Подводная акустика

Вывод компьютерной модели распространения подводной акустики в упрощенной океанской среде.

Карта морского дна, созданная многолучевым гидролокатором.

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

Гидроакустика с использованием гидроакустических технологий чаще всего используется для мониторинга физических и биологических характеристик подводной среды. Гидроакустика может использоваться для определения глубины водоема ( батиметрия ), а также наличия или отсутствия, численности, распределения, размера и поведения подводных растений. и животные. Гидроакустическое зондирование включает в себя « пассивную акустику » (прислушивание к звукам) или активную акустику, производящую звук и прислушивающуюся к эху, отсюда и общее название устройства — эхолот или эхолот .

Существует ряд различных причин шума при транспортировке. Их можно разделить на вызванные гребным винтом, вызванные механизмами и вызванные движением корпуса по воде. Относительная важность этих трех различных категорий будет зависеть, среди прочего, от типа судна.

Одной из основных причин гидроакустического шума от полностью погруженных в воду несущих поверхностей является нестационарное отрывное турбулентное течение вблизи задней кромки поверхности, вызывающее колебания давления на поверхности и нестационарное колебательное течение в ближнем следе. Относительное движение между поверхностью и океаном создает турбулентный пограничный слой (TBL), окружающий поверхность. Шум генерируется изменяющимися полями скорости и давления внутри этого TBL.

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

История

Подводный звук, вероятно, использовался морскими животными на протяжении миллионов лет. Наука о подводной акустике началась в 1490 году, когда Леонардо да Винчи написал следующее:

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

В 1687 году Исаак Ньютон написал свои «Математические принципы естественной философии» , которые включали первую математическую трактовку звука. развитии подводной акустики был сделан Даниэлем Колладоном физиком швейцарским Штурмом и Шарлем французским Следующий крупный шаг в математиком . В 1826 году на Женевском озере они измерили время, прошедшее между вспышкой света и звуком затопленного корабельного колокола, услышанным с помощью подводного прослушивающего рожка. Они измерили скорость звука 1435 метров в секунду на расстоянии 17 километров (км), обеспечив первое количественное измерение скорости звука в воде. Полученный ими результат находился в пределах примерно 2% от принятых в настоящее время значений. В 1877 году лорд Рэлей написал « Теорию звука» и основал современную акустическую теорию.

Гибель Титаника в 1912 году и начало Первой мировой войны дали толчок следующей волне прогресса в подводной акустике. Были разработаны системы обнаружения айсбергов и подводных лодок . несколько патентов на эхолокацию Между 1912 и 1914 годами в Европе и США было выдано Реджинальда А. Фессендена , кульминацией которых стал эхолокатор в 1914 году. Новаторские работы были проведены в это время во Франции Полем Ланжевеном и в Великобритании А.Б. Вуд и партнеры. Разработка как активного ASDIC , так и пассивного гидролокатора (ЗВУКОВАЯ навигация и дальнометрия) продолжалась быстрыми темпами во время войны, чему способствовало первое крупномасштабное развертывание подводных лодок . Другие достижения в области подводной акустики включали разработку акустических мин .

В 1919 году была опубликована первая научная работа по подводной акустике. теоретически описывающее преломление звуковых волн, вызванное градиентами температуры и солености в океане. Прогнозы дальности, сделанные в статье, были экспериментально подтверждены измерениями потерь при распространении .

В следующие два десятилетия были разработаны несколько применений подводной акустики. Эхолот , или эхолот, был коммерчески разработан в 1920-х годах. Первоначально для преобразователей использовались натуральные материалы, но к 1930-м годам гидролокационные системы с пьезоэлектрическими преобразователями, изготовленными из синтетических материалов, стали использоваться для пассивных систем прослушивания и для активных систем эхолота. Эти системы успешно использовались во время Второй мировой войны как на подводных лодках, так и на противолодочных кораблях. Были достигнуты многочисленные достижения в области подводной акустики, которые позже были обобщены в серии «Физика звука в море» , опубликованной в 1946 году.

После Второй мировой войны развитие гидролокационных систем было в основном обусловлено Холодной войной , что привело к прогрессу в теоретическом и практическом понимании подводной акустики, чему способствовали компьютерные методы.

Теория

Звуковые волны в воде, на дне моря

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

Скорость звука, плотность и импеданс

Скорость звука $c\,$ (т.е. продольное движение волновых фронтов) связано с частотой $f\,$ и длина волны $\lambda \,$ волны по $c=f\cdot \lambda$.

Это отличается от скорости частицы $u\,$, который относится к движению молекул в среде под действием звука и относится к давлению плоской волны $p\,$ к плотности жидкости $\rho \,$ и скорость звука $c\,$ к $p=c\cdot u\cdot \rho$.

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

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

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

Поглощение звука

Поглощение низкочастотного звука слабое. (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 . Важный дополнительный вклад на более низких частотах в морской воде связан с ионной релаксацией борной кислоты (до примерно 10 кГц). и сульфат магния (около 10–100 кГц).

Звук может поглощаться за счет потерь на границах жидкости. У поверхности моря потери могут возникать в пузырьковом слое или во льду, тогда как у дна звук может проникать в осадок и поглощаться.

Отражение и рассеяние звука

Граничные взаимодействия

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

Поверхность

Для многих целей поверхность морского воздуха можно рассматривать как идеальный отражатель. Контраст импедансов настолько велик, что эту границу способна преодолеть лишь небольшая энергия. Волны акустического давления, отраженные от морской поверхности, меняют фазу, что часто называют «изменением фазы пи» или «изменением фазы на 180 градусов». Математически это выражается присвоением поверхности моря коэффициента отражения минус 1 вместо плюс одного.

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

Еще одной сложностью является наличие пузырей, созданных ветром, или рыбы вблизи поверхности моря. Пузырьки также могут образовывать шлейфы , которые поглощают часть падающего и рассеянного звука, а часть сами рассеивают.

Морское дно

Рассогласование акустического импеданса между водой и дном обычно намного меньше, чем на поверхности, и является более сложным. Это зависит от типа материала дна и глубины слоев. В этом случае были разработаны теории для прогнозирования распространения звука по дну, например Био. и Букингемом.

У цели

Отражение звука от цели, размеры которой велики по сравнению с длиной волны звука, зависит от ее размера и формы, а также от импеданса цели относительно воды. Разработаны формулы силы мишеней различной простой формы в зависимости от угла падения звука. Более сложные формы можно получить путем объединения этих простых.

Распространение звука

Распространение звука под водой 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 обычно 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 в термоклине на противоположное, создавая эффективный волновод на глубине, соответствующий минимальной скорости звука. Профиль скорости звука может вызывать области низкой интенсивности звука, называемые «теневыми зонами», и области высокой интенсивности, называемые «каустикой». Их можно найти с помощью методов трассировки лучей .

На экваторе и в умеренных широтах океана 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 канал глубокого звука или канал ГНФАР (звуковой фиксации и измерения дальности), позволяющий направленное распространение подводного звука на тысячи километров без взаимодействия с морской поверхностью или морским дном. Еще одним явлением в глубоком море является образование зон фокусировки звука, известных как зоны конвергенции. В этом случае звук преломляется вниз от приповерхностного источника, а затем снова возвращается назад. Горизонтальное расстояние от источника, на котором это происходит, зависит от положительных и отрицательных градиентов скорости звука. Поверхностный канал также может возникать как на глубокой, так и на умеренно мелководной воде при наличии восходящей рефракции, например, из-за низких температур поверхности. Распространение происходит за счет повторных отражений звука от поверхности.

В общем, по мере распространения звука под водой интенсивность звука снижается с увеличением расстояния, хотя в некоторых случаях можно получить выигрыш за счет фокусировки. Потери при распространении (иногда называемые потерями при передаче ) — это количественная мера снижения интенсивности звука между двумя точками, обычно между источником звука и удаленным приемником. Если $I_{s}$ – интенсивность источника в дальнем поле, отнесенная к точке на расстоянии 1 м от его акустического центра, $I_{r}$ — интенсивность в приемнике, тогда потери при распространении определяются выражением ${\mathit {PL}}=10\log(I_{s}/I_{r})$. В этом уравнении $I_{r}$ - это не истинная акустическая интенсивность в приемнике, которая является векторной величиной, а скаляр, равный эквивалентной интенсивности плоской волны (EPWI) звукового поля. EPWI определяется как величина интенсивности плоской волны того же среднеквадратического давления, что и истинное акустическое поле. На малых расстояниях в потерях при распространении преобладают потери на распространение, тогда как на больших расстояниях преобладают потери на поглощение и/или рассеяние.

Альтернативное определение возможно с точки зрения давления, а не интенсивности. предоставление ${\mathit {PL}}=20\log(p_{s}/p_{r})$, где $p_{s}$ — среднеквадратичное акустическое давление в дальней зоне проектора, пересчитанное на стандартное расстояние 1 м, и $p_{r}$ среднеквадратичное давление в положении ресивера.

Эти два определения не совсем эквивалентны, поскольку характеристическое сопротивление приемника может отличаться от волнового сопротивления источника. Из-за этого использование определения интенсивности приводит к другому уравнению гидролокатора по сравнению с определением, основанным на соотношении давлений. 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 теорию лучей, решения для нормальной моды и параболических уравнений . упрощения волнового уравнения для Каждый набор решений, как правило, действителен и эффективен в вычислительном отношении в режиме ограниченной частоты и диапазона, а также может включать в себя и другие ограничения. Теория лучей более подходит для малых расстояний и высоких частот, в то время как другие решения лучше работают на больших расстояниях и низких частотах. На основе измерений также были получены различные эмпирические и аналитические формулы, которые являются полезными приближениями.

Реверберация

Переходные звуки приводят к затуханию фона, длительность которого может быть гораздо большей, чем исходный переходный сигнал. Причина этого фона, известного как реверберация, частично связана с рассеянием от неровных границ, а частично с рассеянием от рыб и другой биоты . Чтобы акустический сигнал можно было легко обнаружить, он должен превышать уровень реверберации , а также уровень фонового шума .

Допплеровский сдвиг

Если подводный объект движется относительно подводного приемника, частота принимаемого звука отличается от частоты звука, излучаемого (или отраженного) объектом. Это изменение частоты известно как доплеровский сдвиг . Смещение можно легко наблюдать в активных гидролокаторах , особенно в узкополосных, поскольку известна частота передатчика и можно рассчитать относительное движение гидролокатора и объекта. Иногда также может быть известна частота излучаемого шума ( тональный ), 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, а для пассивных систем вдвое меньше, поскольку распространение происходит только в одном направлении. Сдвиг соответствует увеличению частоты приближающейся цели.

Колебания интенсивности

Хотя моделирование распространения звука обычно предсказывает постоянный уровень принимаемого звука, на практике существуют как временные, так и пространственные колебания. Это может быть связано как с мелкими, так и с крупномасштабными экологическими явлениями. К ним могут относиться тонкая структура профиля скорости звука и фронтальные зоны, а также внутренние волны. Поскольку, как правило, между источником и приемником существует несколько путей распространения, небольшие изменения фазы интерференционной картины 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 строго линейно пропорциональным. Как следствие, для входа синусоидальной волны генерируются дополнительные гармонические и субгармонические частоты. Когда на вход подаются две синусоидальные волны, генерируются суммарная и разностная частоты. Процесс преобразования более интенсивен на высоких уровнях источника, чем на малых. Из-за нелинейности скорость звука зависит от амплитуды давления, поэтому большие изменения распространяются быстрее, чем малые. Таким образом, синусоидальный сигнал постепенно становится пилообразным с крутым подъемом и постепенным спаданием. Это явление используется в параметрических гидролокаторах, и для его объяснения были разработаны теории, например Вестерфилдом.

Измерения

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

Измерения обычно сообщаются 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 полосы пропускания) в паскалях в квадрате на герц (дБ относительно 1 мкПа) ² /Гц)

Шкала акустического давления в воде отличается от шкалы звука в воздухе. В воздухе эталонное давление составляет 20 мкПа, а не 1 мкПа. При том же численном значении SPL интенсивность плоской волны (мощность на единицу площади, пропорциональная среднеквадратичному звуковому давлению, деленному на акустическое сопротивление) в воздухе составляет около 20 ² ×3600 = 1 440 000 раз выше, чем в воде. Аналогично, интенсивность будет примерно такой же, если уровень звукового давления в воде на 61,6 дБ выше.

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, а также 1000 и 1030 кг/м. ³ для плотности. Скорость звука в воде увеличивается с увеличением давления , температуры и солености . Максимальная скорость в чистой воде при атмосферном давлении достигается при температуре около 74 °С; После этого момента звук распространяется медленнее в более горячей воде; максимум увеличивается с ростом давления.

Поглощение

Было проведено множество измерений звукопоглощения в озерах и океане. (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 и частично уровнем фонового шума. Окружающий шум — это та часть принятого шума, которая не зависит от характеристик источника, приемника и платформы. Таким образом, это исключает, например, реверберацию и шум буксировки.

Фоновый шум, присутствующий в океане, или окружающий шум, имеет множество разных источников и зависит от местоположения и частоты. На самых низких частотах, примерно от 0,1 Гц до 10 Гц, турбулентность океана и микросейсмы . основной вклад в шумовой фон вносят Типичные уровни спектра шума уменьшаются с увеличением частоты примерно от 140 дБ относительно 1 мкПа. ² /Гц при 1 Гц примерно до 30 дБ относительно 1 мкПа ² /Гц при 100 кГц. Движение судов на дальних дистанциях является одним из доминирующих источников шума. ветровой приземный шум в большинстве районов для частот около 100 Гц, тогда как основным источником является в диапазоне от 1 до 30 кГц. На очень высоких частотах, выше 100 кГц, начинает доминировать тепловой шум молекул воды. Спектральный уровень теплового шума на частоте 100 кГц составляет 25 дБ относительно 1 мкПа. ² /Гц. Спектральная плотность теплового шума увеличивается на 20 дБ за декаду (приблизительно 6 дБ на октаву ).

Источники переходного звука также способствуют возникновению окружающего шума. К ним могут относиться периодическая геологическая активность, такая как землетрясения и подводные вулканы, осадки на поверхности и биологическая активность. Биологические источники включают китообразных (особенно голубых , финвалов и кашалотов ), определенные виды рыбы и щелкающие креветки .

Дождь может вызывать высокий уровень окружающего шума. Однако количественную связь между интенсивностью дождя и уровнем окружающего шума определить сложно, поскольку измерение интенсивности дождя в море проблематично.

Реверберация

Было проведено множество измерений реверберации морской поверхности, дна и объема. На их основе иногда создавались эмпирические модели. Обычно используемое выражение для диапазона от 0,4 до 6,4 кГц принадлежит Чепмену и Харрису. Обнаружено, что синусоидальная форма волны расширяется по частоте из-за движения поверхности. Для нижней реверберации часто приблизительно применим закон Ламберта, например, см. Маккензи. Обычно обнаруживается, что объемная реверберация возникает главным образом в слоях, глубина которых меняется в зависимости от времени суток, например, см. Маршалл и Чепмен. Нижняя поверхность льда может вызывать сильную реверберацию, когда она неровная, см., например, Милн.

Нижняя потеря

Потери на дне измерялись как функция угла скольжения для многих частот в различных местах, например, Морской геофизической службой США. Потери зависят от скорости звука в дне (на которую влияют уклоны и слоистость) и неровностей. Были построены графики потерь, которые следует ожидать в конкретных обстоятельствах. На мелководье потеря дна часто оказывает доминирующее влияние на распространение радиоволн на большие расстояния. На низких частотах звук может распространяться через осадок, а затем обратно в воду.

Подводный слух

Сравнение с уровнями воздушного шума

Как и в случае воздушного шума , уровень звукового давления под водой обычно измеряется в децибелах , но есть некоторые важные различия, которые затрудняют (и часто неуместны) сравнение уровня звукового давления в воде и уровня звукового давления в воздухе. Эти различия включают в себя:

• разница эталонного давления: 1 ) вместо 20 мкПа мкПа (один микропаскаль или одна миллионная паскаля .
• разница в интерпретации: существуют две школы мысли: одна утверждает, что давления следует сравнивать напрямую, а другая - что сначала следует преобразовать их в интенсивность эквивалентной плоской волны.
• разница в слуховой чувствительности : любое сравнение со звуком в воздухе ( по шкале А ) должно учитывать различия в слуховой чувствительности человека-дайвера или другого животного.

Человеческий слух

Слуховая чувствительность

Самый низкий звуковой уровень звукового давления для дайвера с нормальным слухом составляет около 67 дБ относительно 1 мкПа, при этом наибольшая чувствительность наблюдается на частотах около 1 кГц. 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 дайверов. Рекомендации по воздействию подводного звука на водолазов представлены в рамках проекта SOLMAR Центра подводных исследований НАТО . Сообщается, что у дайверов, подвергающихся воздействию звукового давления выше 154 дБ относительно 1 мкПа в диапазоне частот от 0,6 до 2,5 кГц, наблюдаются изменения частоты сердечных сокращений или частоты дыхания. Неприятие дайвером низкочастотного звука зависит от уровня звукового давления и центральной частоты .

Другие виды

Водные млекопитающие

Дельфины и другие зубатые киты известны своей острой слуховой чувствительностью, особенно в диапазоне частот от 5 до 50 кГц. У некоторых видов порог слуха составляет от 30 до 50 дБ относительно 1 мкПа в этом диапазоне частот. Например, порог слуха косатки акустическом достигается при среднеквадратичном давлении 0,02 мПа (и частоте 15 кГц), что соответствует порогу звукового давления 26 дБ относительно 1 мкПа.

Высокий уровень подводного звука создает потенциальную опасность для морских и амфибийных животных. Эффекты воздействия подводного шума рассмотрены Саутхоллом и др.

Рыба

Слуховая чувствительность рыб рассмотрена Ладичем и Фэем. Порог слуха рыбы-солдата составляет 0,32 мПа (50 дБ относительно 1 мкПа) при 1,3 кГц, тогда как у омара порог слуха составляет 1,3 Па при 70 Гц (122 дБ относительно 1 мкПа). Эффекты воздействия подводного шума рассмотрены Popper et al.

Водные птицы

Было замечено, что несколько видов водных птиц реагируют на подводный звук в диапазоне 1–4 кГц. который соответствует частотному диапазону наилучшей слуховой чувствительности птиц в воздухе. Морские утки и бакланы были обучены реагировать на звуки частотой 1–4 кГц с самым низким порогом слышимости (самой высокой чувствительностью) 71 дБ относительно 1 мкПа. (бакланы) и 105 дБ относительно 1 мкПа (утки). Ныряющие виды имеют несколько морфологических различий в ушах по сравнению с наземными видами, что позволяет предположить некоторую адаптацию уха ныряющих птиц к водным условиям.

Применение подводной акустики

Сонар

Основная статья: Сонар

Сонар — это название акустического эквивалента радара . Звуковые импульсы используются для исследования моря, а затем эхо обрабатывается для извлечения информации о море, его границах и затопленных объектах. Альтернативное использование, известное как пассивный гидролокатор , пытается сделать то же самое, слушая звуки, излучаемые подводными объектами.

Подводная связь

Основная статья: Подводная акустическая связь

Потребность в подводной акустической телеметрии существует в таких приложениях, как сбор данных для мониторинга окружающей среды, связь с экипажем и без экипажа подводными аппаратами , передача речи дайвера и т. д. Связанным с этим применением является подводное дистанционное управление , в котором акустическая телеметрия используется для удаленного управления. активировать переключатель или вызвать событие. Ярким примером подводного дистанционного управления являются акустические спусковые устройства , устройства, которые используются для возврата развернутых на морском дне пакетов приборов или других полезных нагрузок на поверхность по удаленной команде в конце развертывания. Акустическая связь является активной областью исследований. с серьезными трудностями, особенно в горизонтальных мелководных каналах. По сравнению с радиосвязью доступная полоса пропускания сокращается на несколько порядков. Более того, низкая скорость звука приводит к тому, что многолучевое распространение растягивается на интервалы задержки в десятки или сотни миллисекунд, а также приводит к значительным доплеровским сдвигам и расплыванию. Часто системы акустической связи ограничены не шумом, а реверберацией и изменчивостью во времени, выходящей за рамки возможностей алгоритмов приемника. Точность подводных линий связи можно значительно повысить за счет использования решеток гидрофонов, которые позволяют использовать такие методы обработки, как адаптивное формирование луча и объединение разнесенных сигналов .

Подводная навигация и слежение

Основная статья: Подводная акустическая система позиционирования

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 глубоко под водой со скоростью, которую можно точно измерить или оценить. Таким образом, его можно использовать для точного измерения расстояний между отслеживаемой целью и одной или несколькими базовыми станциями , а также для триангуляции положения цели, иногда с точностью до сантиметра. Начиная с 1960-х годов, это привело к появлению систем подводного акустического позиционирования , которые сейчас широко используются.

Сейсморазведка

Основная статья: Сейсмология отражений

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

Наблюдения за погодой и климатом

Акустические датчики можно использовать для мониторинга звука ветра и осадков . Например, акустический дождемер . Нистуэн описал Удары молний также могут быть обнаружены. 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 содержимого.

История

Интерес к разработке систем определения дальности эхолота всерьез начался после затопления Титаника в 1912 году. Теория гласила, что, посылая звуковую волну впереди корабля, обратное эхо, отражающееся от затопленной части айсберга, должно давать раннее предупреждение о столкновениях. . Направив тот же луч вниз, можно было рассчитать глубину дна океана.

Первый практический глубоководный эхолот был изобретен Харви К. Хейсом, физиком ВМС США. Впервые удалось создать квазинепрерывный профиль дна океана по курсу корабля. Первый такой профиль был сделан Хейсом на борту эсминца ВМС США «Стюарт», который шел из Ньюпорта в Гибралтар в период с 22 по 29 июня 1922 года. За эту неделю было выполнено 900 глубоководных зондирований океана.

Используя усовершенствованный эхолот, немецкий исследовательский корабль «Метеор» в период с 1925 по 1927 год совершил несколько проходов через Южную Атлантику от экватора до Антарктиды, выполняя измерения каждые 5–20 миль. В результате их работы была создана первая подробная карта Срединно-Атлантического хребта. Это показало, что хребет представлял собой суровую горную цепь, а не гладкое плато, как представляли себе некоторые ученые. С тех пор как военно-морские, так и научно-исследовательские суда почти постоянно использовали эхолоты в море.

Важный вклад в акустическую океанографию внесли:

• Leonid Brekhovskikh
• Уолтер Мунк
• Герман Медвин
• Джон Л. Спайсбергер
• СС 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 использовались для картирования многих миль дна океана в гавани Санта-Барбары до 1993 года.

Фазометры измеряют глубину воды. Он работает, отправляя звуки с кораблей в электронном виде и, следовательно, также получая звуковые волны, которые отражаются от дна океана. Бумажная карта проходит через эхолот и калибруется для регистрации глубины.

По мере развития технологий развитие гидролокаторов высокого разрешения во второй половине 20-го века позволило не только обнаруживать подводные объекты, но и классифицировать их и даже отображать. Электронные датчики теперь прикрепляются к ROV, поскольку в настоящее время корабли или подводные лодки-роботы имеют дистанционно управляемые транспортные средства (ROV). К этим устройствам прикреплены камеры, дающие точные изображения. Океанографы могут получать четкие и точные изображения. «Изображения» также можно отправлять с гидролокаторов, отражая звук от окружающей среды океана. Часто звуковые волны отражаются от животных, предоставляя информацию, которую можно задокументировать для более глубоких исследований поведения животных.

Морская биология

Основная статья: Биоакустика

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

Акустическая телеметрия также используется для мониторинга рыб и морских животных. Акустический передатчик прикреплен к рыбе (иногда внутри), в то время как массив приемников слушает информацию, передаваемую звуковой волной. Это позволяет исследователям отслеживать перемещения людей в малых и средних масштабах.

Креветки-пистолеты создают сонолюминесцентные кавитационные пузырьки, температура которых достигает 5000 К (4700 °C).

Физика элементарных частиц

Нейтрино . — фундаментальная частица, очень слабо взаимодействующая с другим веществом По этой причине требуется очень большая аппаратура обнаружения, и иногда для этой цели используется океан. В частности, считается, что нейтрино сверхвысоких энергий в морской воде можно обнаружить акустически.

Другие приложения

Другие приложения включают в себя:

• измерение интенсивности дождя
• измерение скорости ветра
• глобальная термометрия
• мониторинг газообмена океан-атмосфера
• Система датчиков буксируемой антенной решетки наблюдения
• Акустический доплеровский профилометр тока для измерения скорости воды
• Акустическая камера
• Жидкий звук
• Пассивный акустический мониторинг

См. также

• Биоакустика - исследование звука, связанное с биологией.
• Кембриджский интерферометр - интерферометр радиотелескопа, построенный в начале 1950-х годов к западу от Кембриджа, Великобритания. Страницы, отображающие описания из Викиданных в качестве запасного варианта.
• Эхолот – измерение глубины воды путем передачи звуковых волн в воду и определения времени возврата. Страницы с краткими описаниями целей перенаправления.
• Рыболовная акустика
• Исследование океана - часть океанографии, описывающая исследование поверхности океана.
• Сеть отслеживания океана
• Преломление (звук) – изменение направления распространения из-за изменения скорости.
• Сонар – метод акустического зондирования
• Система подводного акустического позиционирования - Система слежения 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.

Ссылки

Библиография

• Гаррисон, Том С. (1 августа 2012 г.). Основы океанографии . Cengage Обучение. 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 . Университетское издательство Флориды. ISBN  978-1-61610-045-2 .

Дальнейшее чтение

• Обеспечение качества гидроакустических исследований: повторяемость оценок численности рыбы и биомассы в озерах внутри гидроакустических систем и между ними (бесплатная ссылка на документ)
• Гидроакустика как инструмент оценки биомассы и распределения рыб по размерам, связанных с дискретными мелководными устьевыми местообитаниями в Луизиане.
• Акустическая оценка запасов кальмаров
• Краткое описание использования гидроакустики для количественного определения необлавливаемых взрослых лососевых рыб (Oncorhynchus и Salmo spp.) в реках. Рэнсом, Б.Х., С.В. Джонстон и Т.В. Стейг. 1998 г. 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 планктонных ресурсов. Торкельсон, Т.К., Т.К. Остин и П.Х. Вейбе. 1998. Представлено на 135-м собрании Акустического общества Америки и 16-м заседании Международного акустического конгресса, Сиэтл, Вашингтон.
• Акустика без упаковки Отличный справочник по пресноводной гидроакустике для оценки ресурсов.
• Взаимная калибровка научных эхолотов Великих озер
• Гидроакустическая оценка нерестовых скоплений красной лани у побережья Пуэрто-Рико в 2002 и 2003 гг.
• Оценка осуществимости гидроакустических методов расщепленного луча для мониторинга взрослой коротконосой осетровой рыбы в реке Делавэр
• Классификация миграционного поведения лосося с использованием характеристик акустических данных разделенного луча
• Оценка методов оценки численности производителей сельди в озере Верхнее
• Оценка потока и численности смолты нерки с помощью сонара бокового обзора
• Исследования сельди: использование акустики для подсчета рыбы.
• Гидроакустические применения в озерной, речной и морской среде для изучения планктона, рыбы, растительности, классификации субстрата или морского дна, а также батиметрии.
• Гидроакустика: реки (в: Справочнике по протоколам полевых исследований лососевых рыб: глава 4)
• Гидроакустика: озера и водохранилища (в: Справочнике 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 Океанографического института Вудс-Хоул
• Звук в море
• Группа исследований подводной акустики ЮФГУ
• Открытие звука в море
• Исследования морской акустики