• 5

8.7. Поглощение акустических волн в море

Волновое уравнение (8.26) выведено для идеальной жидко­сти. В действительности морская и пресная вода обладает вяз­костью и теплопроводностью. В реальной морской среде всегда существуют морские животные, рыбы, продукты их жизнедея­тельности, твердые частицы осадков, пузырьки воздуха. Как уже указывалось, морская вода — диссоциированный раствор, состоя­щий из ионов С1~, Mg2*, Na+, SO|~ и т. д. Кроме того, темпера­тура, плотность и соленость морской воды фактически всегда несколько флюктуируют около их средних значений, создавая случайные объемные неоднородности. Такое состояние и строе­ние морской воды приводят к затуханию распространяющихся к ней акустических волн.

Затухание или ослабление энергии акустических волн вы­зывается поглощением в среде и рассеянием неоднородно- стями. Вязкость и теплопроводность морской воды приводят

 

к необратимым (тепловым) потерям. Газовые и иные включения кроме диссипации вызывают рассеяние звуковых волн: поток рассеянной акустической энергии начинает распространяться в стороны и ослаблять поток акустического излучения в основ­ном направлении.

Теоретически задачу поглощения звука решают с помощью уравнения Стокса. Подробно этот вопрос рассмотрен в работе А. П. Сташкевича [9]. Здесь мы кратко изложим физическую сторону обсуждаемой задачи.

Механизм поглощения звука в морской воде, связанный с ее вязкостью, вызван сдвиговыми напряжениями, возникающими при движении соседних слоев друг относительно друга. Это сдвиговое напряжение пропорционально градиенту скорости и коэффициенту вязкости, обозначаемому через p.i. Коэффициент Hi существует только при деформациях сдвига и называется ко­эффициентом сдвиговой (стоксовской, или первой) вязкости. |xi измеряется в пуазах. Величина \n/p=xv — кинематическая вяз­кость. Вязкое поглощение является доминирующим в пресной воде. В море оно имеет существенное значение лишь при уль­тразвуковых частотах (^1 МГц).

Поглощение звука происходит также и из-за релаксационных явлений. Его определяет коэффициент объемной вязкости цг. Ко­эффициент цо проявляется в процессах, сопровождающихся из­менением объема жидкости. Его также называют коэффициен­том второй вязкости. Вторая объемная вязкость обусловлена сменой фаз сжатия и разрежения акустической волны в каж­дом элементе водной среды. Такая смена вызывает изменения структуры молекул НгО. Вследствие перестройки молекулярной структуры нарушается термодинамическое равновесие. При этом внутренние процессы стремятся восстановить это равновесие со временем релаксации тр. Этот процесс вызывает затрату акусти­ческой энергии. Кроме структурно-молекулярного механизма по­глощения звука имеются релаксационные процессы, обусловлен­ные диссоциацией молекул. Часть молекул солей, растворенных в морской воде, находится в виде ионов Mg2*, SOJ-,' Na+, Cl-

и т. д. При неизменных температуре и давлении число диссоции­рующих и рекомбинирующих ионов находится в равновесии. При прохождении акустической волны это равновесие нарушается. В объемах повышенного давления степень диссоциации, напри­мер соли MgSOi, растет. В объемах пониженного давления рав­новесная степень диссоциации их ниже, здесь усиливается ре­комбинация ионов с постоянной времени около 10~в с. Вследст­вие этого восстановление равновесия запаздывает по фазе относительно волны давления и весь процесс принимает релак­сационный характер, что вызывает в морской воде, как в рас­творе, дополнительную потерю акустической энергии. Наиболь­шее влияние на этот вид потерь оказывает соль MgSCU особенно при частотах около 10*—105 Гц.

Коэффициент поглощения р, учитывающий потери акустиче­ской энергии, указанные выше, выражается следующим образом:

здесь cv и Ср — теплоемкости при постоянном объеме и постоян­ном давлении соответственно; Лм — коэффициент теплопровод­ности.

Согласно релаксационной теории Л. И. Мандельштама и М. А. Леонтовича, коэффициент объемной (второй) вязкости можно представить в виде

где со — скорость звука в равновесном состоянии; с» — скорость звука при высоких частотах, когда за время одного периода рав­новесие не успевает восстановиться.

Важно отметить, что сдвиговая вязкость морской воды умень­шается с увеличением "гидростатического давления. Объемная вязкость остается практически неизменной. При повышении тем­пературы обе вязкости уменьшаются. Объемная вязкость превы­шает сдвиговую примерно в 3—5 раз.

Одной из причин поглощения звука в море являются воздуш­ные пузырьки. Слой пузырьков воздуха в море по толщине, как правило, не превышает 10—15 м (редко 25—30 м). При падении звуковой волны пузырек воздуха начинает колебаться и переиз­лучать акустические волны, на что затрачивается энергия пер­вичного акустического поля. Затухание акустических волн в толще ледяного покрова и в породах, слагающих дно океана, в том числе и в осадочной толще, имеет другую физическую при­роду. Основным в этом случае, очевидно, является поглощение, вызванное сдвиговым трением и релаксацией в кристаллических структурах льда и морского дна.

Авторы: 1379 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 1908 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я