2 × 10 ^-5 Паскалей (20 мкПа). Это эталонное звуковое давление соответствует интенсивности около 10 ^-12  Вт / м².

Хорошо известно, что вода намного тверже воздуха, поэтому акустически значимая скорость частиц намного ниже при той же интенсивности, но звуковое давление выше. По этой причине сравнение звукового давления в любом случае не имеет большого смысла. Если вы хотите сравнить, вам лучше использовать плотность потока энергии (интенсивность). Поскольку звуковое давление более доступно с метрологической точки зрения, оно по-прежнему является предпочтительным. Эталонная интенсивность водяного шума составляет около 0,65 · 10 ⁻¹⁸  Вт / м², что соответствует используемому эталонному давлению в 1 мкПа. Соотношение между звуковым давлением и интенсивностью звука зависит, с одной стороны, от статического давления, а с другой - от температуры и солености воды. Одинаковые технические характеристики уровня для воздуха и воды различаются по интенсивности примерно на 62 дБ при соответствующем эталонном давлении.

Для - в любом случае сомнительной - сопоставимости необходимо вычесть около 62 дБ от шума, переносимого водой. Более того, взвешенные по частоте уровни звукового давления часто указываются для воздушного звука, чтобы учесть частотную характеристику человеческого уха. Это не имеет смысла под водой и поэтому не используется там, что увеличивает разницу между кажущимися идентичными значениями уровня. Сложность сравнения информации об уровне звука для воздушного и водного шума обеспечивает, например, Например, при обсуждении вреда гидролокаторов и эхолотов для морских животных часто возникает путаница.

Современные высокопроизводительные гидролокаторы и эхолоты генерируют уровень звукового давления от 220 до 240 дБ относительно 1 мкПа на расстоянии 1 метр.

Звукопоглощение

В звукопоглощения преобразует звуковую энергию в тепловую энергию. Согласно классической акустической теории, это происходит, с одной стороны, за счет адиабатического изменения температуры в результате переменного звукового давления. Энергия отбирается из звукового поля за счет теплопроводности или теплового излучения. В воде этот эффект незначителен. Другой классической причиной абсорбции является внутреннее трение во время сжатия и декомпрессии. Он играет роль на высоких частотах (более 100 кГц) и в пресной воде.

Однако эти две так называемые классические причины в морской воде ниже 100 кГц по сравнению с демпфированием релаксации , т. Е. ЧАС. демпфирование, вызванное задержкой установления равновесного объема при изменении давления, незначительно. Некоторые компоненты воды озера находятся в различных химических состояниях, взаимосвязь между которыми зависит от давления и задерживается, в результате чего акустическая энергия отбирается из звукового поля, которая преобразуется в тепло. Это ослабление релаксации вызывается борной кислотой на низких частотах (ниже 10 кГц) и сульфатом магния на высоких частотах . Потери звукопоглощения можно рассчитать с помощью Технических руководств - Расчет поглощения звука в морской воде .

Несмотря на эти эффекты, затухание поглощения в морской воде намного ниже, чем в воздухе, и уменьшается на более низких частотах. Поглощение также происходит, когда оно отражается от морского дна и, например, Б. на льду и пузырях в воде.

Звук уменьшается с удалением от источника звука не только за счет поглощения, но и за счет расходимости . В бесконечном пространстве с постоянной скоростью звука это приводит к уменьшению интенсивности звука на квадрат расстояния (1 / r²) или звукового давления на линейное расстояние (1 / r). Хотя это ослабление дивергенции в значительной степени не зависит от частоты, оно представляет собой основную проблему при вычислении звукового поля из-за разделения скорости звука в море и отражений от края.

Многолучевое распространение

Поскольку звуковые лучи искривлены в результате температурной стратификации (но также из-за увеличения давления с глубиной и стратификации солености), они обычно отражаются на больших расстояниях передачи от поверхности моря или от дна, или от того и другого. Поэтому существует несколько путей передачи, но часто нет прямого пути без отражения от края. Эти разные пути между источником звука и приемником имеют почти одинаковое время прохождения, особенно на мелководье, и поэтому часто не воспринимаются приемником как разные пути передачи. Но у них разные фазы, что приводит к помехам . Небольшие изменения в путях передачи из-за отражения на шероховатых краях, например, из-за изменений показателя преломления из-за внутренних волн , изменяют эти помехи, в результате чего передача звука колеблется. Однако, особенно на больших расстояниях в глубокой воде, также встречаются группы времени прохождения, которые четко отделены друг от друга.

Многолучевое распространение характерно для передачи звука на мелководье, но также играет роль в глубокой воде на большие расстояния.

На рисунке показана типичная ситуация, которая возникает в Северном море летом, хотя, вопреки действительности, предполагается, что стратификация скорости звука по горизонтали неизменна, а края, за исключением заметной небольшой волнистости дна, гладкие. Реальность несравнимо сложнее, чем показано здесь. Лучи выглядят очень крутыми из-за сжатия горизонтальной оси примерно в 36 раз, но на самом деле они довольно плоские. В частности, нет более плоских лучей с таким профилем скорости звука.

Распространение звука на мелководье / глубокой воде

На мелководье многолучевое распространение происходит даже на относительно небольших горизонтальных расстояниях. На более низких частотах акустически мягкие края на поверхности моря и акустически жесткие края на морском дне также образуют волновод , который, однако, ослабляется, в частности, из-за неполного отражения от морского дна. На очень низких частотах частота падает ниже частоты среза волновода, что приводит к очень высокому уровню затухания.

На большой глубине, помимо дополнительного отражения от поверхности моря мелководным передатчиком, многолучевое распространение играет роль только на очень больших расстояниях. В остальном, по крайней мере, разница во времени выполнения очень велика. Увеличение скорости звука из-за увеличения давления с глубиной в конечном итоге позволяет звуку передаваться на любое расстояние без отражения от земли. За исключением приполярных вод (и окраинных морей), температура воды на поверхности моря всегда выше, чем в глубокой воде, где она лишь немного выше 0 ° C в глубокой воде на экваторе. Таким образом, происходит передача звука без отражений от краев (см. Канал SOFAR ). Глубина воды, на которой скорость звука из-за увеличения давления такая же большая, как на поверхности из-за воздействия температуры, называется «критической глубиной». Эксперты по сонарам говорят о глубокой воде только тогда, когда глубина воды превышает критическую глубину.

Для разграничения мелководья и глубокой воды существует несколько критериев с акустической точки зрения, некоторые из которых зависят от частоты, но почти не зависят от расстояния, а некоторые зависят от расстояния, но не зависят от частоты.

1. Мелководье - это когда передача имеет характер волновода с несколькими акустическими модами . Это тот случай, когда глубина воды составляет всего несколько длин волн. На основе практического опыта можно предположить, что мелководье распространяется, когда произведение глубины воды в метрах и частоты в кГц меньше 100.
2. Глубокая вода - это когда глубина воды больше критической.
3. На высоких частотах говорят о глубоководной передаче, даже если горизонтальное расстояние между передатчиком и приемником не превышает порядка глубины воды. Тогда изменение маршрута не проблема.

Эти определения, конечно, неудовлетворительны, потому что, согласно им, одна и та же область иногда является глубоководной, а иногда и мелководной. Поэтому они используются только в связи с идентификацией условий передачи (например, «глубоководные условия»). Специалисты по гидролокаторам также чаще используют термин «голубая вода» для неоспоримых глубин воды, превышающей критическую глубину, которая обычно составляет от 1000 до 2000 м. Это открытое море, особенно в глубоководных бассейнах. «Зеленая вода» - это переходная зона, также характеризующаяся исключительной экономической зоной с глубиной воды меньше критической, но глубже типичной кромки шельфа до глубины 200 м и, наконец, «коричневая вода», как прибрежная вода на берегу. у основания шельфа, также с дополнительными проблемами для распространения звука через устья, сильные приливные течения и т. д. Это «коричневое» мелководье называется в НАТО «замкнутой водой» вместе с другими водами с особыми трудностями в области гидролокатора, такими как фьорды .

Эффект зеркала Ллойда

Эффект зеркала Ллойда также известен распространением электромагнитных волн. Это важно для шума, переносимого водой, потому что водная поверхность является очень мягкой границей, то есть звуковое давление пренебрежимо мало по сравнению со скоростью звука на поверхности моря в условиях шума, переносимого водой. Это означает, что звуковая волна поворачивает свою фазу на 180 °, когда отражается от поверхности моря . В результате звуковое давление на поверхности нейтрализуется помехами. С увеличением расстояния от поверхности этот фазовый угол еще больше увеличивается, так что погасание больше не происходит. Формула для этого находится на большом расстоянии${\ displaystyle r}$

${\ displaystyle {P \ over P_ {0}} = 2 \ left (1- \ cos {4 \ pi z_ {1} z_ {2} \ over r \ lambda} \ right)}$

с текущим звуковым давлением по сравнению со звуковым давлением в свободном поле без границ, расстояниями от передатчика и приемника до поверхности и длиной акустической волны . ${\ displaystyle P}$${\ displaystyle P_ {0}}$${\ displaystyle z_ {1}}$${\ displaystyle z_ {2}}$${\ displaystyle \ lambda}$

Этот эффект изменяется на низких частотах на мелководье, потому что отражениями от морского дна нельзя пренебрегать. Соответствующий эффект основан на предположении, что все режимы имеют узел звукового давления на поверхности моря, в результате чего происходит аналогичное снижение звукового давления, в конечном счете, в результате одной и той же физической причины. На эффект Ллойда-Зеркала также влияет профиль скорости звука, и поэтому его часто трудно отделить от эффекта профиля скорости звука в зоне тени (« зона тишины »).

Важность этих эффектов заключается в том, что передатчики и приемники звука часто прикрепляются к корпусу корабля, то есть очень близко к поверхности воды.

Зона тени

Обычно температура выше всего у поверхности, поэтому скорость звука там также выше. Таким образом, звук преломляется вниз, так что лучи больше не могут доходить выше самого верхнего луча (граничного луча). Это касается глубокой воды. На мелководье эта область может быть освещена лучами, отраженными от земли. Зона тени или « зона тишины » начинается над граничным лучом . На более низких частотах эта акустическая тень мягко ложится в результате дифракции.

Эта зона тени также возникает, когда вода на поверхности полностью перемешивается волной (смешанный слой). В этом случае зона тени начинается в так называемом термоклине под смешанным слоем (при котором постоянная температура над ним падает вниз), тогда как на более высоких частотах звук, безусловно, может распространяться в смешанном слое, потому что здесь из-за Увеличение давления воды, Звуковые лучи слегка загнуты вверх. Распространение звука в смешанном слое сильно зависит от состояния моря из-за отражений от поверхности моря. Рассеяние на шероховатой поверхности может немного осветлить область тени.

Таким образом, здесь есть много противоположных эффектов: смешанный слой в основном создается волнами, которые ослабляют распространение звука в смешанном слое, но осветляют зону тени. Распространение звука в смешанном слое возможно только на более высоких частотах из-за эффекта Ллойда Зеркала. Однако более высокие частоты сильнее подвержены влиянию волн.

Какой из эффектов победит в каждом конкретном случае, можно предсказать только с большим опытом или с помощью численных моделей.

Дневной эффект

Еще до Второй мировой войны американский военно-морской флот определил, что условия сонара были очень хорошими утром и ухудшались днем, так что определение местоположения часто было невозможно. Причина этого в том, что утром, из-за ночного охлаждения, появился смешанный слой, который был эффективен на активных частотах сонара от 20 до 30 кГц, что было обычным в то время. В течение дня температура поверхности снова повышается из-за солнечной радиации, так что смешанный слой теряет свою звукопроводящую способность, и на поверхности начинается зона тени. Этот эффект наиболее заметен при слабом ветре и солнечной погоде на большой глубине.

ГНФАР канал

Уже упомянутая взаимосвязь увеличения скорости звука на поверхности моря из-за температуры и на больших глубинах из-за увеличения давления приводит к тому, что распространение звука, а именно многолучевое распространение, возможно без отражения на поверхности моря. края. Ось этого канала, т.е. ЧАС. самая низкая скорость звука возникает на глубине примерно 1000 м. Звук распространяется по оптоволоконному кабелю подобно свету . Из-за значительных размеров на большой глубине это также относится к очень низким частотам, которые мало поглощаются в свободной воде. Это обеспечивает очень большие диапазоны передачи, которые в конечном итоге ограничиваются только краями мирового океана. Этот звуковой канал в глубокой воде называется каналом SOFAR (Sound Fixing And Ranging). Он играет важную роль в обширном наблюдении за морем с помощью стационарных пассивных гидролокаторов SOSUS и в акустической томографии океана.

Канал SOFAR существует только на большой глубине. В Балтийском море также есть аналогичный звуковой канал в бассейнах летом, при этом увеличение скорости звука внизу вызвано не давлением, а взаимодействием более высокой солености и более высокой температуры (Балтийский канал). Поскольку этот канал имеет гораздо меньшие размеры, он работает только на значительно более высоких частотах и ​​также там часто нарушается из-за большой изменчивости стратификации.

Расширение зоны конвергенции

На большей глубине воды, чем критическая глубина, т. Е. Когда превышается связанная с температурой более высокая скорость звука из-за увеличения давления на глубине, возникает явление, когда звук от источника на поверхности сначала опускается на глубину (с тенью формация с очень короткими интервалами в несколько км) и на большем расстоянии, обычно где-то между 50 и 70 км, снова кажется сильно сгруппированной. Эта так называемая зона конвергенции действует как новый источник звука, так что зоны конвергенции повторяются на кратном этому расстоянии, как кольца вокруг исходного источника звука. Изначально это был важный эффект для пассивной локации гидролокатора. Низкочастотные буксируемые решетки особенно эффективны для зон конвергенции.

Зоны конвергенции только недавно стали использоваться для активного сонара с введением LFAS (низкочастотного активного сонара), потому что на более высоких частотах ослабление поглощения в воде слишком велико для определения местоположения эха.

Местоположение зоны конвергенции возможно только на глубине воды, превышающей критическую, поэтому критическая глубина имеет особое значение для определения местоположения гидролокатора.

Акустический эффект пузырей

С массой окружающей воды и сжимаемостями замкнутого газа, пузырьки образуют более высокого качество системы колебаний . На резонансной частоте сечение обратного рассеяния очень велико по сравнению с геометрическим сечением пузырька. Таким образом, пузыри чрезвычайно эффективны с акустической точки зрения как причина рассеивания звука, но также как для ослабления и генерации шума.

Резонансная частота пузырька диаметром a мм на глубине z м (давление воды) равна

${\ displaystyle f_ {r} = {3260 \ over a} {\ sqrt {1 + 0 {,} 0982 \ cdot z}} \, \ mathrm {Hz}}$,

Таким образом, пузырь диаметром 1 мм у поверхности воды имеет резонансную частоту 3,26 кГц.

Ниже резонансной частоты сечение рассеяния уменьшается в четвертой степени частоты. Выше он, наконец, возвращается к геометрическому сечению.

На практике особое значение имеют следующие пузыри.

• пузыри, смытые бушующим морем, благодаря чему эффективны даже самые маленькие пены
• в плавательные пузыри рыб
• пузыри вслед за кораблями
• поднимающиеся пузыри из газовых резервуаров метана

Набегающее море является основной причиной естественного окружающего шума в воде в среднем диапазоне частот и может вызвать очень сильное затухание звука, особенно на мелководье.

Сонар эхолота использует эффект обратного рассеяния плавательных пузырей. Специальные исследовательские отвесы , например B. Simrad EK60 использует несколько частот, что позволяет определять количество рыб по классу размера, потому что разные классы размера резонируют на разных частотах.

В торпедах с поиском следа используются восходящие эхолоты на двух частотах: одна с сильным эффектом резонансного рассеяния, а вторая - с очень высокой частотой, соответствующей диаметру пузырьков в несколько мкм, где количество и эффективность пузырьков относительно низки. Это позволяет торпеде знать, когда она пересекает след.

Окружающий шум в море

Шум - это термин, используемый для описания всех нежелательных наблюдаемых звуковых событий в отличие от ожидаемых «сигналов». Следует различать собственный шум, шум, который генерируется звуковым приемником или его платформой, и окружающий шум, который также присутствует без звукового приемника.

Собственный шум может быть реальным шумом, переносимым водой, который возникает на приемнике (гидрофоне) или несущей платформе (судне), или структурным шумом, который передается на приемник звука через его приспособление, или он может быть вызван электрическими помехами. прямо на приемнике.

Окружающий шум можно разделить на естественные источники звука или те, которые могут быть связаны с деятельностью или объектами людей (шум, производимый человеком), и, с другой стороны, необходимо проводить различие между постоянными, медленно колеблющимися уровнями звука и кратковременными. звуковые события ( переходные процессы ), которые также являются естественными или искусственными.

Согласно Урику, в частотном диапазоне различают пять областей:

1. Ниже 1 Гц, по сути, вы получите «псевдозвук», т.е. ЧАС. Колебания давления, которые возникают не из-за волнового распространения, а из-за гидростатического давления из-за изменения уровня воды или вызванных потоком колебаний давления из-за эффекта Бернулли . Эффекты землетрясений, которые могут быть реальными звуковыми (с распространяющимися волнами), также попадают в этот частотный диапазон как переходные процессы. Систематическая частотная характеристика не может быть указана.
2. В диапазоне от 1 Гц до примерно 20 Гц (от 10 до 30 Гц) спектр окружающего шума падает примерно на 8-10 дБ / октаву. На частоте 1 Гц она составляет около 120 дБ отн. Полоса пропускания 1 мкПа и 1 Гц. Здесь также предполагается, что основной причиной являются колебания давления Бернулли из-за турбулентности. Однако на более мелкой воде зыбь также напрямую вызывает такие колебания давления.
3. В зависимости от плотности морского движения достигается относительный максимум от 10 Гц до 200 Гц (при интенсивном судоходстве и мелководье также до 1 кГц), в первую очередь из-за шума далеких судов. Но даже в тех немногих местах, где далекий шум кораблей незаметен (некоторые районы южной части Тихого океана), шум в этом районе падает с возрастающей частотой, потому что далекие звуки волн, разбивающихся о берег и падающих льдов. границу тогда можно услышать. Относительный максимум на частоте около 80 Гц составляет около 70 дБ отн. 1 мкПа и 1 Гц и при интенсивном судоходстве (без единого корабля в непосредственной близости от приемника) около 90 дБ отн. 1 мкПа и 1 Гц.
4. На частотах выше примерно 200 Гц - примерно 20 кГц, при сильном волнении на море до примерно 100 кГц, окружающий шум вызывается разбивающимся морем («звон» пузырей в разбивающемся море) или, в случае сильного дождя, пузырями. генерируется дождем. Но и в этом диапазоне частот преобладают шумы от близлежащих судов (в основном, кавитационный шум от гребного винта судна или, например, шум от буксирных устройств рыбаков, когда они находятся поблизости).
5. Выше 20 кГц тепловой шум, наконец, побеждает за счет броуновского движения молекул . На 100 кГц это около 25 дБ отн. 1 мкПа и 1 Гц, увеличивается с частотой и не очень изменяется из-за небольшого диапазона изменения температуры воды в море.
   • Шум чуть ниже поверхности воды, отдельные пузыри можно услышать в разбивающемся море. ^{? / я}
   • На большом расстоянии от морской поверхности звук пузырей становится размытым, а из-за большего затухания высоких частот звук звучит немного глубже. ^{? / я}
   • Звук грузового судна, преимущественно кавитационный звук четырехлопастного винта. ^{? / я}
   • Сигналы сонара записаны в стерео с помощью двух гидрофонов ^{? / я}
   • Твиттер стада пилотных китов. Трескающий фоновый шум исходит от щелчков до места эха ^{? / я}

реверберация

Когда реверберацией называют непрерывные отражения звуковых волн (акустические отражения) в закрытом помещении или в пределах ограниченного диапазона, конечно. С другой стороны, эхо - это отражение от отдельных объектов.

В случае воздушного звука реверберация характеризуется временем реверберации . В случае водяного шума - в котором реверберация важна только для активного (и мультистатического) местоположения - интересует расстояние реверберации по сравнению с целевым эхом.

Среди сонарных хирургов часто можно услышать эмпирическое правило, согласно которому достижимый диапазон местоположения равен диапазону реверберации. Это звучит правдоподобно, поскольку ослабление распространения звука имеет решающее значение как для эха, так и для реверберации. С другой стороны, особенно сильная реверберация, которая, следовательно, распространяется далеко, может замаскировать целевое эхо. Это создает обратную зависимость между расстоянием реверберации, т. Е. ЧАС. расстояние (или время), на котором реверберация исчезает в звуке, и максимальное расстояние локализации.

В зависимости от того, больше ли расстояние реверберации или максимальное расстояние локализации, говорят о диапазоне с ограничением реверберации или ограниченным шумом. Если диапазон ограничен, увеличение уровня передачи не увеличивает дальность. На мелководье диапазон в основном ограничен реверберацией, а на глубокой воде - скорее шумом. По этой причине гидролокаторы, оптимизированные для мелководья, обычно имеют меньшую мощность передачи, чем типичные глубоководные гидролокаторы.

По сути, есть два варианта уменьшения влияния реверберации. Во-первых, эхо-сигналы от локационных целей испытывают доплеровский сдвиг из-за скорости движения цели , которая превышает доплеровский частотный диапазон реверберации, по крайней мере, в случае быстрого приближения объектов. Это отличает цель от реверберации с помощью «выбора Доплера». Другая возможность - увеличить временное и угловое разрешение системы, поскольку это уменьшает одновременно освещаемую область и, следовательно, реверберацию относительно цели. Помимо повышенных требований к технологии гидролокатора, эта мера сталкивается с двумя ограничениями: с одной стороны, сигналы с высоким временным разрешением обычно имеют низкое частотное разрешение и, следовательно, могут в меньшей степени использовать эффект Доплера. С другой стороны, при высоком разрешении реверберация может потерять свой диффузный характер. В результате отдельные локальные пики становятся «ложными целями», которые трудно отличить от искомой.

Различают три типа реверберации в зависимости от места их возникновения: поверхностная реверберация, объемная реверберация и реверберация пола.

На мелководье обычно наибольшую роль играет донная реверберация. Дно - это граница, на которую сильнее и под более крутым углом попадает профиль скорости звука (см. Рисунок многолучевого распространения на мелководье). Реверберация сильно различается в зависимости от типа пола. Чем грубее пол, тем большую реверберацию он создает. Спектр пространственного волнового числа определяет частотную зависимость реверберации с помощью уравнения Брэгга . Поэтому в случае песка реверберация B. от нескольких сотен герц до нескольких килогерц. Скалистый грунт приводит к сильной, но не очень рассеянной реверберации с сильным характером ложной цели. Шликбоден обычно имеет очень гладкую поверхность, но может производить сильную реверберацию. Это основано на том факте, что звук хорошо проникает в ил, и тогда реверберация определяется пузырьками газа в иле или шероховатостью структур под илом. Поскольку затухание звука в буровом растворе сильно зависит от частоты, это означает, что преимущественно возникает низкочастотная реверберация.

Отражение от поверхности моря играет роль, особенно зимой (отсутствие повышения температуры воды по направлению к поверхности моря). Это вызвано больше отражениями от пузырей, смываемых морем, чем волнением моря. Поскольку это зависит только от ветра (и зыби, связанной с ветром), а не от местоположения, Чепмен и Харрис представили очень полезное эмпирическое описание поверхностной реверберации еще в 1962 году.

Объемная реверберация вызывается разбрасыванием тел в толще воды. Обычно он намного слабее, чем реверберация от краев, и наблюдается в основном на большой глубине и в эхолотах. Его наиболее важная причина - планктон на высоких частотах и ​​рыба, или, точнее, наполненные воздухом плавательные пузыри рыб на средних и низких частотах. Распределение источников реверберации в воде неравномерное, в зависимости от предпочтительного местоположения планктона (которому также следуют рыбы). При определенных условиях, например, в Балтийском звуковом канале или при наличии больших косяков рыбы, громкая реверберация также эффективна на мелководье.

Технические приложения

По сути, делается различие между целями приложения:

• Измерение глубины: эхолот
• Локация: подводных лодок (подземная охота), шахт (шахтная охота), с активным и пассивным гидролокатором.
• Эхолот для поиска рыб и косяков рыб
• Подводная съемка: гидролокатор бокового обзора
• Подводная связь: подводный телефон
• Подводная навигация: напр. Б. Посидония
• Определение скорости потока
• Акустическая томография океана

Эхолот

Традиционный эхолот называется навигационным эхолотом, чтобы отличить его от специальных форм, потому что он служит стандартным оборудованием корабля для безопасного плавания. Обычно он имеет ограниченный диапазон глубин, потому что на больших глубинах глубина воды не имеет значения для навигации, и обычно она не стабилизируется относительно движений корабля и не очень сфокусирована.

Исследовательские отвесы или обзорные отвесы построены намного сложнее. Для точного определения местоположения и определения глубины они плотно связаны (эхолот с узким лучом, отвес на краю полки), так что глубина не измеряется как наклонное расстояние на наклонном морском дне. Следовательно, они также должны быть стабилизированы с учетом движения судна.

Сегодня веерообразный отвес в основном используется для исследований и измерений. С их помощью направленное разрешение распределяется между передатчиком (высокое разрешение на входе, широкое в поперечном направлении) и приемником (несколько приемных лепестков за счет электронного поворота лепестков одновременно во многих направлениях - отсюда и вентиляторы). Они позволяют полностью покрыть морское дно вместо профильных линий под кораблем. Для целей съемки необходимо учитывать текущий профиль скорости звука на площадке и текущий уровень воды .

Проникающие в отложения припои позволяют звуку проходить через верхние слои отложений, в зависимости от мощности и частоты. Они относительно низкочастотны и представляют собой плавный переход в техническую конструкцию и применение к сейсмическим системам ( сейсмические ). Отвесы для проникновения в осадочные породы являются низкочастотными, поскольку затухание в грунте очень велико и приблизительно линейно пропорционально частоте.

Для спортсменов-яхтсменов и дайверов есть также небольшие ручные отвесы в форме фонарика.

Военные гидролокаторы

• Уджагдсонар
• Подводный гидролокатор
• Гидролокатор для поиска мин, гидролокатор для предотвращения мин
• Оружейный гидролокатор

В случае охотничьего гидролокатора различают активный гидролокатор (определение эхолокации) и пассивный гидролокатор. В последнее время используются и смешанные формы: бистатический гидролокатор, т. То есть передатчик и приемник расположены на пространственно разделенных платформах.

После Второй мировой войны активный гидролокатор в носовой части корабля изначально играл важную роль (носовой гидролокатор, гидролокатор, установленный на корпусе). Затем они были дополнены гидролокатором с буксируемой антенной решеткой (ТА) в начале 1970-х годов . Дальнейшее снижение шума также в случае атомных подводных лодок сделало возврат к активному гидролокатору (эхолокации) необходимым, сегодня в основном за счет низкочастотного буксирующего гидролокатора, в котором буксируемая группа имеет низкочастотный буксируемый передающий блок («Активный адъюнкт "). Однако сегодня старые буксируемые массивы с их оборудованием для очень большой полосы пропускания (частично от 10 Гц до 1 кГц) редко используются для этой цели, что не позволяет различать правое и левое направления. Вместо этого используются кардиоидные (триплетные) или двойные решетки, которые допускают это различие, но ограничены в частотном диапазоне до частоты передачи. Эти системы работают иначе, чем обычные активные гидролокационные системы, которые работали в диапазоне средних частот (от 3 кГц до 20 кГц) и в диапазоне низких частот (от 100 Гц до 3 кГц).

Во время холодной войны американский флот установил стационарные пассивные гидролокаторы на дне океана в различных местах по всему миру для крупномасштабного наблюдения за подводными лодками противника. Эти системы, которые в то время держались в строгом секрете, называются SOSUS (система звукового наблюдения). Об этой системе было объявлено только после окончания холодной войны, и она используется сегодня в гражданских целях, если ее пока не отключили.

Что касается дальности (<1 км), к гидролокаторам для шахтной охоты предъявляются значительно более низкие требования, но разрешение тем больше, что позволяет надежно идентифицировать и, если возможно, также классифицировать сравнительно небольшие цели. Соответственно, они работают на очень высоких частотах от 100 кГц до 1 МГц. Требования к гидроакустическим системам предотвращения мин, которые должны своевременно предупреждать только носитель (например, фрегат или подводную лодку) о мин, особенно якорных минах, несколько ниже, чтобы обеспечить возможность маневра уклонения. Гидролокаторы для предотвращения минной опасности используют частоты, аналогичные частотам гидролокаторов для минной охоты, но обычно более скромные, особенно с точки зрения возможностей классификации.

Активная или пассивная гидролокаторная система, имеющаяся в распоряжении многих торпед, называется гидролокатором оружия. Строго говоря, акустические датчики мин тоже следует отнести к гидролокаторам пассивного оружия. Однако там они регистрируются как акустические датчики.

Из-за нехватки места и меньшей дальности, частоты гидролокатора оружия значительно выше, чем у гидролокатора подземной охоты, но обычно ниже, чем у гидролокатора шахтной охоты. Существуют активные и пассивные гидролокаторы в качестве гидролокаторов торпед, при этом активные гидролокаторы обычно используются по сравнению с подводными лодками, а пассивные гидролокаторы используются по сравнению с надводными кораблями.

Хорошо известные научно - исследовательские институты для водо- ШУМА в Германии в техническом центре бундесвера для судов и морского оружие, морской технология и научные исследования , в Европе Центра морских исследований и экспериментирование в НАТО и в США Научно - исследовательская лаборатория ВМС (NRL) и Центр морской подводной войны (NUWC). В других странах исследованиями звука, передаваемого через воду, занимаются в основном централизованные военные исследовательские институты.

Эхолот для эхолота

Это высокочастотные активные сонары, которые обнаруживают эхо-сигналы от плавательных пузырей. Большинство эхолотов не используют эффект акустического резонанса плавательных пузырей, но работают на более высоких частотах. Однако, особенно для исследовательских целей (например, Simrad EK 60), существуют многочастотные сонары, которые используют резонансную частоту, чтобы различать размер рыбы.

Гидролокаторы изображений

Первоначально это означало только гидролокатор бокового обзора (SSS). Некоторые современные веерообразные отвесы с высоким разрешением представляют собой реальную конкуренцию SSS с точки зрения достижимого качества изображения.Кроме того, наблюдается тенденция к смешанным формам этих двух изначально совершенно разных процессов.

Вертикальный отвес работает как традиционный эхолот с отвесом, но несколько из них записываются одновременно параллельно, создавая двухмерный профиль глубины, то есть в основном (с глубиной) трехмерное изображение.

SSS обнаруживает линию на морском дне для каждого посылаемого эхо-сигнала , который модулируется силой местного обратного рассеяния морского дна вдоль этой боковой полосы. Последовательность звуковых сигналов создает «картину морского дна». Б. песок и ил четко дифференцированы. Отдельные объекты на земле также характеризуются сильным обратным рассеянием с последующим прерыванием обратного рассеяния из-за образования теней. Это приводит к последовательности пингов с «линиями» на пинги, изображения с интуитивным впечатлением от черно-белых фотографий. Однако они не содержат прямой информации о глубине. Высоту объектов можно оценить по длине тени.

Современные разработки в SSS, например, за счет использования интерферометрического эффекта, также позволяют оценивать информацию о глубине. Поскольку, с другой стороны, веерообразные отвесы также получают дальнейшее развитие благодаря умелому использованию эхо-сигналов посредством чистого определения расстояния, оба метода все больше и больше сходятся.

Диапазон и разрешение - взаимозаменяемые, дополнительные требования к SSS. Обычные SSS высокого разрешения с частотами от 200 кГц до 1 МГц очень ограничены по диапазону, на высоких частотах до нескольких 10 м. Однако в морских исследованиях также используются SSS в нижнем диапазоне кГц, который может достигать диапазонов почти 100 км по глубокой воде. Еще один важный параметр в SSS - высота системы над землей. В основном, чем ближе устройство находится над землей, тем более фото-образным становится изображение. Однако, поскольку горизонтальные лучи искривлены профилем скорости звука, чем ближе устройство работает над землей, тем короче диапазон.

Подводное общение

Хотя водный шум очень неадекватен сегодняшним требованиям связи, электромагнитные волны практически не подходят для передачи на расстояниях от 10 до 300 м (в зависимости от облачности воды), поэтому водный шум не имеет альтернативы. Подводный телефон UT или Гертруда использовался еще во время Второй мировой войны . Это была аналоговая передача голоса с использованием технологии SSB в верхней боковой полосе с несущей 9 кГц и частотным диапазоном от 300 Гц до 3 кГц, используемым в то время в телефонии. Прием был плохим, особенно на мелководье, из-за многолучевой передачи. Был доступен только этот частотный канал. Между тем используются методы передачи, основанные на современной технологии мобильной радиосвязи, которые из-за плохих условий распространения и низкой доступной полосы пропускания (преимущественно частоты между 5 кГц и 40 кГц) допускают только небольшие объемы информации и диапазоны.

Акустическая подводная навигация, спусковой крючок

Хотя использование водных звуков началось с навигационных средств, абсолютного (координатно-определяющего) метода навигации практически не существует. Здесь зарекомендовали себя процедуры электромагнитной наземной навигации. Используются только местные относительные системы, в частности, для определения местоположения подводной системы относительно надводной платформы.

Для этого используются один или несколько источников звука, при приеме которых (чаще у нескольких приемников, чем у нескольких передатчиков) положение может быть определено с точностью до сантиметра. Это позволяет точно определить местоположение устройств, которые запускаются с корабля (например, ROV ) или буксируются. Но АПА и подводные спускаемые аппараты также позиционируются с системами, которые работают аналогичным образом по отношению к основной платформе или к базовым станциям подводных лодок.

Такие системы также давно используются для динамического позиционирования; То есть удерживать плавучие платформы в неподвижном состоянии с помощью регулируемого привода (точнее, чем это было бы возможно при постановке на якорь). Они имели большое значение для плавучих буровых платформ и буровых судов. Тем временем, однако, они были в значительной степени заменены системами GPS, для которых не требуется точного позиционирования датчиков пола.

Так называемые релизеры, где местоположение является лишь второстепенной функцией, имеют большое значение в морских исследованиях . Они используются с закрепленными на якоре подводными измерительными системами, особенно когда они не отмечены наземным буем. В зависимости от отправленного сигнала вы получите ответный сигнал, который используется, с одной стороны, для проверки функции, а с другой стороны, для определения местоположения системы, или соединение с основным грузом отключается, чтобы система может плавать.

Акустическое измерение потока

Наиболее важным измерительное устройство для измерения расхода сегодня является акустический доплеровский измеритель течения (АПДТ), активный сонар , который использует доплеровского сдвига частоты из за реверберацией рассеяния тел в воде (главным образом планктона ) для определения скорости локального потока. В основном разрешение обусловлено соотношением размытия реверберации.

${\ displaystyle \ Delta v_ {n} \ Delta z = c ^ {2} / 2f_ {0} \,}$

ограниченный, где разрешение скорости потока, разрешение расстояния, скорость звука и центральная частота передаваемого сигнала. Чем выше частота, тем лучше достижимое разрешение и короче длина профиля потока из-за частотно-зависимого демпфирования. Разрешение может быть увеличено с помощью большой полосы пропускания сигнала передачи по сравнению с соотношением неопределенности реверберации (широкополосный ADCP, BB-ADCP). ${\ displaystyle \ Delta v_ {n}}$${\ displaystyle \ Delta z}$${\ displaystyle c \ приблизительно 1480 \ mathrm {м / с}}$${\ displaystyle f_ {0}}$

Акустическая томография океана (ОАТ)

В томографических методах последовательно используются физико-математические методы, используемые для получения трехмерных полей или для картирования срезов с помощью обратного метода. Акустическая морская томография имеет общий подход с другими томографическими методами. Время прохождения принятых сигналов должно оцениваться большим количеством передатчиков и приемников звука, чтобы записать трехмерную скорость звука или распределение температуры в замкнутом поле. Однако термин «томография» вызывает ожидания, которым не может соответствовать акустическая томография. Звуковые волны не распространяются по прямой линии, что означает, что зависимость между временем прохождения и температурной стратификацией не является линейной. Это затрудняет инверсию. Поэтому один зависит от функциональной модели стратификации воды, которая имеет ограниченное количество свободных параметров, которые могут быть определены с помощью измерения. Поскольку результаты могут быть точными только в том случае, если базовая модель точна («вы можете определить только то, что вы уже знаете»), OAT подходит только для крупномасштабных явлений и для исследования изменений во времени. Этот сложный и сложный метод особенно хорошо зарекомендовал себя при исследовании изменчивости. Вальтер Мунк и Карл Вунш считаются пионерами OAT .

Большой эксперимент ATOC (Акустическая термография климата океана) в Тихом океане, с помощью которого должны быть получены необходимые крупномасштабные средние значения для определения глобального потепления , стал относительно хорошо известным . Он очень широко использует методы ОАТ.

Звуки, передающиеся через воду, и киты

Принимая во внимание превосходство шума, передаваемого через воду, как средства коммуникации под водой, неудивительно, что животные также используют шум, передаваемый через воду. Хорошо известными примерами являются песни китов для общения или эхолокация китов или дельфинов. Из-за технического использования возможны конфликты использования. Насколько нам известно сегодня, это особенно касается морских млекопитающих. Вы определенно зависите от слуха как от самого важного чувства. Подводный шум в северном полушарии в настоящее время постоянно характеризуется диффузным шумом от кораблей в диапазоне частот от 100 до 300 Гц, при условии, что он не заглушается очень сильным естественным шумом от морской поверхности во время штормов.

Самые громкие звуки в море включают в себя морские землетрясения , подводные вулканы и облупившиеся айсберги, высокоэнергетические сейсмические гидролокаторы (так называемые воздушные пушки, также известные как звуковые бомбы), которые используются для поиска нефти и природного газа на морском дне. Они очень громкие (до 220 дБ) и генерируются круглосуточно каждые несколько секунд.

Однако все чаще критике подвергаются и технические возможности. Хотя ущерб, причиненный техническим шумом, относительно невелик, неизвестно, насколько велико количество незарегистрированных случаев .

В том же время, можно считать , что определенной средней частотой военного гидролокатор оборудование в диапазоне частот от 2 до 5 кГц до посадки на мель из клюворыловых может привести.

В нескольких отдельных случаях с 1996 года около 50 клювых китов выбрались на мель и в результате погибли. В каждом из событий пострадали около 10 китов. Причина - паническая реакция появления ныряющих клювых китов, которая приводит к ныряющей болезни , эмболии из-за отслоения азотом. Риск для китов от звука значительный, но все же низкий по сравнению с риском от китобойного промысла (включая прилов ) и столкновений с судами.

литература

• X. Lurton: Введение в подводную акустику, принципы и приложения . 2-е издание. Книги Springer / Springer Praxis, 2010, ISBN 3-540-78480-2 .
• Р. Дж. Урик: Принципы подводного звука . 2-е издание. Макгроу-Хилл, Нью-Йорк 1975, ISBN 0-07-066086-7 .
• HG Urban: Справочник по водной звуковой технологии, STN Atlas Electronics, Бремен, 2000 г.
• PC Wille: Звуковые образы океана , Springer Verlag, 2005. ISBN 3-540-24122-1 .
• JR Апель: Принципы физики океана. Academic Press, London 1987. ISBN 0-12-058866-8.
• Роберт Дж. Урик: Принципы подводного звука. Макгроу-Хилл, Нью-Йорк, 1967, 1975, 1983. ISBN 0-07-066087-5
• ПК Вилле: Звуковые образы океана . Springer Verlag, 2005, ISBN 3-540-24122-1 (к сонарам изображения)

Индивидуальные доказательства

1. ↑ ^{а б в г} Р. Дж. Урик: Принципы подводного звука. Mc Graw-Hill, Нью-Йорк, 1975 г.
2. ↑ JD Colladon, JK Sturm: О сжимаемости жидкостей. В: Анналы физики и химии , том 12, 1928 г., стр. 161-197.
3. ↑ ^{a b c} Г. Х. Зием: Киль - один из первых центров шума, переносимого водой . В: Deutsche Hydrogr. Z. , Дополнительная брошюра B № 20, 1988 г.
4. ^ RE Francois, GR Garrison: звукопоглощение на основе измерений океана . Часть II: Вклад борной кислоты и уравнение для полного поглощения . В: J. Acoust. Soc. В. , 72, 1982, стр. 1879-1890.
5. ^ RP Chapman, JH Harris: силы обратного рассеяния на поверхности, измеренные с помощью взрывоопасных источников звука . В: J. Acoust. Soc. В. , 34, 1962, с. 547
6. ↑ Транспондеры акустического выброса . ( Памятка от 19 марта 2014 г. в Интернет-архиве ) (PDF) Брошюры по лодкам
7. ↑ Акустическая термометрия NPAL
8. ↑ Подводный шум: киты в постоянном стрессе , на greenpeace.de
9. ^ D'Amico А. (ред.) 1998. Краткий отчет, SACLANTCEN биоакустика панель. Ла Специя, Италия, 15-17 июня 1998 г. Центр подводных исследований Saclant, M-133
10. ↑ Звуковые бомбы убивают морских млекопитающих
11. ^ PL Tyack et al.: Экстремальный дайвинг клювых китов . В: Journ. Experim. Биология , 206, 1960, стр. 4238-4253.
12. ^ Р. Тиле: Сонар: опасность для китов? . В: Маринфорум , 3, 2007, с. 33-36.