Подводная акустика

Изучение распространения звука в воде

Результат компьютерной модели распространения подводного звука в упрощенной океанической среде.

Карта морского дна, полученная с помощью многолучевого гидролокатора

Подводная акустика (также известная как гидроакустика ) — это наука о распространении звука в воде и взаимодействии механических волн , составляющих звук, с водой, ее содержимым и ее границами. Вода может быть в океане, озере, реке или резервуаре . Типичные частоты, связанные с подводной акустикой, находятся в диапазоне от 10 Гц до 1 МГц . Распространение звука в океане на частотах ниже 10 Гц обычно невозможно без глубокого проникновения в морское дно, тогда как частоты выше 1 МГц используются редко, поскольку они очень быстро поглощаются.

Гидроакустика, использующая технологию сонара , чаще всего используется для мониторинга подводных физических и биологических характеристик. Гидроакустика может использоваться для определения глубины водоема ( батиметрия ), а также наличия или отсутствия, обилия, распределения, размера и поведения подводных растений ^[1] и животных. Гидроакустическое зондирование включает в себя « пассивную акустику » (прослушивание звуков) или активную акустику, производящую звук и прослушивающую эхо, отсюда и общее название для устройства — эхолот или эхолот .

Существует ряд различных причин шума от судоходства. Их можно разделить на те, которые вызваны винтом, те, которые вызваны механизмами, и те, которые вызваны движением корпуса по воде. Относительная важность этих трех различных категорий будет зависеть, помимо прочего, от типа судна.

Одной из основных причин гидроакустического шума от полностью погруженных подъемных поверхностей является нестационарный отрывной турбулентный поток вблизи задней кромки поверхности, который создает колебания давления на поверхности и нестационарный колебательный поток в ближнем следе. Относительное движение между поверхностью и океаном создает турбулентный пограничный слой (TBL), который окружает поверхность. Шум создается флуктуирующими полями скорости и давления внутри этого TBL.

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

История

Подводный звук, вероятно, использовался морскими животными в течение миллионов лет. Наука подводной акустики началась в 1490 году, когда Леонардо да Винчи написал следующее: ^[2]

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

В 1687 году Исаак Ньютон написал « Математические начала натуральной философии» , в которых впервые была дана математическая обработка звука. Следующий важный шаг в развитии подводной акустики был сделан швейцарским физиком Даниэлем Колладоном и французским математиком Шарлем Штурмом . В 1826 году на Женевском озере они измерили время , прошедшее между вспышкой света и звуком колокола затопленного корабля, услышанным с помощью подводного слухового рожка. ^[3] Они измерили скорость звука в 1435 метров в секунду на расстоянии 17 километров (км), что дало первое количественное измерение скорости звука в воде. ^[4] Полученный ими результат находился в пределах примерно 2% от принятых в настоящее время значений. В 1877 году лорд Рэлей написал « Теорию звука» и создал современную акустическую теорию.

Крушение «Титаника» в 1912 году и начало Первой мировой войны дали толчок следующей волне прогресса в подводной акустике. Были разработаны системы для обнаружения айсбергов и подводных лодок . В период с 1912 по 1914 год в Европе и США был выдан ряд патентов на эхолокацию , кульминацией которых стал эхолокатор Реджинальда А. Фессендена в 1914 году. Новаторские работы в это время проводились во Франции Полем Ланжевеном и в Великобритании А. Б. Вудом и его коллегами. ^[5] Развитие как активного ASDIC , так и пассивного сонара (звуковая навигация и определение дальности) быстро продвигалось во время войны, что было обусловлено первыми крупномасштабными развертываниями подводных лодок . Другие достижения в подводной акустике включали разработку акустических мин .

В 1919 году была опубликована первая научная работа по подводной акустике, ^[6] теоретически описывающая преломление звуковых волн, вызванное градиентами температуры и солености в океане. Предсказания диапазона, сделанные в статье, были экспериментально подтверждены измерениями потерь при распространении .

В течение следующих двух десятилетий развивалось несколько приложений подводной акустики. Эхолот , или глубиномер, был разработан в коммерческих целях в 1920-х годах. Первоначально для преобразователей использовались натуральные материалы, но к 1930-м годам гидроакустические системы, включающие пьезоэлектрические преобразователи, изготовленные из синтетических материалов, использовались для пассивных систем прослушивания и для активных систем эхолокации. Эти системы с успехом применялись во время Второй мировой войны как подводными лодками, так и противолодочными судами. Было достигнуто много успехов в подводной акустике, которые были обобщены позже в серии «Физика звука в море» , опубликованной в 1946 году.

После Второй мировой войны развитие гидроакустических систем во многом было обусловлено холодной войной , что привело к прогрессу в теоретическом и практическом понимании подводной акустики с использованием компьютерных технологий.

Теория

Звуковые волны в воде, на дне моря

Звуковая волна, распространяющаяся под водой, состоит из чередующихся сжатий и разрежений воды. Эти сжатия и разрежения обнаруживаются приемником, таким как человеческое ухо или гидрофон , как изменения давления . Эти волны могут быть искусственными или естественными.

Скорость звука, плотность и импеданс

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

Это отличается от скорости частиц , которая относится к движению молекул в среде под действием звука и связана с давлением плоской волны , плотностью жидкости и скоростью звука соотношением . ${\displaystyle u\,}$ ${\displaystyle p\,}$ ${\displaystyle \rho \,}$ ${\displaystyle c\,}$ ${\displaystyle p=c\cdot u\cdot \rho }$

Произведение и из приведенной выше формулы известно как характеристический акустический импеданс . Акустическая мощность (энергия в секунду), пересекающая единицу площади, известна как интенсивность волны, а для плоской волны средняя интенсивность определяется как , где - среднеквадратичное акустическое давление. ${\displaystyle c}$ ${\displaystyle \rho \,}$ ${\displaystyle I=q^{2}/(\rho c)\,}$ ${\displaystyle q\,}$

Иногда используется термин «скорость звука», но это неверно, поскольку величина является скалярной.

Большой контраст импеданса между воздухом и водой (соотношение составляет 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 соотношение плотностей составляет около 820.

Поглощение звука

Поглощение звука низкой частоты слабое. ^[7] (см. Технические руководства – 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 . Важные дополнительные вклады на более низких частотах в морской воде связаны с ионной релаксацией борной кислоты (до ок. 10 кГц) ^[7] и сульфата магния (ок. 10 кГц-100 кГц). ^[8]

Звук может поглощаться потерями на границах жидкости. Вблизи поверхности моря потери могут происходить в пузырьковом слое или во льду, тогда как на дне звук может проникать в осадок и поглощаться.

Отражение и рассеивание звука

Пограничные взаимодействия

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

Поверхность

Для многих целей поверхность море-воздух можно рассматривать как идеальный отражатель. Контраст импеданса настолько велик, что лишь малая часть энергии способна пересечь эту границу. Акустические волны давления, отраженные от поверхности моря, испытывают инверсию фазы, часто называемую либо «пи-фазовым изменением», либо «180-градусным фазовым изменением». Математически это выражается присвоением морской поверхности коэффициента отражения минус 1 вместо плюс 1. ^[9]

На высокой частоте (выше примерно 1 кГц) или когда море неспокойное, часть падающего звука рассеивается, и это учитывается путем назначения коэффициента отражения, величина которого меньше единицы. Например, вблизи нормального падения коэффициент отражения становится , где h - среднеквадратичная высота волны. ^[10] ${\displaystyle R=-e^{-2k^{2}h^{2}\sin ^{2}A}}$

Еще одним осложнением является наличие пузырьков, создаваемых ветром, или рыб вблизи поверхности моря. ^[11] Пузырьки также могут образовывать шлейфы , которые поглощают часть падающего и рассеянного звука, а также рассеивают часть звука сами. ^[12]

Морское дно

Акустическое несоответствие импеданса между водой и дном обычно намного меньше, чем на поверхности, и является более сложным. Оно зависит от типов материала дна и глубины слоев. Были разработаны теории для прогнозирования распространения звука на дне в этом случае, например, Биотом ^[13] и Бакингемом. ^[14]

В цель

Отражение звука от цели, размеры которой велики по сравнению с длиной акустической волны, зависит от ее размера и формы, а также от сопротивления цели относительно сопротивления воды. Были разработаны формулы для прочности цели различных простых форм в зависимости от угла падения звука. Более сложные формы могут быть аппроксимированы путем объединения этих простых. ^[2]

Распространение звука

Подводное распространение звука зависит от многих факторов. Направление распространения звука определяется градиентами скорости звука в воде. Эти градиенты скорости преобразуют звуковую волну посредством преломления, отражения и дисперсии. В море вертикальные градиенты, как правило, намного больше горизонтальных. Сочетание этого с тенденцией к увеличению скорости звука с увеличением глубины из-за увеличения давления в глубоком море вызывает изменение градиента скорости звука на противоположный в термоклине , создавая эффективный волновод на глубине, соответствующий минимальной скорости звука. Профиль скорости звука может вызывать области низкой интенсивности звука, называемые «зонами тени», и области высокой интенсивности, называемые «каустиками». Их можно найти методами трассировки лучей .

На экваторе и в 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 глубокий звуковой канал, или канал SOFAR (sound fixing and range), позволяющий направленное распространение подводного звука на тысячи километров без взаимодействия с поверхностью моря или морским дном. Другим явлением в глубоком море является образование областей фокусировки звука, известных как зоны конвергенции. В этом случае звук преломляется вниз от источника, расположенного вблизи поверхности, а затем снова поднимается. Горизонтальное расстояние от источника, на котором это происходит, зависит от положительных и отрицательных градиентов скорости звука. Поверхностный канал может также возникать как в глубокой, так и в умеренно мелкой воде, когда происходит восходящая рефракция, например, из-за низких температур поверхности. Распространение происходит путем повторных отражений звука от поверхности.

В общем, по мере распространения звука под водой происходит уменьшение интенсивности звука с увеличением дальности, хотя в некоторых случаях можно получить усиление за счет фокусировки. Потери при распространении (иногда называемые потерями при передаче ) являются количественной мерой уменьшения интенсивности звука между двумя точками, обычно источником звука и удаленным приемником. Если — интенсивность дальнего поля источника, отнесенная к точке на расстоянии 1 м от его акустического центра, а — интенсивность на приемнике, то потери при распространении определяются выражением ^[2] . В этом уравнении — это не истинная акустическая интенсивность на приемнике, которая является векторной величиной, а скаляр, равный эквивалентной интенсивности плоской волны (EPWI) звукового поля. EPWI определяется как величина интенсивности плоской волны того же среднеквадратичного давления, что и истинное акустическое поле. На близком расстоянии потери при распространении определяются распространением, тогда как на большом расстоянии — потерями на поглощение и/или рассеяние. ${\displaystyle I_{s}}$ ${\displaystyle I_{r}}$ ${\displaystyle {\mathit {PL}}=10\log(I_{s}/I_{r})}$ ${\displaystyle I_{r}}$

Альтернативное определение возможно в терминах давления вместо интенсивности, ^[15] давая , где — среднеквадратичное акустическое давление в дальней зоне проектора, масштабированное до стандартного расстояния 1 м, а — среднеквадратичное давление в месте расположения приемника. ${\displaystyle {\mathit {PL}}=20\log(p_{s}/p_{r})}$ ${\displaystyle p_{s}}$ ${\displaystyle p_{r}}$

Эти два определения не совсем эквивалентны, поскольку характеристическое сопротивление на приемнике может отличаться от такового на источнике. Из-за этого использование определения интенсивности приводит к другому уравнению сонара, чем определение, основанное на отношении давлений. ^[16] Если источник и приемник находятся в воде, разница невелика.

Моделирование распространения

Распространение звука через воду описывается волновым уравнением с соответствующими граничными условиями. Для упрощения расчетов распространения был разработан ряд моделей. Эти модели включают в себя теорию лучей, решения для нормальных мод и упрощения параболического уравнения волнового уравнения. ^[17] Каждый набор решений, как правило, действителен и эффективен с вычислительной точки зрения в режиме ограниченной частоты и диапазона, а также может включать другие ограничения. Теория лучей более подходит для короткого расстояния и высокой частоты, в то время как другие решения лучше работают на большом расстоянии и низкой частоте. ^{[18] [19] [20]} Различные эмпирические и аналитические формулы также были получены из измерений, которые являются полезными приближениями. ^[21]

Реверберация

Кратковременные звуки приводят к затухающему фону, который может быть намного более продолжительным, чем исходный кратковременный сигнал. Причина этого фона, известного как реверберация, частично обусловлена ​​рассеянием от грубых границ и частично рассеянием от рыб и другой биоты . Для того чтобы акустический сигнал можно было легко обнаружить, он должен превышать уровень реверберации , а также уровень фонового шума .

Доплеровский сдвиг

Если подводный объект движется относительно подводного приемника, частота принимаемого звука отличается от частоты звука, излучаемого (или отражаемого) объектом. Это изменение частоты известно как доплеровский сдвиг . Сдвиг можно легко наблюдать в активных гидролокационных системах, особенно узкополосных, поскольку известна частота передатчика, а относительное движение между сонаром и объектом можно рассчитать. Иногда частота излучаемого шума (тонального ) также может быть известна, и в этом случае тот 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, поскольку распространение происходит только в одну сторону. Сдвиг соответствует увеличению частоты для приближающейся цели.

Колебания интенсивности

Хотя моделирование распространения звука обычно предсказывает постоянный уровень принимаемого звука, на практике существуют как временные, так и пространственные флуктуации. Они могут быть вызваны как мелкомасштабными, так и крупномасштабными явлениями окружающей среды. Они могут включать тонкую структуру профиля скорости звука и фронтальные зоны, а также внутренние волны. Поскольку в целом 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

В воде, особенно с пузырьками воздуха, изменение плотности из-за изменения давления не является точно линейно пропорциональным. Как следствие, для синусоидальной волны на входе генерируются дополнительные гармонические и субгармонические частоты. Когда на вход поступают две синусоидальные волны, генерируются сумма и разность частот. Процесс преобразования больше на высоких уровнях источника, чем на малых. Из-за нелинейности существует зависимость скорости звука от амплитуды давления, так что большие изменения распространяются быстрее, чем малые. Таким образом, синусоидальная форма волны постепенно становится пилообразной с крутым подъемом и постепенным спадением. Это явление используется в параметрическом сонаре, и были разработаны теории для его объяснения, например, Вестерфилдом.

Измерения

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

Измерения обычно представляются в одной из двух форм:

• Среднеквадратичное акустическое давление в паскалях (или уровень звукового давления (SPL) в дБ относительно 1 мкПа)
• спектральная плотность (среднеквадратичное давление на единицу ширины полосы) в паскалях в квадрате на герц (дБ относительно 1 мкПа ² /Гц)

Шкала для акустического давления в воде отличается от той, которая используется для звука в воздухе. В воздухе опорное 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, делённому на акустическое сопротивление) в воздухе примерно в 20 ² × 3600 = 1 440 000 раз выше, чем в воде. Аналогично интенсивность примерно такая же, если SPL на 61,6 дБ выше в воде.

Стандарт ISO 18405 2017 года определяет термины и выражения, используемые в области подводной акустики, включая расчет уровней подводного звукового давления.

Скорость звука

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. ^[22] Скорость звука в воде увеличивается с ростом давления , температуры и солености . ^{[23] [24]} Максимальная скорость в чистой воде при атмосферном давлении достигается при температуре около 74 °C; после этой точки звук распространяется медленнее в более горячей воде; максимум увеличивается с давлением. ^[25]

Поглощение

Было проведено множество измерений поглощения звука в озерах и океане ^{[7] [8]} (см. Технические руководства – Расчет поглощения звука в морской воде для онлайн-калькулятора).

Окружающий шум

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

Фоновый шум, присутствующий в океане, или окружающий шум, имеет много разных источников и меняется в зависимости от местоположения и частоты. ^[26] На самых низких частотах, примерно от 0,1 Гц до 10 Гц, основными источниками фонового шума являются турбулентность океана и микросейсмы . ^[27] 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. Дальнее движение судов является одним из доминирующих источников шума ^[28] в большинстве областей для частот около 100 Гц, в то время как вызванный ветром поверхностный шум является основным источником между 1 кГц и 30 кГц. На очень высоких частотах, выше 100 кГц, начинает доминировать тепловой шум молекул воды. Спектральный уровень теплового шума на 100 кГц составляет 25 дБ относительно 1 мкПа ² /Гц. Спектральная плотность теплового шума увеличивается на 20 дБ за декаду (примерно 6 дБ за октаву ). ^[29]

Кратковременные источники звука также способствуют возникновению окружающего шума. К ним относятся прерывистая геологическая активность, такая как землетрясения и подводные вулканы, ^[30] осадки на поверхности и биологическая активность. Биологические источники включают китообразных (особенно синих китов , финвалов и кашалотов ), ^{[31] [32]} определенные виды рыб и щелкающих креветок .

Дождь может вызывать высокий уровень окружающего шума. Однако численное соотношение между интенсивностью дождя и уровнем окружающего шума трудно определить, поскольку измерение интенсивности дождя в море проблематично.

Реверберация

Было проведено много измерений реверберации поверхности моря, дна и объема. Иногда на их основе выводились эмпирические модели. Обычно используемое выражение для диапазона от 0,4 до 6,4 кГц принадлежит Чепмену и Харрису. ^[33] Обнаружено, что синусоидальная форма волны распространяется по частоте из-за движения поверхности. Для реверберации дна часто применяется закон Ламберта, например, см. Mackenzie. ^[34] Обычно обнаруживается, что реверберация объема происходит в основном в слоях, которые меняют глубину в зависимости от времени суток, например, см. Marshall и Chapman. ^[35] Нижняя поверхность льда может производить сильную реверберацию, когда она неровная, см., например, Milne. ^[36]

Нижняя потеря

Потери на дне измерялись как функция угла скольжения для многих частот в различных местах, например, в Морской геофизической службе США. ^[37] Потери зависят от скорости звука на дне (на которую влияют градиенты и слоистость) и шероховатости. Были построены графики для ожидаемых потерь в конкретных обстоятельствах. На мелководье потери на дне часто оказывают доминирующее влияние на распространение на большие расстояния. На низких частотах звук может распространяться через осадок, а затем обратно в воду.

Подводный слух

Сравнение с уровнями шума в воздухе

Как и в случае с воздушным звуком , уровень звукового давления под водой обычно указывается в единицах децибел , но есть некоторые важные различия, которые затрудняют (и часто нецелесообразны) сравнение SPL в воде с SPL в воздухе. Эти различия включают: ^[38]

• Разница в опорном давлении: 1 мкПа ( один микропаскаль, или одна миллионная паскаля ) вместо 20 мкПа. ^[15]
• Разница в интерпретации: существуют две школы мысли, одна из которых утверждает, что давления следует сравнивать напрямую, а другая — что сначала следует преобразовать их в интенсивность эквивалентной плоской волны.
• разница в чувствительности слуха : любое сравнение со звуком ( A-взвешенным ) в воздухе должно учитывать разницу в чувствительности слуха, как у человека-дайвера, так и у другого животного. ^[39]

Человеческий слух

Чувствительность слуха

Самый низкий слышимый 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. ^[40] Это соответствует интенсивности звука на 5,4 дБ, или в 3,5 раза выше порогового значения в воздухе (см. Измерения выше).

Пороги безопасности

Высокий уровень подводного звука создает потенциальную опасность для водолазов. ^[41] Руководящие принципы воздействия подводного звука на водолазов представлены в проекте SOLMAR Центра подводных исследований НАТО . ^[42] Водолазы, подвергающиеся воздействию звукового давления выше 154 дБ относительно 1 мкПа в диапазоне частот от 0,6 до 2,5 кГц, как сообщается, испытывают изменения в частоте сердечных сокращений или дыхания. Отвращение водолаза к низкочастотному звуку зависит от уровня звукового давления и центральной частоты . ^[43]

Другие виды

Водные млекопитающие

Дельфины и другие зубатые киты известны своей острой слуховой чувствительностью, особенно в диапазоне частот от 5 до 50 кГц. ^{[39] [44]} У нескольких видов пороги слышимости составляют от 30 до 50 дБ относительно 1 мкПа в этом диапазоне частот. Например, порог слышимости косатки возникает при среднеквадратичном акустическом давлении 0,02 мПа (и частоте 15 кГц), что соответствует порогу звукового давления 26 дБ относительно 1 мкПа. ^[45]

Высокий уровень подводного шума создает потенциальную опасность для морских и земноводных животных. ^[39] Последствия воздействия подводного шума рассматриваются Саутхоллом и др. ^[46]

Рыба

Слуховая чувствительность рыб рассматривается Ладичем и Фэем. ^[47] 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 на частоте 70 Гц (122 дБ относительно 1 мкПа). ^[45] Эффекты воздействия подводного шума рассматриваются Поппером и др. ^[48]

Водоплавающие птицы

Было замечено, что несколько видов водоплавающих птиц реагируют на подводный звук в диапазоне 1–4 кГц, ^[49] что соответствует диапазону частот лучшей чувствительности слуха птиц в воздухе. Морские утки и бакланы были обучены реагировать на звуки 1–4 кГц с самым низким порогом слышимости (самая высокая чувствительность) 71 дБ относительно 1 мкПа ^[50] (бакланы) и 105 дБ относительно 1 мкПа (морские утки). ^[49] Ныряющие виды имеют несколько морфологических различий в ухе по сравнению с наземными видами, что предполагает некоторую адаптацию уха у ныряющих птиц к водным условиям ^[51]

Применение подводной акустики

Сонар

Сонар — это название акустического эквивалента радара . Звуковые импульсы используются для зондирования 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.

Подводная связь

Потребность в подводной акустической телеметрии существует в таких приложениях, как сбор данных для мониторинга окружающей среды, связь с подводными аппаратами с экипажем и без экипажа , передача речи водолаза и т. д. Связанным приложением является подводное дистанционное управление , в котором акустическая телеметрия используется для дистанционного приведения в действие переключателя или запуска события. Ярким примером подводного дистанционного управления являются акустические релизы , устройства, которые используются для возврата развернутых на дне моря инструментальных пакетов или других полезных грузов на поверхность по дистанционной команде в конце развертывания. Акустическая связь представляет собой активную область исследований ^{[52] [53]} со значительными проблемами, которые необходимо преодолеть, особенно в горизонтальных мелководных каналах. По сравнению с радиотелекоммуникациями доступная полоса пропускания сокращается на несколько порядков. Более того, низкая скорость звука приводит к тому, что многолучевое распространение растягивается на интервалы задержки времени в десятки или сотни миллисекунд, а также к значительным доплеровским смещениям и рассеиванию. Часто системы акустической связи ограничиваются не шумом, а реверберацией и изменчивостью времени, выходящими за рамки возможностей алгоритмов приемника. Точность подводных каналов связи можно значительно повысить за счет использования гидрофонных решеток, которые позволяют применять такие методы обработки, как адаптивное формирование луча и комбинирование разнесенных сигналов .

Подводная навигация и отслеживание

Подводная навигация и отслеживание являются общим требованием для разведки и работы водолазов, ROV , автономных подводных аппаратов (AUV) , подводных аппаратов с экипажем и подводных лодок . В отличие от большинства радиосигналов, которые быстро поглощаются, звук распространяется далеко под водой и со скоростью, которую можно точно измерить или оценить. ^[54] 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 подводных акустических систем позиционирования , которые сейчас широко используются.

Сейсмическая разведка

Сейсмическая разведка предполагает использование низкочастотного звука (< 100 Гц) для зондирования глубин морского дна. Несмотря на относительно плохое разрешение из-за большой длины волны, низкочастотные звуки предпочтительны, поскольку высокие частоты сильно затухают при прохождении через морское дно. В качестве источников звука используются пневмопушки , вибросейсмические установки и взрывчатые вещества .

Наблюдение за погодой и климатом

Акустические датчики могут использоваться для мониторинга звука, производимого ветром и осадками . Например, акустический дождемер описан Нюстуеном. ^[55] Также могут быть обнаружены удары молний. ^[56] Акустическая термометрия климата океана (ATOC) использует низкочастотный звук для измерения глобальной температуры океана.

Акустическая океанография

Гидроакустический буксирный плавник с частотой 38 кГц, используемый NOAA для проведения акустических исследований. Аляска, юго-восток.

Акустическая океанография — это использование подводного звука для изучения моря , его границ и его содержимого.

История

Интерес к разработке систем эхолокации возник всерьез после затопления RMS Titanic в 1912 году. Согласно теории, посылая звуковую волну впереди корабля, отраженное эхо, отражаясь от погруженной части айсберга, должно было дать раннее предупреждение о столкновениях. Направляя тот же тип луча вниз, можно было вычислить глубину дна океана. ^[57]

Первый практический глубоководный эхолот был изобретен Харви С. Хейсом, физиком ВМС США. Впервые стало возможным создать квазинепрерывный профиль дна океана вдоль курса корабля. Первый такой профиль был сделан Хейсом на борту USS Stewart, эсминца ВМС, который плыл из Ньюпорта в Гибралтар между 22 и 29 июня 1922 года. В течение той недели было сделано 900 глубоководных зондирований. ^[58]

Используя усовершенствованный эхолот, немецкое исследовательское судно «Метеор» совершило несколько проходов через Южную Атлантику от экватора до Антарктиды в период с 1925 по 1927 год, производя измерения каждые 5–20 миль. В результате их работы была создана первая подробная карта Срединно-Атлантического хребта. Она показала, что хребет представляет собой изрезанную горную цепь, а не гладкое плато, как представляли себе некоторые ученые. С тех пор как военно-морские, так и исследовательские суда практически непрерывно использовали эхолоты в море. ^[59]

Важный вклад в акустическую океанографию внесли:

• Леонид Бреховских
• Уолтер Мунк
• Герман Медвин
• Джон Л. Списбергер
• CC Лерой
• Дэвид Э. Уэстон
• Д. Ван Холлидей
• Чарльз Гринлоу

Используемое оборудование

Самым ранним и наиболее распространенным применением звуковых и гидролокационных технологий для изучения свойств моря является использование радужного эхолота для измерения глубины воды. Эхолоты были устройствами, которые использовались для картирования многих миль океанского дна гавани Санта-Барбары до 1993 года.

Эхолоты измеряют глубину воды. Он работает, посылая электронные звуки с кораблей, таким образом, также получая звуковые волны, которые отражаются от дна океана. Бумажная диаграмма движется через эхолот и калибруется для записи глубины.

По мере развития технологий, разработка сонаров высокого разрешения во второй половине 20-го века сделала возможным не только обнаружение подводных объектов, но и их классификацию и даже их изображение. Электронные датчики теперь прикреплены к ROV, поскольку в настоящее время корабли или подводные лодки-роботы имеют дистанционно управляемые аппараты (ROV). К этим устройствам прикреплены камеры, выдающие точные изображения. Океанографы могут получать четкие и точные изображения. «Картинки» также могут быть отправлены с сонаров, отражая звук от океанской среды. Часто звуковые волны отражаются от животных, давая информацию, которая может быть задокументирована для более глубоких исследований поведения животных. ^{[60] [61] [62]}

Морская биология

Благодаря своим превосходным свойствам распространения подводный звук используется как инструмент для изучения морской жизни, от микропланктона до синего кита . Эхолоты часто используются для получения данных о численности, распределении и поведении морской жизни. Эхолоты, также называемые гидроакустикой, также используются для определения местоположения, количества, размера и биомассы рыбы.

Акустическая телеметрия также используется для мониторинга рыб и морской фауны. Акустический передатчик прикрепляется к рыбе (иногда внутри), в то время как массив приемников слушает информацию, передаваемую звуковой волной. Это позволяет исследователям отслеживать перемещения особей в малых и средних масштабах. ^[63]

Рак-пистолет создает сонолюминесцентные кавитационные пузырьки, температура которых достигает 5000 К (4700 °C) ^[64]

Физика элементарных частиц

Нейтрино — это фундаментальная частица, которая очень слабо взаимодействует с другой материей. По этой причине для ее обнаружения требуется очень крупномасштабная аппаратура, и иногда для этой цели используется океан. В частности, считается, что нейтрино сверхвысокой энергии в морской воде можно обнаружить акустически. ^[65]

Другие приложения

Другие приложения включают в себя:

• измерение интенсивности дождя
• измерение скорости ветра
• глобальная термометрия
• мониторинг газообмена между океаном и атмосферой
• Система наблюдения с буксируемой антенной решеткой
• Акустический доплеровский профилировщик течений для измерения скорости воды
• Акустическая камера
• Жидкий звук
• Пассивный акустический мониторинг

Смотрите также

• Биоакустика  – изучение звука, связанного с биологией.
• Кембриджский интерферометр  — радиотелескоп-интерферометр, построенный в начале 1950-х годов к западу от Кембриджа, Великобритания.Страницы, отображающие описания викиданных в качестве резерва
• Эхолот  – измерение глубины воды путем передачи звуковых волн в воду и измерения времени их возвращения.Страницы, отображающие краткие описания целей перенаправления
• Акустика рыболовства
• Исследование океана  – часть океанографии, описывающая исследование поверхности океана.
• Сеть слежения за океаном
• Рефракция (звука)  – изменение направления распространения из-за изменения скорости.
• Сонар  – метод акустического зондирования
• Подводная акустическая система позиционирования  – система для отслеживания и навигации подводных аппаратов или водолазов с использованием акустических сигналов.
• Подводная акустическая связь  – беспроводная технология отправки и получения сообщений через воду.
• Underwater Audio , компания по производству электроники

Примечания

Ссылки

1. "Система раннего оповещения о подводной водной растительности (SAVEWS)". Архивировано из оригинала 2012-02-19 . Получено 2008-12-02 .
2. Urick, Robert J. Principles of Underwater Sound, 3-е издание. Нью-Йорк. McGraw-Hill, 1983.
3. CS Clay & H. Medwin, Акустическая океанография (Wiley, Нью-Йорк, 1977)
4. Annales de Chimie et de Physique 36 [2] 236 (1827)
5. А. Б. Вуд, От Совета по изобретениям и исследованиям до Королевской военно-морской научной службы , Журнал Королевской военно-морской научной службы, том 20, № 4, стр. 1–100 (185–284).
6. Х. Лихте (1919). «О влиянии горизонтальных температурных слоев в морской воде на дальность подводных звуковых сигналов». Phys. Z. 17 ( 385).
7. RE Francois & GR Garrison, Поглощение звука на основе измерений океана. Часть II: Вклад борной кислоты и уравнение для полного поглощения, J. Acoust. Soc. Am. 72 , 1879–1890 (1982).
8. RE Francois и GR Garrison, Звукопоглощение на основе измерений в океане. Часть I: Вклад чистой воды и сульфата магния, J. Acoust. Soc. Am. 72 , 896–907 (1982).
9. Эйнсли, М.А. (2010). Принципы моделирования характеристик сонара. Берлин: Springer. стр. 36
10. Х. Медвин и К. С. Клей, Основы акустической океанографии (Academic, Бостон, 1998).
11. DE Weston & PA Ching, Влияние ветра на передачу на мелководье, J. Acoust. Soc. Am. 86, 1530–1545 (1989).
12. GV Norton & JC Novarini, Об относительной роли шероховатости морской поверхности и пузырьковых шлейфов в мелководном распространении в низкокилогерцовом диапазоне, J. Acoust. Soc. Am. 110 , 2946–2955 (2001)
13. N Chotiros, Модель распространения звука Биота в насыщенном водой песке. J. Acoust. Soc. Am. 97 , 199 (1995)
14. MJ Buckingham, Распространение волн, релаксация напряжений и сдвиг от зерна к зерну в насыщенных, неконсолидированных морских отложениях, J. Acoust. Soc. Am. 108 , 2796–2815 (2000).
15. CL Morfey, Словарь акустики (Academic Press, Сан-Диего, 2001).
16. MA Ainslie, Уравнение сонара и определения потерь при распространении, J. Acoust. Soc. Am. 115 , 131–134 (2004).
17. Ф. Б. Дженсен, В. А. Куперман, М. Б. Портер и Х. Шмидт, Вычислительная акустика океана (AIP Press, Нью-Йорк, 1994).
18. CH Harrison, Модели распространения волн в океане, Applied Acoustics 27 , 163–201 (1989).
19. Муратов, Р. З.; Ефимов, СП (1978). «Низкочастотное рассеяние плоской волны акустически мягким эллипсоидом». Радиофизика и квантовая электроника . 21 (2): 153–160. Bibcode :1978R&QE...21..153M. doi :10.1007/BF01078707. S2CID  118762566.
20. Морзе, Филип М.; Ингард, К. Уно (1987). Теоретическая акустика . Принстон: Princeton University Press. стр. 949. ISBN 9780691024011.
21. Л. М. Бреховских, Ю. Лысанов П. Основы акустики океана, 3-е издание (Springer-Verlag, NY, 2003).
22. А. Д. Пирс, Акустика: Введение в ее физические принципы и приложения (Американский институт физики, Нью-Йорк, 1989).
23. Маккензи, Девятичленное уравнение скорости звука в океанах, J. Acoust. Soc. Am. 70 , 807–812 (1982).
24. CC Leroy, Скорость звука в чистой и нептуновой воде, в Handbook of Elastic Properties of Solids, Liquids and Gases, под редакцией Levy, Bass & Stern, Том IV: Упругие свойства жидкостей: Жидкости и газы (Academic Press, 2001)
25. Wilson, Wayne D. (26 января 1959 г.). «Скорость звука в дистиллированной воде как функция температуры и давления». J. Acoust. Soc. Am . 31 (8): 1067–1072. Bibcode : 1959ASAJ...31.1067W. doi : 10.1121/1.1907828. Архивировано из оригинала 14 мая 2016 г. Получено 11 февраля 2012 г.
26. GM Wenz, Акустический шум окружающей среды в океане: спектры и источники, J. Acoust. Soc. Am. 34 , 1936–1956 (1962).
27. SC Webb, Равновесный спектр океанических микросейсм, J. Acoust. Soc. Am. 92 , 2141–2158 (1992).
28. Gemba, Kay L.; Sarkar, Jit; Cornuelle, Bruce; Hodgkiss, William S.; Kuperman, WA (2018). «Оценка относительных импульсных характеристик канала от кораблей возможности в мелководной среде». Журнал Акустического общества Америки . 144 (3): 1231–1244. Bibcode : 2018ASAJ..144.1231G. doi : 10.1121/1.5052259 . ISSN  0001-4966. PMID  30424623.
29. Р. Х. Меллен, Предел теплового шума при обнаружении подводных акустических сигналов, J. Acoust. Soc. Am. 24 , 478–480 (1952).
30. RS Dietz и MJ Sheehy, Транстихоокеанское обнаружение вулканических взрывов мёдзин с помощью подводного звука. Бюллетень Геологического общества 2 942–956 (1954).
31. MA McDonald, JA Hildebrand и SM Wiggins, Увеличение глубинного шума в северо-восточной части Тихого океана к западу от острова Сан-Николас, Калифорния, J. Acoust. Soc. Am. 120 , 711–718 (2006).
32. Шум океана и морские млекопитающие, Национальный исследовательский совет национальных академий (The National Academies Press, Вашингтон, округ Колумбия, 2003).
33. Р. Чепмен и Дж. Харрис, Силы обратного рассеяния поверхности, измеренные с помощью взрывных источников звука. J. Acoust. Soc. Am. 34 , 547 (1962)
34. K Mackenzie, Донная реверберация для звука 530 и 1030 Гц в глубокой воде. J. Acoust. Soc. Am. 36 , 1596 (1964)
35. Дж. Р. Маршалл и Р. П. Чепмен, Реверберация от глубоко рассеивающего слоя, измеренная с помощью взрывных источников звука. J. Acoust. Soc. Am. 36 , 164 (1964)
36. А. Милн, Силы обратного рассеяния арктических паковых льдов под водой. J. Acoust. Soc. Am. 36 , 1551 (1964)
37. Список данных и каталог отчетов станций MGS, Специальная публикация 142 Управления океанологии и навигации, 1974 г.
38. DMF Chapman, DD Ellis, Неуловимый децибел – мысли о сонарах и морских млекопитающих, Can. Acoust. 26 (2), 29–31 (1996)
39. WJ Richardson, CR Greene, CI Malme и DH Thomson, Морские млекопитающие и шум (Academic Press, Сан-Диего, 1995).
40. SJ Parvin, EA Cudahy и DM Fothergill, Руководство по воздействию подводного звука на дайверов в диапазоне частот от 500 до 2500 Гц, Underwater Defense Technology (2002).
41. Stevens CC, Russell KL, Knafelc ME, Smith PF, Hopkins EW, Clark JB (1999). «Неврологические нарушения, вызванные шумом, у дайверов, подвергавшихся воздействию интенсивного звука, передающегося по воде: два отчета о случаях». Undersea Hyperb Med . 26 (4): 261–5. PMID  10642074. Архивировано из оригинала 27 июля 2011 г. Получено 31 марта 2009 г.{{cite journal}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )
42. Правила и процедуры снижения риска для людей, водолазов и морских млекопитающих Центра подводных исследований НАТО, Специальная публикация NURC NURC-SP-2006-008, сентябрь 2006 г.
43. Fothergill DM, Sims JR, Curley MD (2001). «Отвращение любителей подводного плавания к низкочастотному подводному звуку». Undersea Hyperb Med . 28 (1): 9–18. PMID  11732884. Архивировано из оригинала 27 июля 2011 г. Получено 31 марта 2009 г.{{cite journal}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )
44. WWL Au, Сонар дельфинов (Springer, NY, 1993).
45. D. Simmonds & J. MacLennan, Fisheries Acoustics: Theory and Practice, 2nd edition (Blackwell, Oxford, 2005)
46. Саутхолл, Б. Л., Боулз, А. Е., Эллисон, У. Т., Финнеран, Дж. Дж., Джентри, Р. Л., Грин, К. Р., ... и Ричардсон, У. Дж. (2007). Критерии воздействия шума на морских млекопитающих. Водные млекопитающие.
47. Ladich, F., & Fay, RR (2013). Аудиометрия вызванного слухового потенциала у рыб. Обзоры по биологии рыб и рыболовству, 23(3), 317-364.
48. Поппер, А. Н., Хокинс, А. Д., Фэй, Р. Р., Манн, Д. А., Бартол, С., Карлсон, Т. Дж., ... и Лёккеборг, С. (2014). ASA S3/SC1. 4 TR-2014 Руководство по звуковому воздействию на рыб и морских черепах: технический отчет, подготовленный аккредитованным ANSI комитетом по стандартам S3/SC1 и зарегистрированный в ANSI. Springer.
49. McGrew, Kathleen A.; Crowell, Sarah E.; Fiely, Jonathan L.; Berlin, Alicia M.; Olsen, Glenn H.; James, Jennifer; Hopkins, Heather; Williams, Christopher K. (15.10.2022). «Подводный слух у морских уток с применением для сокращения прилова жаберными сетями посредством акустического сдерживания». Журнал экспериментальной биологии . 225 (20). doi : 10.1242/jeb.243953 . ISSN  0022-0949. PMC 10658911. PMID 36305674  . 
50. Хансен, Кирстин Андерсон; Максвелл, Алисса; Сиберт, Урсула; Ларсен, Оле Нэсбай; Уолберг, Магнус (2017-05-05). "Большие бакланы (Phalacrocorax carbo) могут обнаруживать слуховые сигналы во время ныряния". Наука о природе . 104 (5): 45. Bibcode : 2017SciNa.104...45H. doi : 10.1007/s00114-017-1467-3. ISSN  1432-1904. PMID  28477271. S2CID  253640329.
51. Zeyl, Jeffrey N.; Snelling, Edward P.; Connan, Maelle; Basille, Mathieu; Clay, Thomas A.; Joo, Rocío; Patrick, Samantha C.; Phillips, Richard A.; Pistorius, Pierre A.; Ryan, Peter G.; Snyman, Albert; Clusella-Trullas, Susana (28.03.2022). «У водоплавающих птиц средние уши адаптированы к земноводному образу жизни». Scientific Reports . 12 (1): 5251. Bibcode :2022NatSR..12.5251Z. doi :10.1038/s41598-022-09090-3. ISSN  2045-2322. PMC 8960762 . PMID  35347167. 
52. DB Kilfoyle и AB Baggeroer, «Современное состояние подводной акустической телеметрии», IEEE J. Oceanic Eng. 25, 4–27 (2000).
53. М.Стоянович, «Акустическая (подводная) связь», статья в Энциклопедии телекоммуникаций, под ред. Джона Г. Прокиса, John Wiley & Sons, 2003.
54. Подводные акустические системы позиционирования, PH Milne 1983, ISBN 0-87201-012-0 
55. JA Nystuen, Прослушивание капель дождя из-под воды: акустический дисдрометр, J Atmospheric and Oceanic Technology, 18 (10), 1640–1657 (2001).
56. RD Hill, Исследование ударов молнии в водные поверхности, J. Acoust. Soc. Am. 78 , 2096–2099 (1985).
57. Гаррисон 2012, стр. 79.
58. Кунциг 2000, стр. 40–41.
59. Стюарт 2009, стр. 28.
60. "Океанография". Учителя-схоласты .
61. «Инструменты океанографа». marinebio.net .
62. "Используемая технология". noc.ac.uk . Архивировано из оригинала 2015-01-21 . Получено 2015-01-21 .
63. Мур, А., Т. Стортон-Уэст, И.К. Рассел, Э.К. Поттер и М.Дж. Чаллисс. 1990. Методика отслеживания молоди атлантического лосося (Salmo salar L.) в эстуариях. Международный совет по исследованию моря, CM 1990/M: 18, Копенгаген.
64. D. Lohse, B. Schmitz & M. Versluis (2001). «Щелкающие креветки создают мерцающие пузыри» (PDF) . Nature . 413 (6855): 477–478. Bibcode :2001Natur.413..477L. doi :10.1038/35097152. PMID  11586346. S2CID  4429684.
65. S. Bevan, S. Danaher, J. Perkin, S. Ralph, C. Rhodes, L. Thompson, T. Sloane, D. Waters и The ACoRNE Collaboration, Моделирование ливней, вызванных нейтрино сверхвысокой энергии во льду и воде, Astroparticle Physics Volume 28, Issue 3, November 2007, Pages 366–379

Библиография

• Гаррисон, Том С. (1 августа 2012 г.). Основы океанографии. Cengage Learning. ISBN 978-0-8400-6155-3.
• Кунциг, Роберт (17 октября 2000 г.). Картирование глубин: необыкновенная история науки об океане. WW Нортон и компания. ISBN 978-0-393-34535-3.
• Стюарт, Роберт Х. (сентябрь 2009 г.). Введение в физическую океанографию. Издательство Флоридского университета. ISBN 978-1-61610-045-2.

Дальнейшее чтение

• Обеспечение качества гидроакустических исследований: повторяемость оценок численности рыб и биомассы в озерах внутри и между гидроакустическими системами (бесплатная ссылка на документ)
• Гидроакустика как инструмент оценки биомассы рыб и распределения размеров, связанных с дискретными мелководными эстуарными местообитаниями в Луизиане
• Акустическая оценка запасов кальмаров
• Краткое изложение использования гидроакустики для количественной оценки убегания взрослых лососевых (Oncorhynchus и Salmo spp.) в реках. Рэнсом, Б. Х., С. В. Джонстон и Т. В. Стейг. 1998. Представлено на Международном симпозиуме и семинаре по управлению и экологии речного рыболовства, Университет Халла, Англия, 30 марта - 3 апреля 1998 г.
• Многочастотная акустическая оценка рыбных ресурсов и планктона. Торкелсон, TC, TC Остин и PH Вайбе. 1998. Представлено на 135-м заседании Акустического общества Америки и 16-м заседании Международного конгресса по акустике, Сиэтл, Вашингтон.
• Акустика без упаковки. Отличный справочник по гидроакустике пресных вод для оценки ресурсов.
• Интеркалибровка научных эхолотов в Великих озерах
• Гидроакустическая оценка нерестовых скоплений благородных оленей вдоль побережья Пуэрто-Рико в 2002 и 2003 гг.
• Оценка осуществимости гидроакустических методов с расщепленным лучом для мониторинга взрослых короткорылых осетров в реке Делавэр
• Категоризация миграционного поведения лосося с использованием характеристик данных акустической съемки с расщепленным лучом
• Оценка методов оценки численности производителей озерной сельди в озере Верхнее
• Оценка потока и численности смолта нерки с помощью гидролокатора бокового обзора
• Исследования сельди: использование акустики для подсчета рыбы.
• Применение гидроакустики в озерной, речной и морской среде для изучения планктона, рыб, растительности, классификации субстрата или морского дна, а также батиметрии.
• Гидроакустика: Реки (в: Справочник по протоколам полевых исследований лососевых рыб: Глава 4)
• Гидроакустика: озера и водохранилища (в: Справочник по протоколам полевых исследований лососевых рыб: Глава 5)
• PAMGUARD: Сообщество разработчиков программного обеспечения с открытым исходным кодом, разрабатывающее программное обеспечение для акустического обнаружения и локализации морских млекопитающих в интересах морской среды; https://web.archive.org/web/20070904035315/http://www.pamguard.org/home.shtml

Внешние ссылки

• Ультразвук и подводная акустика
• Мониторинг мирового океана с помощью подводной акустики
• Технический комитет ASA по подводной акустике
• Океан Звука
• Подводная акустическая связь
• Группа акустической связи в Океанографическом институте Вудс-Хоул
• Звук в море
• Исследовательская группа подводной акустики SFSU
• Открытие звука в море
• Исследования морской акустики