Распространение звука. Параметры, характеризующие звуковое поле. Параметры, характеризующие звуковое поле Физические величины характеризующие звуковое поле

В среде. Понятие «З. п.» применяется обычно для областей, размеры к-рых порядка или больше длины звук. волны. С энергетич. стороны З. п. характеризуется плотностью звук. энергии (энергией колебат. процесса, приходящейся на ед. объёма); в тех случаях, когда в З. п. происходит , он характеризуется интенсивностью звука.

Картина З. п. в общем случае зависит не только от акустич. мощности и хар-ки направленности излучателя - источника звука, но и от положения и св-в границ среды и поверхностей раздела разл. упругих сред, если такие поверхности имеются. В неограниченной однородной среде З. п. одиночного источника явл. полем бегущей волны. Для измерения З. п. применяют микрофоны, гидрофоны и др. ; их размеры желательно иметь малыми по сравнению с длиной волны и с характерными размерами неоднородностей поля. При изучении З. п. применяются также разл. методы визуализации звуковых полей. Изучение З. п. разл. излучателей производят в заглушённых камерах.

Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия . . 1983 .

ЗВУКОВОЕ ПОЛЕ

Совокупность пространственно-временных распределений величин, характеризующихрассматриваемое звуковое возмущение. Важнейшие из них: звуковое давление р, колебательная частиц v, колебательное смещение частиц x, относительное изменение плотности (т. н. акустич. ) s=dr/r (где r - среды), адиабатич. изменение темп-ры d Т, сопровождающее сжатие и разрежение среды. При введении понятия 3. п. среду рассматривают как сплошную и молекулярное строение вещества во внимание не принимают. 3. п. изучают либо методами геометрической акустики, либо на основе теории волн. давление удовлетворяет волновому ур-нию

А при известном р можно определить остальные характеристики 3. п. по ф-лам:

где с - скорость звука, g=c p /c V - отношение теплоёмкости при пост. давлении к теплоёмкости при пост. объёме, а - коэф. теплового расширения среды. Для гармонич. 3. п. волновое ур-ние переходит в ур-ние Гельмгольца: D р +k 2 р = 0, где k= w/c - волновое число для частоты w, а выражения для v и x принимают вид:

Кроме того, 3. п. должно удовлетворять граничным условиям, т. е. требованиям, к-рые налагают на величины, характеризующие 3. п., физ. свойства границ - поверхностей, ограничивающих среду, поверхностей, ограничивающих помещённые в среду препятствия, и поверхностей раздела разл. сред. Напр., на абсолютно жёсткой границе компонента колебат. скорости v n должна обращаться в нуль; на свободной поверхности должно обращаться в нуль звуковое давление; на границе, характеризующейся импедансом акустическим, p/v n должно равняться удельному акустич. импедансу границы; на поверхности раздела двух сред величины р и v n по обе стороны от поверхности должны быть попарно равны. В реальных жидкостях и газах имеется дополнит. граничное условие: обращение в нуль касательной колебат. скорости на жёсткой границе или равенство касательных компонент на поверхности раздела двух сред. p=p(x6ct), бегущие вдоль оси х в положительном (знак "-") и отрицательном (знак "+") направлениях. В плоской волне p/v = br с , где r с - волновое сопротивление среды. В местах положит. звукового давления направление колебат. скорости в бегущей волне совпадает с направлением распространения волны, в местах отрицат. давления - противоположно этому направлению, а в местах обращения давления в нуль колебат. скорость также обращается в нуль. Гармонич. плоская имеет вид: p =p 0 cos(wt -kx+ j), где р 0 и j 0 - соответственно амплитуда волны и её нач. в точке х=0. В средах с дисперсией скорости звука скорость гармонич. волны с =w/k зависит от частоты.2) Колебания в огранич. областях среды в отсутствие внеш. воздействий, напр. 3. п., возникающее в замкнутом объёме при заданных нач. условиях. Такие 3. п. можно представить в виде суперпозиции стоячих волн, характерных для данного объёма среды.3) 3. п., возникающие в неогранич. среде при заданных нач. условиях - значениях р и v в нек-рый нач. момент времени (напр., 3. п., возникающие после взрыва).4) 3. п. излучения, создаваемые колеблющимися телами, струями жидкости или газа, захлопывающимися пузырьками и др. естеств. или искусств. акустич. излучателями (см. Излучение звука). Простейшими по форме поля излучениями являются следующие. Монопольное - сферически симметричная расходящаяся волна; для гармонич. излучения она имеет вид: р = -i rwQехр (ikr )/4pr , где Q - производительность источника (напр., скорость изменения объёма пульсирующего тела, малого по сравнению с длиной волны), помещённого в центр волны, а r - расстояние от центра. Амплитуда звукового давления при монопольном излучении изменяется с расстоянием как 1/r , а

в неволновой зоне (kr <<1) v изменяется с расстоянием как 1/r 2 , а в волновой (kr >>1) - как 1/r . Сдвиг фаз j между р и v монотонно убывает от 90° в центре волны до нуля на бесконечности; tg j=1/kr . Дипольное излучение - сферич. расходящаяся волна с "восьмёрочной" характеристикой направленности вида:

где F - сила, приложенная к среде в центре волны, q - угол между направлением силы и направлением на точку наблюдения. Такое же излучение создаётся сферой радиуса a <u=F/2 prw ехр (ikr)R (q, j)/r , где А - постоянная, q и j - углы сферич. системы координат, R (q, j) - характеристика направленности излучения. Т. поле убывает обратно пропорционально расстоянию точки наблюдения от области расположения источника звука. Началом дальней зоны обычно считают расстояние r =D 2 /l, где D - поперечные размеры излучающей системы. В т. н. ближней зоне (френелевская зона) для 3. п. излучения в общем случае нет к.-л. определённой зависимости от r, а угл. r - характеристика направленности ещё не сформирована.5) 3. п. фокусировки - поля вблизи фокусов и каустик фокусирующих устройств, характеризующиеся повыш. значениями звукового давления, обращающегося (при пользовании приближениями геом. акустики) в бесконечность в фокусах и на каустиках (см. Фокусировка звука). 6) 3. п., связанные с наличием в среде ограничивающих поверхностей и препятствий. При отражении и преломлении плоских волн на плоских границах возникают также плоские отражённые и преломлённые волны. В волноводах акустических, заполненных однородной средой, суперпозиция плоских волн образует . При отражении гармонич. плоских волн от плоских границ образуются стоячие волны, причём результирующие поля могут оказаться стоячими в одном направлении и бегущими - в другом.7) 3. п., затухающие вследствие неидеальности среды - наличия вязкости, теплопроводности и т. п. (см. Поглощение звука). Для бегущих волн влияние такого затухания характеризуют множителем ехр a х, где a - амплитудный пространственный коэф. затухания, связанный с добротностью Qсреды соотношением: a=k/2 Q. В стоячих волнах появляется множитель ехр (-dt ), где d = с a=w/2Q - амплитудный временной коэф. затухания звука.
Измерение параметров 3. п. производят разл. приёмниками звука: микрофонами - для воздуха, гидрофонами - для воды. При исследовании тонкой структуры 3. п . следует пользоваться приёмниками, размеры к-рых малы по сравнению с длиной волны звука. Визуализация звуковых полей возможна путём наблюдения дифракции света на ультразвуке, методом Теплера ( теневой метод), методом электронно-оптич. преобразования и др. Лит.: Бергман Л.. Ультразвук и его применение в науке и технике, пер. с нем., 2 изд., М.. 1957; Р ж е в к и н С. Н., Курс лекций по теории звука, М., 1960; Исакович М. А., Общая , М., 1973. М. А. Исакович.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

Смотреть что такое "ЗВУКОВОЕ ПОЛЕ" в других словарях:

Область пространства, в которой распространяются звуковые волны. Понятие З. п. обычно используется для областей, расположенных вдали от источника звука, размеры которых существенно больше длины волны (λ) звука. Уравнение, описывающее… … Энциклопедия техники Fizikos terminų žodynas

звуковое поле Энциклопедия «Авиация»

звуковое поле - звуковое поле — область пространства, в которой распространяются звуковые волны. Понятие З. п. обычно используется для областей, расположенных вдали от источника звука, размеры которых существенно больше длины волны λ звука. Уравнение,… … Энциклопедия «Авиация»

Область пространства, в которой распространяются звуковые волны, т. е. происходят акустические колебания частиц упругой среды (твёрдой, жидкой или газообразной), заполняющей эту область. З. п. определено полностью, если для каждой его… … Большая советская энциклопедия

Область пространства, в к рой распространяются звук. волны … Естествознание. Энциклопедический словарь

звуковое поле отражённых волн (при акустическом каротаже) - — Тематики нефтегазовая промышленность EN secondary sound field … Справочник технического переводчика

Под звуковым * полем понимают ту ограниченную область пространства, в которой распространяется гидроакустическая посылка. Звуковое поле может существовать в любой упругой среде и представляет собой колебания ее частиц, возникающие в результате воздействия внешних возмущающих факторов. Отличительной особенностью указанного процесса от любого другого упорядоченного движения частиц среды является то, что при малых возмущениях распространение волн не связано с переносом самого вещества. Иными словами, колебания каждой частицы происходит относительно того положения, которое она занимала до воздействия возмущения.

Идеальную упругую среду, в которой распространяется звуковое поле, можно представить в виде совокупности абсолютно жестких ее элементов, связанных между собой упругими связями (рис.1.1). Текущее состояние колеблющейся частицы этой среды характеризуется ее смещением U относительно равновесного положения, колебательной скоростью v и частотой колебаний. Колебательная скорость определяется первой производной по времени от смещения частицы и является важной характеристикой рассматриваемого процесса. Как правило, оба параметра являются гармоническими функциями времени.

Частица 1 (рис. 1.1), сместившаяся на величину U от своего равновесного положения, через упругие связи оказывает воздействие на окружающие ее частицы, заставляя их также смещаться. В результате, возмущение, привнесенное извне, начинает распространяться в рассматриваемой среде. Если закон изменения смещения частицы 1 определяется равенством где U m – амплитуда колебания частицы, а w - частота колебаний, то закон движения других i – ых частиц может быть представлен в виде:

где U mi – амплитуда колебания i – ой частицы, y i – фазовый сдвиг этих колебаний. По мере удаления от источника возбуждения среды (частицы 1 ) значения амплитуд колебаний U mi из-за рассеяния энергии будут убывать, а фазовые сдвиги y i в силу ограниченности скорости распространения возбуждения - увеличиваться. Таким образом, под звуковым полем можно понимать также совокупность колеблющихся частиц среды.

Если в звуковом поле, выделить частицы, имеющие одинаковую фазу колебаний, мы получим кривую или поверхность, которую называют фронтом волны . Фронт волны постоянно удаляется от источника возмущения с определенной скоростью, которая называется скоростью распространения фронта волны, скоростью распространения волны или просто скоростью звука в данной среде. Вектор указанной скорости перпендикулярен поверхности фронта волны в рассматриваемой точке и определяет направление звукового луча , вдоль которого распространяется волна. Эта скорость существенно зависит от свойств среды и ее текущего состояния. В случае распространения звуковой волны в море скорость звука зависит от температуры воды, ее плотности, солености и ряда других факторов. Так, при увеличении температуры на 1 0 С, скорость звука увеличивается примерно на 3,6 м/с, а при увеличении глубины на 10 м она повышается примерно на 0,2 м/с. В среднем в морских условиях скорость звука может изменяться в пределах 1440 – 1585 м/с. Если среда анизотропная , т.е. имеющая различные свойства в различных направлениях от центра возмущения, то скорость распространения звуковой волны будет также различной, зависящей от этих свойств.

В общем случае, скорость распространения звуковой волны в жидкости или газе определяется следующим выражением:

(1.2)

где К – модуль объемной упругости среды, r 0 – плотность невозмущенной среды, ее статическая плотность. Модуль объемной упругости численно равен напряжению, которое возникает в среде при ее единичной относительной деформации.

Упругая волна называется продольной , если колебания рассматриваемых частиц происходят в направлении распространения волны. Волна называется поперечной, если частицы колеблются в плоскостях, перпендикулярных к направлению распространения волны.

Поперечные волны могут возникать только в такой среде, которая обладает упругостью формы, т.е. способна сопротивляться деформации сдвига. Этим свойством обладают лишь твердые тела. Продольные волны связаны с объемной деформацией среды, поэтому они могут распространяться как в твердых телах, так и в жидких и газообразных средах. Исключением из этого правила являются поверхностные волны, образующиеся на свободной поверхности жидкости или на поверхностях раздела несмешивающихся сред с разными физическими характеристиками. В этом случае частицы жидкости одновременно совершают продольные и поперечные колебания, описывая эллиптические или более сложные траектории. Особые свойства поверхностных волн объясняются тем, что в их образовании и распространении определяющую роль играют силы тяжести и поверхностного натяжения.

В процессе колебаний в возмущенной среде возникают зоны повышенного и пониженного по отношению к равновесному состоянию давления и плотности. Давление где - мгновенное его значение в звуковом поле, а - статическое давление среды при отсутствии возбуждения, называется звуковым и численно равно силе, с которой волна действует на единичную площадку, установленную перпендикулярно направлению ее распространения. Звуковое давление является одной из важнейших характеристик состояния среды.

Для оценки изменения плотности среды используют относительную величину, называемую уплотнением c , которая определяется следующим равенством:

(1.3)

где r 1 – мгновенное значение плотности среды в интересующей нас точке, а r 0 – ее статическая плотность.

Все названные выше параметры могут быть определены, если известна некоторая скалярная функция, называемая потенциалом j колебательной скорости. В соответствии с теоремой Гельмгольца этот потенциал полностью характеризует акустические волны в жидких и газообразных средах и связан с колебательной скоростью v следующим равенством:

. (1.4)

Продольная звуковая волна называется плоской , если ее потенциал j и другие, связанные с ним величины, характеризующие звуковое поле, зависят только от времени и одной их декартовых координат, например, х (рис.1.2). Если упомянутые величины зависят только от времени и расстояния r от некоторой точки о пространства, называемой центром волны, продольная звуковая волна называется сферической . В первом случае фронт волны будет представлять собой линию или плоскость, во втором – дугу или участок сферической поверхности.

В упругих средах при рассмотрении процессов в звуковых полях можно использовать принцип суперпозиции. Так, если в среде распространяется система волн, определяемых потенциалами j 1 …j n , то потенциал результирующей волны будет равен сумме указанных потенциалов:

(1.5)

Однако при рассмотрении процессов в мощных звуковых полях следует учитывать возможность проявления нелинейных эффектов, которые могут сделать недопустимым использование принципа суперпозиции. Кроме того, при высоких уровнях возмущающего среду воздействия могут быть радикально нарушены упругие свойства среды. Так, в жидкой среде могут возникнуть разрывы, заполненные воздухом, измениться ее химическая структура и т.д. На представленной ранее (рис. 1.1.) модели это будет эквивалентно разрыву упругих связей между частицами среды. В этом случае энергия, затрачиваемая на создание колебаний, практически не будет передаваться другим слоям, что сделает невозможным решение той или иной практической задачи. Описанное явление получило название кавитации .

С энергетической точки зрения звуковое поле может характеризоваться потоком звуковой энергии или звуковой мощностью Р , которые определяются количеством звуковой энергии W , проходящей через данную поверхность в единицу времени:

(1.6)

Звуковая мощность, отнесенная к площади s рассматриваемой поверхности, определяет интенсивность звуковой волны:

(1.7) В последнем выражении принято, что энергия распределена равномерно на площадке s .

Нередко для характеристики звуковой среды используют понятие плотности звуковой энергии , которое определяется как количество звуковой энергии, приходящееся на единицу объема упругой среды.

Исследуем связь между отдельными параметрами звукового поля.

1.3 Уравнение неразрывности среды

Уравнение неразрывности среды связывает между собой потенциал скорости и ее уплотнение. При отсутствии в среде разрывов имеет место закон сохранения массы, который может быть записан в следующем виде:

где W 1 и r 1 –объем и плотность жидкости в звуковом поле, а W 0 и r 0 – те же параметры при отсутствии возмущения. Этот закон говорит о том, что в сплошной линейной среде изменение объема вызывает такое изменение плотности среды, что их произведение, соответствующее массе рассматриваемого объема, всегда остается постоянным.

Для того чтобы ввести в рассмотрение уплотнение среды, вычтем из левой и правой частей равенства (1.8) произведение W 0 r 1 . В результате будем иметь:

(1.9)

Здесь принято, что Такое допущение возможно в силу того, что в ультразвуковом диапазоне частот вариации объема и плотности жидкости незначительны по отношению к их абсолютному значению и замена в знаменателе равенства (1.9) величины r 1 на r 0 практически не сказывается на результате анализа.

Пусть ρ 1 = 1,02 г/ см 3 , а ρ 0 = 1.0 г/ см 3 . Тогда

а . Относительная погрешность принятых допущений составляет
.

Выразим относительную объемную деформацию среды, представленную левой частью равенства (1.9), через парциальные смещения частиц жидкости и учтем, что правая часть указанного равенства определяет уплотнение среды. Тогда будем иметь:

(1.10)

где U x , U y и U z - смещение частиц среды вдоль соответствующих осей ортогональной системы координат.

Продифференцируем по времени последнее равенство:

Здесь v x , v y и v z – составляющие колебательной скорости по тем же осям. Учитывая, что

(1.12)

(1.13) где Ñ - оператор Гамильтона, определяющий пространственное дифференцирование:

(1.14)

Важно!

а i, j и k являются ортами выбранной ортогональной системы координат. Таким образом, производная от уплотнения среды по времени равна второй производной по пространственным координатам от потенциала скорости, взятой с обратным знаком.

Уравнение колебательного движения

Уравнение колебательного движения связывает между собой потенциал скорости и звуковое давление. Для вывода указанного уравнения выделим в звуковом поле элементарный объем, колеблющийся вдоль оси ох (рис. 1.3.) В соответствии с законом Ньютона можно записать:

(1.15)

где F – сила, действующая на выделенный объем в направлении оси ох ,

m – масса данного объема, j – ускорение движения объема вдоль той же оси. Если обозначить давления, действующие на грани выделенного объема, через р 1 и р 2 , и принять, что > , то сила F может быть определена следующим равенством:

(1.16)

где

Подставляя выражение (1.16) в равенство (1.15) и учитывая, что а ускорение а также осуществляя предельный переход к бесконечно малым величинам, найдем:

(1.17)

Принимая во внимание, что и окончательно получим:

. (1.18)

Последнее уравнение не содержит координат и поэтому справедливо для волны любой формы.

Уравнение состояния среды

Уравнение состояния среды применительно к ультразвуковому полю, в котором все процессы протекают практически без изменения температуры, выражает зависимость между давлением и плотностью среды. В идеальной жидкости, в которой отсутствуют силы вязкого трения, величина звукового давления р пропорциональна жесткости среды К и ее уплотнению c : Однако, если среда реальная, то в ней существуют силы вязкого трения, величина которых пропорциональна вязкости среды и скорости изменения состояния среды, в частности, скорости изменения ее уплотнения. Поэтому выражение, определяющее давление в вязкой среде, приобретет составляющую, зависящую от указанных факторов:

(1.19)

где L - коэффициент пропорциональности. В результате экспериментов была найдена оценка этого коэффициента, которая позволила окончательное выражение, определяющее состояние среды, записать в виде :

(1.20) где h - коэффициент динамической (ньютоновой) вязкости среды. Полученное уравнение пригодно для любой формы волны.

Волновое уравнение

Волновое уравнение определяет закон изменения потенциала скорости. Для вывода этого уравнения подставим выражение (1.20) состояния среды в равенство (1.18). В результате получим:

(1.21)

Для того чтобы представить уплотнение среды через потенциал скорости, продифференцируем по времени выражение (1.21):

(1.22)

Учитывая зависимость (1.13), полученную из условия неразрывности среды и равенство (1.2) запишем искомое волновое уравнение в окончательном виде:

(1.23)

Если волна является плоской и распространяется, например, вдоль оси ох , то потенциал скорости будет зависеть только от координаты х и времени. В этом случае волновое уравнение примет более простой вид:

(1.24) Решая полученные уравнения, можно найти закон изменения потенциала скорости и, как следствие, любой параметр, характеризующий звуковое поле.

Анализ основных параметров звукового поля

Определим вначале параметры, характеризующие плоскую гармоническую волну. Для этого найдем решение уравнения (1.24), которое является линейным дифференциальным уравнением второго порядка и, следовательно, имеет два корня. Указанные корни представляют два процесса j 1 (x,t) и j 2 (x,t) , определяющие волны, которые распространяются в противоположных направлениях. В изотропной среде параметры звукового поля в равноудаленных от источника излучения точках одинаковы, что позволяет нам ограничиться отысканием только одного решения, например, для волны j 1 , распространяющейся в положительном направлении оси ох .

Поскольку указанное частное решение является функцией текущей координаты и времени, будем искать его в следующем виде :

где - частота волны, m – искомый коэффициент, определяющий зависимость потенциала скорости от пространственных координат, - волновое число, . Вычисляя необходимые производные от j 1 и подставляя их в уравнение (1.24), найдем:

(1.26) Решая последнее равенство относительно m и учитывая, что затухающей при удалении от источника возмущения волне соответствует отрицательное его значение, будем иметь:

(1.27)

В ультразвуковом поле второе слагаемое в скобках выражения (1.27) значительно меньше единицы, что позволяет нам разложить это выражение в степенной ряд, ограничившись его двумя членами:

(1.28)

Подставляя найденное значение m в равенство (1.25) и вводя обозначение

(1.29)

найдем окончательное выражение для потенциала скорости j 1 :

Частное решение для потенциала j 2 может быть найдено аналогично рассмотренному случаю:

Воспользуемся полученными выражениями для определения основных параметров звукового поля.

Звуковое давление в зоне распространения положительно направленной волны определится следующим равенством:

(1.32)

где .

Если обратиться к равенству (1.4) и учесть, что в ультразвуковом поле >>а , то выражение для колебательной скорости можно записать в следующем виде:

где Полученные выражения показывают, что изменения текущих значений звукового давления и колебательной скорости происходят синфазно, в результате чего в местах уплотнения среды вектор колебательной скорости совпадает по направлению со скоростью распространения фронта волны, а в местах разряжения - противоположен ей.

Найдем отношение звукового давления и колебательной скорости, которое называют удельным акустическим сопротивлением :

(1.34)

Удельное акустическое сопротивление является важной характеристикой среды, влияющей на многие параметры процессов, в ней протекающих.

Распространение звуковых волн

При создании гидроакустических приборов одной из важнейших задач является правильный выбор параметров излучения: несущей частоты сигнала посылки, способа модуляции сигнала и его энергетических характеристик. От этого зависят дальность распространения волны, особенности ее отражения и прохождения через различные границы раздела сред с разными физическими свойствами, возможность выделения сигнала из сопровождающих его помех.

Как уже было отмечено выше, одной из основных энергетических характеристик гидроакустического сигнала является его интенсивность. Выражение, определяющее этот параметр, можно найти из следующих соображений . Рассмотрим некоторый элементарный участок фронта волны площадью , который, совершая колебания, за время смещается относительно начального положения на величину Этому смещению будут противодействовать силы внутреннего взаимодействия. На преодоление этих сил будет затрачена работа Мощность, необходимая для обеспечения рассматриваемых колебаний, определяется как работа, затрачиваемая в единицу времени:

(1.35)

где Т – период волны. В свою очередь, интенсивность определяется мощностью затрачиваемой на перемещение единичной площадки фронта волны и, следовательно, будет равна:

(1.36)

Подставляя в полученное выражение равенства (1.32) и (1.33) найдем:

Если учесть, что 0,5 - интенсивности сигнала в непосредственной близости от излучателя, то закон изменения интенсивности по мере удаления от источника будет определяться следующим равенством:

(1.38)

Последняя формула получена английским физиком и математиком Стоксом и носит его имя. Она показывает, что по мере удаления от источника излучения интенсивность звуковой волны убывает по экспоненциальному закону. Причем, как это следует из выражения (1.29), показатель затухания а пропорционален квадрату частоты колебаний излучаемой волны. Это накладывает определенные ограничения на выбор несущих частот посылок особенно при дальнем зондировании.

Однако, используя формулу Стокса, не всегда удается получить корректную оценку процесса затухания звуковой волны. Так, эксперименты показывают, что звуковые волны в морской среде затухают гораздо быстрее, чем это следует из вышеприведенного выражения. Указанное явление обусловлено отличием свойств реальной среды от идеализированной, обычно рассматриваемой при теоретическом решении задач, а также тем обстоятельством, что морская среда представляет собой неоднородную жидкость, включающую в себя живые организмы, пузырьки воздуха и другие примеси.

На практике для определения закона изменения интенсивности звуковой волны обычно используют различные эмпирические формулы. Так, например, при ее частотах, лежащих в диапазоне 7,5 – 60 кГц, значение коэффициента а в децибелах на километр (дБ/км) может быть оценено с помощью следующей зависимости :

, (1.39)

а закон изменения интенсивности при дальностях от вибратора, не превышающих 200 км, с погрешностью до 10% определяется равенством:

(1.40)

В случае сферической волны интенсивность

. (1.41)

Из последнего выражения следует, что волна в значительной степени ослабевает за счет расширения ее фронта при увеличении расстояния r .

Ультразвуковая волна при своем движении в однородной изотропной среде распространяется прямолинейно. Однако, если среда неоднородна, то траектория звукового луча искривляется, а при определенных условиях может происходить и отражение сигнала от промежуточных слоев водной среды. Явление искривления звуковых лучей вследствие неоднородности морской среды называется рефракцией звука . Рефракция звука может оказать существенное влияние на точность гидроакустических измерений, поэтому степень ее влияния в большинстве случаев необходимо оценивать.

При распространении луча в сторону дна он на своем пути проходит, как правило, три зоны: изотермическую (имеющую постоянную температуру) поверхностную зону, зону температурного скачка, характеризующуюся резким отрицательным градиентом температуры, и придонную изотермическую зону (рис.1.4). Толщина зоны скачка может составлять несколько десятков метров. При прохождении звуковой волны через слой скачка наблюдается сильная рефракция и значительный спад интенсивности звука. Уменьшение интенсивности обусловлено расхождением лучей вследствие резкой рефракции на верхней границе слоя скачка, а также их отражением от этого слоя. Крайние лучи расщепленного пучка образуют зону звуковой тени.

Рис.1.4.

Изменение плотности морской среды и ее температуры создают условия для возникновения звуковых волноводов. Они представляют собой горизонтальные слои воды, вдоль которых скорость распространения звука минимальна на их оси и возрастает к периферии. Это приводит к отражению волны от удаленных от оси слоев воды, в результате чего она начинает распространяться вдоль оси волновода на значительные расстояния. Такое сверхдальнее распространение волн может быть использовано для решения некоторых специфических задач. При распространении в одной среде нескольких звуковых волн в результате их сложения в отдельных точках поля происходит увеличение интенсивности результирующей звуковой волны, а в других ее уменьшение. Это явление получило название интерференции звуковых колебаний . Интерферирующие колебания могут иметь различные амплитуды, частоты и фазы. При нормальном падении звукового луча на поверхность раздела двух сред, акустические сопротивления которых резко различаются, может

возникать стоячая волна. Особенностью стоячей волны является то, что все ее точки колеблются с одинаковой фазой, образуя через промежутки, равные четверти длины волны колебаний, пучности, в которых амплитуда колебаний максимальна, и узлы, в которых колебания вовсе отсутствуют. Стоячая волна практически не переносит энергию.

Отражение и преломление звуковых волн

При падении волны на границу раздела двух сред возбуждаются частицы среды, принадлежащие этой границе. В свою очередь, колебания граничных частиц зарождают волновые процессы, как в среде падающей волны, так и в смежной с ней среде. Первая волна называется отраженной , а вторая – преломленной . Углы и (рис. 1.5) между нормалью к поверхности раздела и направлением лучей называются углами падения,
отражения и преломления , соответственно. Согласно закономерностям Декарта имеют место равенства:

(1.42)

Если на пути распространения луча встречается несколько границ раздела сред, то будет справедливо равенство:

(1.43)

Величину называют постоянной Снеллиуса . Ее значение не изменяется вдоль звукового луча.

Энергетические соотношения в падающем, отраженном и преломленном лучах определяются с помощью коэффициентов А и В отражения и преломления, соответственно. Указанные коэффициенты определяются следующими равенствами :

(1.44)

Можно показать, что в средах с одинаковыми акустическими сопротивлениями звуковая энергия полностью переходит из одной среды в другую. При наличии большой разницы в акустических сопротивлениях сред практически вся падающая энергия отражается от границы раздела сред.

Рассмотренные закономерности имеют место в том случае, если размеры отражающей поверхности превосходят длину волны падающего излучения. Если же его длина волны больше размеров отражающей поверхности, то, как правило, волна частично отражается от препятствия (рассеивается), а частично огибает его. Явление огибания препятствия волной называется дифракцией звука . Дифракция возникает и у объектов, размеры которых превосходят длину волны колебаний, однако в этом случае явление проявляется только у краев отражающей поверхности. Позади препятствия образуется зона акустической тени, в которой отсутствуют звуковые колебания. В то же время перед препятствием картина звукового поля усложняется за счет взаимодействия падающей, отраженной и дифрагирующей волн. Звуковая волна может отражаться от многочисленных объектов, рассеянных в морской воде, таких как пузырьки воздуха, планктон, частички твердых плавающих веществ и т.п. В этом случае отраженный сигнал называется сигналом объемной реверберации . Он воспринимается приемником излучения как колеблющийся отзвук в момент окончания посылки сигнала. В начале этот отзвук может иметь достаточно большой уровень, а затем быстро затухает.

Реверберация может возникать за счет рассеивания звука плоскими поверхностями, имеющими малые по сравнению с длиной волны неровности. Чаще всего такими поверхностями является дно или поверхность моря. Такую реверберацию называют донной или поверхностной , соответственно.

. Основные принципы гидроакустического зондирования

Практически все гидроакустические навигационные приборы, используемые на транспортном флоте, работают в режиме активного зондирования водного пространства. Разработка устройств, осуществляющих этот режим, предусматривает необходимость:

§ определения требований к зондирующему излучению исходя из содержания решаемой задачи;

§ определения требований к приемной и передающей антеннам;

§ анализа условий распространения зондирующего сигнала и оценки характера принятого сигнала;

§ разработки требований к входным блокам системы, осуществляющим первичное преобразование принятого сигнала;

§ определения состава приемного тракта, осуществляющего преобразование первичной информации к виду, необходимому для ее отображения или дальнейшего использования другими устройствами или системами;

§ определения состава устройств отображения и регистрации информации;

§ формулирования требований, предъявляемых к выходному сигналу гидроакустического устройства со стороны совместно работающих с ним других устройств.

Как это было указано выше, зондирующее излучение может быть непрерывным или импульсным. Непрерывное излучение при одинаковых амплитудах сигнала имеет наибольшую среднюю мощность, что может оказаться решающим достоинством при зондировании достаточно удаленных от источника излучения областей. Более высокая средняя мощность излучаемого сигнала позволяет не только повысить уровень принимаемого отраженного сигнала, но и зачастую избежать явления кавитации. Наиболее часто такой вид излучения применяется в доплеровских системах измерения скорости судна.

При необходимости измерения дальностей до отражающих объектов непрерывное излучение должно быть предварительно специальным образом промодулировано. Надлежащий выбор способа модуляции и обработки принятого сигнала позволяет создавать наиболее точные измерительные системы. Однако следует учитывать, что в рассматриваемом случае принятый сигнал, как правило, сопровождается достаточно значительной помехой, возникающей в результате объемной реверберации.

Импульсное излучение характеризуется формой импульса, его длительностью Т и (рис. 1.6), частотой или периодом следования импульсов. Чаще всего используются импульсы прямоугольной формы (рис. 1.6.а), которые являются наиболее энергонасыщенными. В недавнем прошлом достаточно широко применялась экспоненциальная форма (рис. 2.6, б) в силу того, что ее было проще реализовать технически. Решение отдельных задач может потребовать создание импульсов с более сложной формой их огибающих.

Длительность импульса имеет большое значение, так как она совместно с его амплитудой определяет мощность, заключенную в нем, и, следовательно, предельную дальность зондирования. Кроме того, от длительности импульса зависит разрешающая способность по дальности, т.е. та минимальная разность дальностей, которая может быть измерена системой. Действительно, в связи с тем, что импульс является носителем единичной информации, все изменения дальности в рамках пространственной его протяженности системой зарегистрированы не будут. Учитывая, что импульс проходит удвоенное расстояние - до отражателя и обратно, разрешающая способность системы будет равна половине пространственной длины импульса:

(1.45)

На практике длительность импульсов чаще всего лежит в диапазоне от 10 -5 с до 10 -3 с .

Частота следования импульсов обычно выбирается из тех соображений, чтобы в любом рабочем диапазоне последующий импульс излучался только после того, как будет принят отраженный. Иными словами, период t п следования импульсов должен удовлетворять неравенству: где - максимальная дальность зондирования в рабочем диапазоне, - средняя скорость звука в воде, обычно принимаемая равной 1500 м/c . Такой подход создает условия для использования одной антенны в качестве приемной и передающей. В отдельных случаях частота следования импульсов может выбираться из других соображений.

Очень важно при формировании требований к зондирующему сигналу правильно выбрать несущую частоту излучения. От нее в значительной степени зависит затухание сигнала, его отражение от границ раздела сред и различных объектов, а также траектория движения фронта волны. Снижение несущей частоты, как правило, требует увеличения размеров антенных устройств, но способствует увеличению дальности зондирования.

Формулируя основные требования к антенной системе необходимо:

§ определить количество антенн и схему их размещения на судне;

§ выбрать наилучшую степень направленности излучения;

§ выбрать тип элемента, преобразующего электрическую энергию в механическую и обратно, а также тип антенны;

§ определить способ установки антенн на борту судна.

Количество используемых антенн и схема их размещения обусловливается характером решаемой задачи, а также наличием или отсутствием их резервирования с целью повышения надежности системы. Каждая антенна может монтироваться на борту судна самостоятельно или все антенны объединяются в один антенный блок, который, как правило, устанавливается в клинкете. Такой блок может содержать до 20 и более антенн, которые в этом случае уместнее называть вибраторами.

Требуемая степень направленности излучения диктуется также характером решаемой задачи.

В качестве преобразователей электрической энергии в механическую и обратно используются ферромагнитные и пьезокерамические вибраторы, принцип действия которых рассматривается ниже.

Общая характеристика приемно-передающих антенн

Ферромагнитные преобразователи электрической энергии в механическую используют эффект магнитострикции. Сущность этого эффекта состоит в том, что при изменении магнитного состояния изделия из ферромагнитного материала происходит некоторое изменение его размеров. Образец деформируется, и эта деформация возрастает с увеличением интенсивности его намагничивания. Если в качестве образца взять стержневой сердечник, снабдить его обмоткой и запитать ее переменным током, то длина сердечника будет периодически изменяться. Электрическая энергия, затрачиваемая на его намагничивание, преобразуется в энергию механических колебаний, способную возбуждать звуковое поле в упругой среде, в которую помещается рассматриваемый стержень.

Существует и обратный эффект. Если сердечник из ферромагнитного материала, имеющего некоторую остаточную намагниченность, несколько деформировать, т.е. изменить его внутреннее напряжение, то изменится и напряженность магнитного поля, связанного с ним. При этом изменение магнитного поля будет прои

З вуковое поле проявляется в виде кинетической энергии колеблющихся материальных тел, звуковых волн в средах, обладающих упругой структурой (твердые тела, жидкости и газы). Процесс распространения колебаний в упругой среде называют волной . Направление распространения звуковой волны называют звуковым лучом , а поверхность, соединяющую все смежные точки поля с одинаковой фазой колебания частиц среды – фронтом волны . В твердых телах колебания могут распространяться как в продольном, так и в поперечном направлении. В воздухе распространяются только продольные волны .

Свободным звуко­вым полем называют такое поле, в котором преобладает прямая звуко­вая волна, а отраженные волны отсутствуют или пренебрежимо малы.

Диффузное звуко­вое поле - это такое поле, в каждой точке которого плотность звуковой энергии одинакова и по всем направлениям которого распространяются одинаковые потоки энергии вединицу времени.

Звуковые волны характеризуются следующими основными параметрами.

Длина волны - равна отношению скорости звука (340 м/с - в воздухе) к частоте звуковых колебаний. Таким образом, длина волны в воздухе может изменяться от 1,7 см (для f = 20000 Гц) до 21 м (для f = 16 Гц).

Звуковое давление - определяется как разность между мгновенным давлением звукового поля в данной точке и статистическим (атмосферным) давлением. Звуковое давление измеряется в Паскалях (Па), Па = Н/м 2 . Физические аналоги – электрическое напряжение, ток.

Интенсивность звука – среднее количество звуковой энергии проходящей в единицу времени через единицу поверхности, перпендикулярной к направлению распространения волны. Интенсивность измеряется в единицах Вт/м 2 и представляет собой активную составляющую мощности звуковых колебаний. Физический аналог – электрическая мощность.

В акустике результаты измерений принято отображать в виде относительных логарифмических единиц. Для оценки слухового ощущения используются единица под названием Бел (Б). Поскольку Бел представляет собой довольно крупную единицу, была введена более мелкая величина – децибел (дБ) равная 0,1 Б.

Звуковое давление, интенсивность звука выражают в относительных акустических уровнях:

,

Нулевым значениям акустических уровней соответствуют общепринятые и Вт/м 2 при гармоническом звуковом колебании частотой 1000 Гц. Приведенные значения соответствуют примерно минимальным значениям, вызывающим слуховые ощущения (абсолютному порогу слышимости).

Условия проведения измерений характеристик микрофонов. Акустические измерения имеют ряд специфических особенностей. Так, измерение некоторых характеристик электроакустической аппаратуры необходимо проводить в условиях свободного поля, т.е. когда отсутствуют отраженные волны.

В обычных помещениях это условие невыполнимо, а проводить измерения на открытом воздухе сложно и не всегда возможно. Во-первых, на открытом воздухе трудно избежать отражений от поверхностей, например, от земли. Во-вторых, проведение измерений в этом случае зависит от атмосферных условий (ветер и т.д.) и может приводить к большим погрешностям, не говоря уже о ряде других неудобств. В-третьих, на открытом воздухе трудно избежать влияния посторонних (промышленных и др.) шумов.

Поэтому для проведения измерений в свободном поле пользуются специальными звукозаглушенными камерами, в которых отраженные волны практически отсутствуют.

Измерение характеристик микрофона в заглушенной камере . Для измерения чувствительности микрофона в свободном поле следовало бы вначале измерить звуковое давление в точке, куда будет помещен испытуемый микрофон, а потом уже помещать его в эту точку. Но так как в камере практически отсутствует интерференция, а расстояние микрофона от громкоговорителя берут равным 1 - 1,5 м (или более) при диаметре излучателя не более 25 см, то измерительный микрофон можно располагать поблизости от испытуемого микрофона. Схема измерительной установки представлена на рис.4. Чувствительность определяют во всем номинальном диапазоне частот. Устанавливая по измерителю звукового давления (шумомеру) необходимое давление , измеряют напряжение , развиваемое испытуемым микрофоном, и определяют его осевую чувствительность .

E OC = U M / P (мВ/Па)

Чувствительность определяют либо по напряжению холостого хода, либо по напряжению на номинальной нагрузке . Как правило, за номинальную нагрузку принимают модуль внутреннего сопротивления микрофона на частоте 1000 Гц.

Рис.4. Функциональная схема измерения чувствительности микрофона:

1 - генератор тональный или белого шума; 2 - фильтр октавный (третьоктавный); 3 - усилитель; 4 - заглушенная камера; 5 – акустический излучатель; 6 - испытуемый микрофон; 7 - измерительный микрофон; 8 - милливольтметр; 9 - милливольтметр, градуированный в паскалях или децибелах (шумомер).

Уровень чувствительности определяется как чувствительность, выраженная в децибелах, относительно величины равной 1 .

Стандартный уровень чувствительности (в децибелах) определяют как отношение напряжения , развиваемое на номинальном сопротивлении нагрузки при звуковом давлении 1 Па, к напряжению, соответствующему мощности =1 мВт и рассчитывают по формуле:

где - напряжение (В), развиваемое микрофоном на номинальном сопротивлении нагрузки (Ом) при звуковом давлении 1 Па.

Частотной характеристикой микрофона называют зависимость чувствительности микрофона от частоты при постоянных значениях звукового давления и тока питания микрофона. Частотную характеристику снимают путем плавного изменения частоты генератора. По полученной частотной характеристике определяют неравномерность ее в номинальном и рабочем диапазонах частот.

Характеристику направленности микрофона снимают по той же схеме (рис.4), причем в зависимости от задания или на нескольких частотах, используя тональный генератор, или для шумового сигнала в третьоктавных полосах, или для заданной полосы частот, используя вместо третьоктавных фильтров соответствующий полосовой фильтр.

Для снятия характеристик направленности испытуемый микрофон укрепляют на поворотном диске с лимбом. Диск вращают вручную или автоматически, синхронно с регистрирующим столиком. Характеристику снимают в одной плоскости, проходящей через рабочую ось микрофона, если он представляет собой тело вращения вокруг своей оси. Для других форм микрофона характеристику снимают для заданных плоскостей, проходящих через рабочую ось. Угол поворота отсчитывают между рабочей осью и направлением на источник звука. Нормируют характеристику направленности относительно осевой чувствительности.

Звуковое поле - область пространства, в которой распространяются звуковые волны, то есть происходят акустические колебания частиц упругой среды (твердой, жидкой или газообразной), заполняющей эту область. Понятие звукового поля применяется обычно для областей, размеры которых порядка или больше длины звуковой волны.

С энергетической стороны звукового поля характеризуется плотностью звуковой энергии (энергией колебательного процесса, приходящейся на единицу объема) и интенсивностью звука.

Поверхность тела, совершающая колебания, является излучателем (источником) звуковой энергии, который создает акустическое поле.

Акустическим полем называют область упругой среды, которая является средством передачи акустических волн. Акустическое поле характеризуется:

· звуковым давлением p зв, Па;

· акустическим сопротивлением z А , Па*с/м.

Энергетическими характеристиками акустического поля являются:

· интенсивность I , Вт/м 2 ;

· мощность звука W, Вт – количество энергии, проходящей за единицу времени через охватывающую источник звука поверхность.

Важную роль при формировании акустического поля играет характеристика направленности звукоизлучения Ф , т.е. угловое пространственное распределение образующегося вокруг источника звукового давления.

Все перечисленные величины взаимосвязаны и зависят от свойств среды, в которой распространяется звук.

Если акустическое поле не ограничено поверхностью и распространяется практически до бесконечности, то такое поле называютсвободным акустическим полем.

В ограниченном пространстве (например, в закрытом помещении) распространение звуковых волн зависит от геометрии и акустических свойств поверхностей, расположенных на пути распространения волн.

Процесс формирования звукового поля в помещении связан с явлениями реверберации и диффузии .

Если в помещении начинает действовать источник звука, то в первый момент времени имеем только прямой звук. По достижении волной звукоотражающей преграды картина поля меняется из-за появления отраженных волн. Если в звуковом поле поместить предмет, размеры которого малы по сравнению с длиной звуковой волны, то практически не наблюдается искажения звукового поля. Для эффективного отражения необходимо, чтобы размеры отражающей преграды были больше или равны длине звуковой волны.

Звуковое поле, в котором возникает большое количество отраженных волн с различными направлениями, в результате чего удельная плотность звуковой энергии одинакова по всему полю, называется диффузным полем.

После прекращения источником излучения звука акустическая интенсивность звукового поля уменьшается до нулевого уровня за бесконечное время. Практически считается, что звук полностью затухает, когда его интенсивность падает в 10 6 раз от уровня, существующего в момент его выключения. Любое звуковое поле как элемент колеблющейся среды обладает собственной характеристикой затухания звука – реверберацией ("послезвучание").

Звук - психофизиологическое ощущение, вызы­ваемое механическими колебаниями частиц упругой среды. Звуковым колебаниям соответствует область частот в интервале 20...20 000 Гц. Колебания с часто­той меньше 20 Гц называют инфразвуковыми , а боль­ше 20 000 Гц - ультразвуковыми . Воздействие на человека инфразвуковых колебаний вызывает непри­ятные ощущения. В природе инфразвуковые колеба­ния могут возникать при волнениях моря, колебани­ях земной поверхности. Ультразвуковые колебания используются для лечебных целей в медици­не и в радиоэлектронных устройств, например в фильтрах. Возбуждение звука вызывает колебательный про­цесс, изменяющий давление в упругой среде, в кото­рой образуются чередующиеся слои сжатия и разре­жения , распространяющиеся от источника звука в виде звуковых волн. В жидкой и газообразной средах час­тицы среды колеблются относительно положения рав­новесия в направлении распространения волны, т.е. волны являются продольными. В твердых телах распространяются поперечные волны, так как частицы среды колеблются в направлении, перпендикулярном линии распространения волны. Пространство, в котором происходит распростра­нение звуковых волн, называют звуковым полем . Раз­личают свободное звуковое поле, когда влияние ог­раждающих поверхностей, отражающих звуковые вол­ны, мало, и диффузное звуковое поле, где в каждой точке звуковая мощность на единицу площа­ди одинакова во всех направлениях. Распространение волн в звуковом поле происходит с определенной скоростью, которая называется скоро­стью звука . Формула (1.1)

с = 33l√Т/273, где Т - температура по шкале Кельвина.

В расчетах принимается с = 340 м/с, что приблизительно соответствует температуре 17°С при нормальном атмосферном давлении. Поверхность, соединяющую смежные точки поля с одинаковой фазой колебания (например, точки сгу­щения или разрежения), называют фронтом волны. Наиболее часто встречаются звуковые волны со сфе­рическим и плоским фронтами волны . Фронт сфери­ческой волны имеет форму шара и образу­ется на небольшом расстоянии от источника звука, если его размеры малы по сравнению с длиной излу­чаемой волны. Фронт плоской волны имеет форму плоскости, перпендикулярной направлению распрос­транения звуковой волны (звуковому лучу). Волны с плоским фронтом образуются на больших по сравне­нию с длиной волны расстояниях от источника звука. Звуковое поле характеризуется звуковым давлени­ем , колебательной скоростью , интенсивностью звука и плотностью звуковой энергии .

Звуковое давление - это разность между мгновен­ным значением давления р ам в точке среды при про­хождении через нее звуковой волны и атмосферным давлением р ас в той же точке, т.е. р = р ас - р ам. Единица измерения звукового давления в системе СИ - ньютон на квадратный метр: 1 Н/м 2 = 1 Па (паскаль). Реальные источники звука создают даже при самых громких звуках звуковые давления в десятки тысяч раз меньше нормального атмосферного давле­ния.

Колебательная скорость представляет собой ско­рость колебаний частиц среды около своего положе­ния покоя. Колебательная скорость измеряется в мет­рах в секунду. Эту скорость не следует путать со ско­ростью звука. Скорость звука - величина постоянная для данной среды, колебательная скорость - пере­менная. Если частицы среды перемещаются по направлению распространения волны, то колеба­тельную скорость считают положительной, при обрат­ном перемещении частиц - отрицательной. Реальные источники звука даже при самых громких звуках вызывают колебательные скорости в несколько тысяч раз меньше скорости звука. Для плоской звуковой волны формула колебательной скорости имеет вид (1.2)

V = p/ρ·с, где ρ - плотность воздуха, кг/м 3 ; с - скорость звука, м/с.

Произведение ρ·с для данных атмосферных усло­вий есть величина постоянная, ее называют акусти­ческим сопротивлением .

Интенсивность звука - количество энергии, про­ходящей в секунду через единицу площади, перпен­дикулярной к направлению распространения звуко­вой волны. Интенсивность звука измеряется в ваттах на метр квадратный (Вт/м 2).

Плотность звуковой энергии есть количество зву­ковой энергии, находящейся в единице объема звуко­вого поля: ε = J/c.

4. Контрольные вопросы

Глоссарий

Литература