Подводная акустика

Вывод компьютерной модели распространения звука под водой в упрощенной океанской среде.

Подводная акустика - это изучение распространения звука в воде и взаимодействия механических волн , составляющих звук, с водой, ее содержимым и границами. Вода может быть в океане, озере, реке или резервуаре . Типичные частоты, связанные с подводной акустикой, составляют от 10 Гц до 1 МГц . Распространение звука в океане на частотах ниже 10 Гц обычно невозможно без проникновения в глубь морского дна, тогда как частоты выше 1 МГц используются редко, поскольку они очень быстро поглощаются. Подводная акустика иногда называется гидроакустикой .

Область подводной акустики тесно связана с рядом других областей акустических исследований, включая гидролокатор , преобразование , обработку акустических сигналов, акустическую океанографию , биоакустику и физическую акустику .

История [ править ]

Подводный звук, вероятно, использовался морскими животными на протяжении миллионов лет. Наука подводная акустика началась в 1490 году, когда Леонардо да Винчи написал следующее: ^[1]

«Если вы остановите свой корабль и поместите головку длинной трубы в воду и поднесете внешний конец к уху, вы услышите корабли на большом расстоянии от вас».

В 1687 году Исаак Ньютон написал свои « Математические принципы естественной философии», которые включали первое математическое рассмотрение звука. Следующий важный шаг в развитии подводной акустики выступили Daniel Колладон , в швейцарских физиках и Чарльз Штурм , на французском математиком . В 1826 году на Женевском озере они измерили время, прошедшее между вспышкой света и звуком затопленного корабельного колокола, услышанным с помощью подводного рожка. ^[2] Они измерили скорость звука 1435 метров в секунду на расстоянии 17 километров (км), предоставив первое количественное измерение скорости звука в воде. ^[3]Полученный ими результат находится в пределах 2% от принятых в настоящее время значений. В 1877 году лорд Рэлей написал « Теорию звука» и основал современную акустическую теорию.

Крушение Титаника в 1912 году и начало Первой мировой войны послужили толчком для новой волны прогресса в подводной акустике. Были разработаны системы обнаружения айсбергов и подводных лодок . Между 1912 и 1914 годами в Европе и США был выдан ряд патентов на эхолокацию , кульминацией которых стал эхо-рейнджер Реджинальда А. Фессендена в 1914 году. Новаторская работа была проведена в это время во Франции Полом Ланжевеном и в Великобритании компанией AB Вуд и сотрудники. ^[4] Разработка как активного ASDIC, так и пассивного сонара.(SOund Navigation And Ranging) быстро развивалась во время войны, чему способствовали первые крупномасштабные развертывания подводных лодок . Другие достижения в подводной акустике включали разработку акустических мин .

В 1919 году была опубликована первая научная статья по подводной акустике ^{[5], в которой} теоретически описывалось преломление звуковых волн, создаваемых градиентами температуры и солености в океане. Предсказания по дальности в этой статье были экспериментально подтверждены измерениями потерь при распространении .

В следующие два десятилетия было разработано несколько приложений подводной акустики. Эхолот или эхолот, был разработан коммерчески в течение 1920 - х годов. Первоначально для датчиков использовались натуральные материалы, но к 1930-м годам гидроакустические системы, включающие пьезоэлектрические преобразователи, сделанные из синтетических материалов, стали использоваться для систем пассивного прослушивания и для активных систем эхолокации. Эти системы успешно использовались во время Второй мировой войны как на подводных лодках, так и на противолодочных кораблях. Было сделано много достижений в подводной акустике, которые позже были обобщены в серии Physics of Sound in the Sea , опубликованной в 1946 году.

После Второй мировой войны разработка гидроакустических систем была в значительной степени обусловлена холодной войной , что привело к прогрессу в теоретическом и практическом понимании подводной акустики, чему способствовали компьютерные методы.

Теория [ править ]

Звуковые волны в воде, на морском дне [ править ]

Звуковая волна, распространяющаяся под водой, состоит из чередующихся сжатий и разрежений воды. Эти сжатия и разрежения воспринимаются приемником, например человеческим ухом или гидрофоном , как изменения давления . Эти волны могут быть искусственными или естественными.

Скорость звука, плотность и сопротивление [ править ]

Скорость звука (т.е. продольное движение волновых фронтов) связана с частотой и длины волны волны путем .${\displaystyle c\,}$ ${\displaystyle f\,}$ ${\displaystyle \lambda \,}$${\displaystyle c=f\cdot \lambda }$

Это отличается от скорости частицы , которая относится к движению молекул в среде из-за звука, и связывает давление плоской волны с плотностью жидкости и скоростью звука посредством .${\displaystyle u\,}$${\displaystyle p\,}$${\displaystyle \rho \,}$${\displaystyle c\,}$${\displaystyle p=c\cdot u\cdot \rho }$

Продукт и из приведенных выше формул известен как характерный акустический импеданс . Акустическая мощность (энергия в секунду), пересекающая единицу площади, известна как интенсивность волны, а для плоской волны средняя интенсивность определяется выражением , где - среднеквадратичное значение акустического давления.${\displaystyle c}$${\displaystyle \rho \,}$${\displaystyle I=q^{2}/(\rho c)\,}$${\displaystyle q\,}$

На частоте 1 кГц длина волны в воде составляет около 1,5 м. Иногда используется термин «скорость звука», но это неверно, поскольку величина является скалярной.

Большой контраст импеданса между воздухом и водой (соотношение около 3600) и масштаб шероховатости поверхности означают, что морская поверхность ведет себя как почти идеальный отражатель звука на частотах ниже 1 кГц. Скорость звука в воде превышает скорость звука в воздухе в 4,4 раза, а коэффициент плотности составляет около 820.

Поглощение звука [ править ]

Низкочастотный звук поглощается слабо. ^[6] (см. Техническое руководство - Расчет поглощения звука в морской воде для онлайн-калькулятора). Основной причиной затухания звука в пресной воде и на высоких частотах в морской воде (выше 100 кГц) является вязкость . Важный дополнительный вклад на более низких частотах в морскую воду связан с ионной релаксацией борной кислоты (примерно до 10 кГц) ^[6] и сульфата магния (примерно от 10 до 100 кГц). ^[7]

Звук может быть поглощен потерями на границах жидкости. У поверхности моря потери могут происходить в пузырьковом слое или во льду, а у дна звук может проникать в отложения и поглощаться.

Отражение и рассеяние звука [ править ]

Граничные взаимодействия [ править ]

И поверхность воды, и дно являются отражающими и рассеивающими границами.

Поверхность [ править ]

Для многих целей поверхность моря и воздуха можно рассматривать как идеальный отражатель. Контраст импеданса настолько велик, что небольшая энергия может пересечь эту границу. Волны акустического давления, отраженные от поверхности моря, изменяются по фазе, что часто обозначается как «изменение фазы pi» или «изменение фазы на 180 градусов». Математически это выражается путем присвоения поверхности моря коэффициента отражения минус 1 вместо плюс один. ^[8]

На высокой частоте (выше 1 кГц) или при волнении на море часть падающего звука рассеивается, и это учитывается путем присвоения коэффициента отражения, величина которого меньше единицы. Например, при падении, близком к нормальному, коэффициент отражения становится равным , где h - среднеквадратичная высота волны. ^[9]${\displaystyle R=-e^{-2k^{2}h^{2}sin^{2}A}}$

Еще одним осложнением является наличие порождаемых ветром пузырей или рыбы у поверхности моря. ^[10] Пузырьки также могут образовывать шлейфы, которые поглощают часть падающего и рассеянного звука и сами рассеивают часть звука. ^[11]

Морское дно [ править ]

Несоответствие акустического импеданса между водой и дном обычно намного меньше, чем на поверхности, и является более сложным. Это зависит от типа материала дна и глубины слоев. Теории были разработаны для предсказания распространения звука на дне в этом случае, например, Био ^[12] и Бэкингемом. ^[13]

В цель [ править ]

Отражение звука от цели, размеры которой велики по сравнению с длиной акустической волны, зависит от ее размера и формы, а также от импеданса цели по отношению к воде. Были разработаны формулы для определения силы цели различных простых форм в зависимости от угла падения звука. Более сложные формы можно приблизить, комбинируя эти простые. ^[1]

Распространение звука [ править ]

Распространение звука под водой зависит от многих факторов. Направление распространения звука определяется градиентами скорости звука в воде. Эти градиенты скорости преобразуют звуковую волну за счет преломления, отражения и дисперсии. В море вертикальные градиенты обычно намного больше, чем горизонтальные. Сочетание этого с тенденцией к увеличению скорости звука с увеличением глубины из-за увеличения давления в глубоком море вызывает изменение градиента скорости звука в термоклине., создавая эффективный волновод на глубине, соответствующей минимальной скорости звука. Профиль скорости звука может вызывать области низкой интенсивности звука, называемые «теневыми зонами», и области высокой интенсивности, называемые «каустиками». Их можно найти методами трассировки лучей .

На экваторе и умеренных широтах в океане температура поверхности достаточно высока, чтобы обратить вспять эффект давления, так что минимум скорости звука возникает на глубине нескольких сотен метров. Наличие этого минимума создает специальный канал, известный как Deep Sound Channel, ранее известный как канал SOFAR (фиксация звука и дальность), позволяющий направленное распространение подводного звука на тысячи километров.без взаимодействия с морской поверхностью или дном. Еще одно явление в морских глубинах - образование зон фокусировки звука, известных как зоны конвергенции. В этом случае звук преломляется вниз от приповерхностного источника, а затем снова возвращается вверх. Горизонтальное расстояние от источника, на котором это происходит, зависит от положительного и отрицательного градиентов скорости звука. Поверхностный канал также может возникать как на глубокой, так и на умеренно мелкой воде, когда наблюдается восходящая рефракция, например, из-за низких температур поверхности. Распространение происходит за счет повторяющихся звуков, отскакивающих от поверхности.

Как правило, по мере распространения звука под водой интенсивность звука уменьшается в увеличивающихся диапазонах, хотя в некоторых случаях можно получить усиление за счет фокусировки. Потери при распространении (иногда называемые потерями при передаче ) - это количественная мера снижения интенсивности звука между двумя точками, обычно источником звука и удаленным приемником. Если - интенсивность поля в дальней зоне источника относительно точки, расположенной на расстоянии 1 м от его акустического центра, и - интенсивность в приемнике, то потери при распространении определяются по ^{формуле [1]} . В этом уравнении не истинная акустическая интенсивность в приемнике, которая является векторной величиной, а скалярная величина.${\displaystyle I_{s}}$${\displaystyle I_{r}}$ ${\displaystyle PL=10\log(I_{s}/I_{r})}$${\displaystyle I_{r}}$равной эквивалентной интенсивности плоской волны (EPWI) звукового поля. EPWI определяется как величина интенсивности плоской волны того же среднеквадратичного давления, что и истинное акустическое поле. На коротких расстояниях преобладают потери при распространении из-за распространения, а на больших расстояниях преобладают потери на поглощение и / или рассеяние.

Альтернативное определение возможно в терминах давления вместо интенсивности, ^[14] давая , где - среднеквадратичное акустическое давление в дальнем поле проектора, масштабированное до стандартного расстояния в 1 м, и - среднеквадратичное давление в приемнике. позиция.${\displaystyle PL=20\log(p_{s}/p_{r})}$${\displaystyle p_{s}}$${\displaystyle p_{r}}$

Эти два определения не совсем эквивалентны, потому что характеристическое сопротивление в приемнике может отличаться от волнового сопротивления источника. Из-за этого использование определения интенсивности приводит к другому уравнению сонара по сравнению с определением, основанным на соотношении давлений. ^[15] Если источник и приемник находятся в воде, разница небольшая.

Моделирование распространения [ править ]

Распространение звука через воду описывается волновым уравнением с соответствующими граничными условиями. Для упрощения расчетов распространения радиоволн был разработан ряд моделей. Эти модели включают теорию лучей, решения для нормальных мод и упрощения волнового уравнения по параболическому уравнению. ^[16] Каждый набор решений обычно действителен и эффективен с точки зрения вычислений в режиме ограниченной частоты и диапазона, а также может включать другие ограничения. Теория лучей больше подходит для коротких диапазонов и высоких частот, в то время как другие решения лучше работают на больших расстояниях и низких частотах. ^{[17] [18] [19]} Различные эмпирические и аналитические формулы также были получены на основе измерений, которые являются полезными приближениями.^[20]

Реверберация [ править ]

Переходные звуки приводят к затухающему фону, который может иметь гораздо большую продолжительность, чем исходный переходный сигнал. Причина этого фона, известного как реверберация, частично связана с рассеянием от грубых границ, а частично с рассеянием от рыб и другой биоты . Чтобы акустический сигнал можно было легко обнаружить, он должен превышать уровень реверберации, а также уровень фонового шума .

Доплеровский сдвиг [ править ]

Если подводный объект движется относительно подводного приемника, частота принимаемого звука отличается от частоты звука, излучаемого (или отраженного) объектом. Это изменение частоты известно как доплеровский сдвиг . Сдвиг можно легко наблюдать в активных гидролокаторах , особенно узкополосных, потому что частота передатчика известна, и можно рассчитать относительное движение между гидролокатором и объектом. Иногда также может быть известна частота излучаемого шума ( тональный сигнал ), и в этом случае такой же расчет можно выполнить для пассивного гидролокатора. Для активных систем изменение частоты составляет 0,69 Гц на узел.на кГц и вдвое меньше для пассивных систем, так как распространение только в одном направлении. Сдвиг соответствует увеличению частоты приближающейся цели.

Колебания интенсивности [ править ]

Хотя моделирование акустического распространения обычно предсказывает постоянный уровень принимаемого звука, на практике существуют как временные, так и пространственные флуктуации. Это может быть связано как с мелкими, так и с крупномасштабными экологическими явлениями. Они могут включать тонкую структуру профиля скорости звука и фронтальные зоны, а также внутренние волны. Поскольку обычно существует несколько путей распространения между источником и приемником, небольшие изменения фазы в интерференционной картине между этими путями могут привести к большим колебаниям интенсивности звука.

Нелинейность [ править ]

В воде, особенно с пузырьками воздуха, изменение плотности из-за изменения давления не совсем линейно пропорционально. Как следствие, на входе синусоидальной волны генерируются дополнительные гармонические и субгармонические частоты. Когда вводятся две синусоидальные волны, генерируются суммарная и разностная частоты. Процесс преобразования больше на высоких уровнях источника, чем на малых. Из-за нелинейности скорость звука зависит от амплитуды давления, поэтому большие изменения распространяются быстрее, чем маленькие. Таким образом, синусоидальная форма волны постепенно становится пилообразной с крутым подъемом и постепенным спадом. Это явление используется в параметрическом сонаре, и теории были разработаны для его объяснения, например, Вестерфилдом.

Измерения [ править ]

Звук в воде измеряется с помощью гидрофона , который является подводным эквивалентом микрофона . Гидрофон измеряет колебания давления , которые обычно преобразуются в уровень звукового давления (SPL), который является логарифмической мерой среднего квадратичного акустического давления .

Измерения обычно сообщаются в одной из трех форм: -

• Среднеквадратичное значение акустического давления в микропаскалях (или дБ относительно 1 мкПа)
• Среднеквадратичное акустическое давление в указанной полосе частот , обычно октавы или трети октавы (дБ относительно 1 мкПа)
• спектральная плотность (среднеквадратичное давление на единицу ширины полосы частот) в квадратах микропаскалей на герц (дБ относительно 1 мкПа ² / Гц)

Шкала акустического давления в воде отличается от шкалы, используемой для звука в воздухе. В воздухе эталонное давление составляет 20 мкПа, а не 1 мкПа. Для того же числового значения SPL интенсивность плоской волны (мощность на единицу площади, пропорциональная среднему квадрату звукового давления, деленному на акустический импеданс) в воздухе примерно в 20 ² × 3600 = 1 440 000 раз выше, чем в воде. Точно так же интенсивность примерно такая же, если уровень звукового давления в воде на 61,6 дБ выше.

Скорость звука [ править ]

Приблизительные значения для пресной и морской воды , соответственно, при атмосферном давлении составляют 1450 и 1500 м / с для скорости звука и 1000 и 1030 кг / м ³ для плотности. ^[21] Скорость звука в воде увеличивается с увеличением давления , температуры и солености . ^{[22] [23]} Максимальная скорость в чистой воде при атмосферном давлении достигается примерно при 74 ° C; после этого в более горячей воде звук распространяется медленнее; максимум увеличивается с давлением. ^[24] Онлайн-калькуляторы можно найти в Технических руководствах - Скорость звука в морской воде иТехнические руководства - Скорость звука в чистой воде .

Поглощение [ править ]

Было проведено множество измерений звукопоглощения в озерах и океане ^{[6] [7]} (см. Технические руководства - Расчет поглощения звука в морской воде для онлайн-калькулятора).

Окружающий шум [ править ]

Измерение акустических сигналов возможно, если их амплитуда превышает минимальный порог, частично определяемый используемой обработкой сигнала, а частично - уровнем фонового шума. Окружающий шум - это та часть принятого шума, которая не зависит от характеристик источника, приемника и платформы. Таким образом, например, исключается реверберация и шум буксировки.

Фоновый шум, присутствующий в океане, или окружающий шум, имеет множество различных источников и различается в зависимости от местоположения и частоты. ^[25] На самых низких частотах, примерно от 0,1 Гц до 10 Гц, турбулентность океана и микросейсмы являются основными составляющими шумового фона. ^[26] Типичные уровни спектра шума уменьшаются с увеличением частоты от примерно 140 дБ относительно 1 мкПа ² / Гц при 1 Гц до примерно 30 дБ относительно 1 мкПа ² / Гц при 100 кГц. Дистанционное судоходство является одним из основных источников шума ^[27] в большинстве районов на частотах около 100 Гц, в то время как поверхностный шум, вызываемый ветром.является основным источником в диапазоне от 1 кГц до 30 кГц. На очень высоких частотах, выше 100 кГц, начинает преобладать тепловой шум молекул воды. Спектральный уровень теплового шума на частоте 100 кГц составляет 25 дБ относительно 1 мкПа ² / Гц. Спектральная плотность теплового шума увеличивается на 20 дБ за декаду (примерно 6 дБ на октаву ). ^[28]

Кратковременные источники звука также способствуют возникновению окружающего шума. Они могут включать периодическую геологическую активность, такую ​​как землетрясения и подводные вулканы, ^[29] осадки на поверхности и биологическую активность. Биологические источники включают китообразных (особенно синих , плавниковых и кашалотов ), ^{[30] [31]} определенных видов рыб и креветок .

Дождь может вызывать сильный окружающий шум. Однако численное соотношение между интенсивностью дождя и уровнем окружающего шума трудно определить, поскольку измерение интенсивности дождя на море проблематично.

Реверберация [ править ]

Было проведено множество измерений реверберации морской поверхности, дна и объема. Иногда на их основе выводятся эмпирические модели. Обычно используется выражение для диапазона от 0,4 до 6,4 кГц, данное Чепменом и Харрисом. ^[32] Было обнаружено, что синусоидальная форма волны расширяется по частоте из-за движения поверхности. Для нижней реверберации часто приблизительно применяется закон Ламберта, например, см. Mackenzie. ^[33] Объемная реверберация обычно возникает в основном в слоях, глубина которых меняется в зависимости от времени суток, например, см. Marshall and Chapman. ^[34] Подледная поверхность льда может вызывать сильную реверберацию, когда она грубая, см., Например, Милн. ^[35]

Нижняя потеря [ править ]

Потери на дне были измерены как функция угла скольжения для многих частот в различных местах, например, Морской геофизической службой США. ^[36] Потери зависят от скорости звука на дне (на которую влияют градиенты и наслоение) и от шероховатости. Были составлены графики убытков, которых можно было ожидать при определенных обстоятельствах. На мелководье потеря дна часто оказывает доминирующее влияние на распространение на большие расстояния. На низких частотах звук может распространяться через отложения, а затем обратно в воду.

Подводный слух [ править ]

Сравнение с уровнями шума в воздухе [ править ]

Как и в случае с воздушным звуком , уровень звукового давления под водой обычно указывается в децибелах , но есть некоторые важные различия, которые затрудняют (и часто неуместны) сравнение УЗД в воде с УЗД в воздухе. Эти различия включают: ^[37]

• разница в эталонном давлении: 1 мкП (один micropascal, или один - миллионное из паскаль ) вместо 20 мкПа. ^[14]
• различие в интерпретации: существует две школы мысли, одна из которых утверждает, что давления следует сравнивать напрямую, а другая, что сначала нужно преобразовать в интенсивность эквивалентной плоской волны.
• различие в чувствительности слуха : любое сравнение со звуком в воздухе ( взвешенным по шкале А ) должно учитывать различия в чувствительности слуха человека-дайвера или другого животного. ^[38]

Человеческий слух [ править ]

Чувствительность слуха [ править ]

Самый низкий уровень звукового давления для человека-дайвера с нормальным слухом составляет около 67 дБ относительно 1 мкПа, при этом наибольшая чувствительность наблюдается на частотах около 1 кГц. ^[39] Это соответствует интенсивности звука на 5,4 дБ, или в 3,5 раза, превышающей пороговое значение в воздухе (см. Измерения выше).

Пороги безопасности [ править ]

Высокий уровень подводного шума создает потенциальную опасность для дайверов. ^[40] Рекомендации по воздействию подводных звуков на дайверов опубликованы в рамках проекта СОЛМАР Центра подводных исследований НАТО . ^{[41] У} дайверов, подвергшихся воздействию SPL выше 154 дБ относительно 1 мкПа в диапазоне частот от 0,6 до 2,5 кГц, наблюдаются изменения в частоте сердечных сокращений или частоте дыхания. Отвращение к низкочастотному звуку зависит от уровня звукового давления и центральной частоты . ^[42]

Другие виды [ править ]

Водные млекопитающие [ править ]

Дельфины и другие зубастые киты известны своей острой слуховой чувствительностью, особенно в диапазоне частот от 5 до 50 кГц. ^{[38] [43]} Некоторые виды имеют порог слышимости от 30 до 50 дБ относительно 1 мкПа в этом диапазоне частот. Например, порог слышимости в косаток происходит при RMS звукового давления 0,02 МПа (и частотой 15 кГц), что соответствует порогу SPL от 26 дБ на 1 мкПа. ^[44]

Высокий уровень подводного шума создает потенциальную опасность для морских и земноводных животных. ^[38] Эффекты воздействия подводного шума рассмотрены Southall et al. ^[45]

Рыба [ править ]

Чувствительность слуха рыб рассмотрена Ладичем и Фэй. ^[46] Порог слышимости рыбы-солдата составляет 0,32 мПа (50 дБ относительно 1 мкПа) на частоте 1,3 кГц, тогда как порог слышимости омара составляет 1,3 Па при 70 Гц (122 дБ относительно 1 мкПа). ^[44] Эффекты воздействия подводного шума рассмотрены Popper et al. ^[47]

Приложения подводной акустики [ править ]

Сонар [ править ]

Сонар - это название, данное акустическому эквиваленту радара . Звуковые импульсы используются для исследования моря, а затем эхо-сигналы обрабатываются для извлечения информации о море, его границах и подводных объектах. Альтернативное использование, известное как пассивный сонар , пытается сделать то же самое, слушая звуки, излучаемые подводными объектами.

Подводное общение [ править ]

Необходимость в подводной акустической телеметрии существует в таких приложениях, как сбор данных для мониторинга окружающей среды, связь с пилотируемыми и беспилотными подводными аппаратами и между ними , передача речи водолаза и т. Д. Связанное приложение - подводное дистанционное управление , в котором акустическая телеметрия используется для удаленного активировать переключатель или инициировать событие. Ярким примером подводного дистанционного управления являются акустические выбросы , устройства, которые используются для возврата развернутых на морском дне комплектов инструментов или других полезных нагрузок на поверхность по удаленной команде в конце развертывания. Акустическая связь является активной областью исследований ^{[48] [49]}со значительными трудностями, которые необходимо преодолеть, особенно в горизонтальных мелководных каналах. По сравнению с радио телекоммуникаций , пропускная способность снижается на несколько порядков. Более того, низкая скорость звука вызывает растяжение многолучевого распространения на интервалы временной задержки в десятки или сотни миллисекунд, а также значительные доплеровские сдвиги и расширение. Часто системы акустической связи ограничены не шумом, а реверберацией и изменчивостью во времени, которые выходят за рамки возможностей алгоритмов приемника. Точность подводных линий связи можно значительно улучшить за счет использования решеток гидрофонов, которые позволяют использовать такие методы обработки, как адаптивное формирование луча и комбинирование разнесенных сигналов .

Подводная навигация и отслеживание [ править ]

Подводная навигация и отслеживание являются обычным требованием для разведки и работы дайверов, ROV , автономных подводных аппаратов (AUV) , пилотируемых подводных аппаратов и подводных лодок . В отличие от большинства радиосигналов, которые быстро поглощаются, звук распространяется далеко под водой со скоростью, которую можно точно измерить или оценить. ^[50] Таким образом, его можно использовать для точного измерения расстояний между отслеживаемой целью и одной или несколькими опорными базовыми станциями , а также для триангуляции положения цели, иногда с точностью до сантиметра. Начиная с 1960-х годов это привело к появлению систем подводного акустического позиционирования, которые сейчас широко используются.

Сейсмические исследования [ править ]

Сейсмическая разведка предполагает использование низкочастотного звука (<100 Гц) для исследования глубины морского дна. Несмотря на относительно низкое разрешение из-за их большой длины волны, низкочастотные звуки предпочтительнее, потому что высокие частоты сильно ослабляются при прохождении через морское дно. Используемые источники звука включают пневматическое оружие , вибросейсмики и взрывчатые вещества .

Наблюдение за погодой и климатом [ править ]

Акустические датчики могут использоваться для отслеживания звука ветра и осадков . Например, акустический дождемер описан Нистуеном. ^[51] Также можно обнаружить удары молнии. ^[52] Акустическая термометрия климата океана (ATOC) использует низкочастотный звук для измерения глобальной температуры океана.

Океанография [ править ]

Крупномасштабные особенности океана можно обнаружить с помощью акустической томографии . Характеристики дна могут быть измерены гидролокатором бокового обзора и профилированием под дном .

Морская биология [ править ]

Благодаря своим превосходным свойствам распространения, подводный звук используется в качестве инструмента для изучения морской флоры и фауны, от микропланктона до синего кита . Эхолоты часто используются для получения данных о численности, распределении и поведении морских обитателей. Эхолоты, также называемые гидроакустикой , также используются для определения местоположения, количества, размера и биомассы рыбы.

Акустическая телеметрия также используется для мониторинга рыб и морских животных. Акустический передатчик прикреплен к рыбе (иногда внутри), в то время как массив приемников прослушивает информацию, передаваемую звуковой волной. Это позволяет исследователям отслеживать перемещения людей в мелком и среднем масштабе. ^[53]

Креветки-пистолеты создают сонолюминесцентные кавитационные пузыри, температура которых достигает 5000 К (4700 ° C) ^[54]

Физика элементарных частиц [ править ]

Нейтрино является одним из основных частиц , который очень слабо взаимодействует с другим веществом. По этой причине для этого требуются устройства обнаружения в очень большом масштабе, и иногда для этой цели используется океан. В частности, считается, что нейтрино сверхвысоких энергий в морской воде можно регистрировать акустически. ^[55]

См. Также [ править ]

• Акустические метки (акустическая телеметрия)  - устройство, позволяющее обнаруживать и отслеживать животных.
• Биоакустика
• Гидроакустика  - Изучение и технологическое применение звука в воде
• Сеть слежения за океаном
• Преломление (звук)  - изменение направления распространения из-за изменения скорости
• Сонар  - техника, использующая распространение звука
• Система подводного акустического позиционирования  - система для отслеживания и навигации подводных аппаратов или водолазов с использованием акустических измерений расстояния и / или направления и последующей триангуляции положения.
• Канал SOFAR  - горизонтальный слой воды в океане, на глубине которого скорость звука минимальна.
• Подводная акустическая коммуникация  - беспроводной способ отправки и получения сообщений через воду.
• Европейская конференция по подводной акустике

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• Библиотека акустики океана
• Ультразвук и подводная акустика
• Мониторинг мирового океана с помощью подводной акустики
• Технический комитет ASA по подводной акустике
• Океан звука
• Подводная акустическая связь
• Коммуникационная группа Acoustic в Woods Hole океанографического института
• Звук в море
• Исследовательская группа подводной акустики ЮФГУ
• Открытие звука в море
• Пассивно-акустический мониторинг PAMBuoy