Гидроакустика

Гидроаку́стика — раздел акустики, изучающий излучение, приём и распространение звуковых волн в реальной водной среде (в океанах, морях, озёрах и т. д.) для целей подводной локации, связи и т. п.

Главная особенность подводных звуков — их малое затухание, вследствие чего под водой звуки могут распространяться на значительно бо́льшие расстояния, чем, например, в воздухе.

Кроме затухания, обусловленного свойствами самой воды, на дальность распространения звуков под водой влияют рефракция звука, его рассеяние и поглощение различными неоднородностями среды, обусловленные разницей температур, солености или плотности воды^[1].

Термины и определения гидроакустики

Основная статья: Термины гидроакустики

Основная статья: Сокращения гидроакустики

Применение гидроакустики

Гидроакустика получила широкое практическое применение для решения задач подводной локации и связи. Поскольку эффективность систем передачи электромагнитных волн под водой на расстояниях более десятков метров незначительна^[1], гидроакустика является наиболее распространённым средством подводной связи.

Для этих целей пользуются звуковыми частотами от 300 до 10000 гц, и ультразвуками — от 20 000 гц и выше. В качестве излучателей и приёмников в звуковой области используются электродинамические и пьезоэлектрические излучатели и гидрофоны, а в ультразвуковой — пьезоэлектрические и магнитострикционные. Кроме звукоподводной связи гидроакустика применяется для:

• Обнаружения шумовых сигналов и определения направления на них;
• Излучения акустических сигналов, обнаружения отраженных сигналов и определения координат;
• Классификации обнаруженных сигналов.

Наиболее существенные применения гидроакустики:

• для решения военных задач (обнаружение надводных судов, подводных лодок, безэкипажных подводных аппаратов, торпед, водолазов^[1], мин и т.д.);
• морская навигация;
• звукоподводная связь;
• рыбопоисковая разведка;
• океанологические исследования;
• сферы деятельности по освоению богатств дна Мирового океана;
• использование акустики в бассейне (дома или в тренировочном центре по синхронному плаванию)
• тренировка морских животных.

Гидроакустические средства

Применение гидроакустики реализуется с помощью гидроакустических средств. Гидроакустическое устройство представляет собой техническое устройство или совокупность устройств, принцип действия которых основан на использовании акустических волн в водной среде. К гидроакустическим средствам можно отнести:

• Гидроакустические комплексы (гидроакустическая система), состоят из: гидроакустический буй, гидроакустическая станция и пр.;
• эхолоты — являются разновидностью гидролокаторов более узкого назначения;
• гидролокаторы;
• Шумопеленгаторы (пассивные средства подводного наблюдения) — определяют направление источника шума.

Площадная съемка

Имеется несколько особенностей использования средств площадной съёмки в мелководном море^[2]:

1. высокая плотность информации о глубинах внутри полосы обзора;
2. избыточность информации (несколько измеренных глубин в одной точке);
3. неравная точность информации (глубины внутри полосы обзора имеют разную точность).

Представление данных

В настоящее время существует несколько подходов к обработке и представлению данных площадных съёмок.

Традиционный подход, который чаще всего используется в настоящее время, унаследовал идеологию, принятую ещё со времен однолучевой батиметрии. Такой подход предполагает редактирование каждой отдельной глубины с использованием возможностей компьютерной техники. При этом на этапе окончательной обработки основное время уходит на интерактивное (ручное) редактирование полученных глубин. В итоге для представления на отчетном планшете отбираются только наименьшие глубины акватории, характеризующие сугубо «гидрографический» подход к съемке рельефа, направленный, прежде всего, на обеспечение безопасности мореплавания. При данном подходе теряется значительная часть полезной информации о микрорельефе, кроме того, достаточно сложно получить апостериорную оценку точности выполненной съемки.^[2]

Альтернативный подход к обработке данных площадных съемок, результаты которых могут быть использованы как для обеспечения безопасности мореплавания, так и для исследовательских целей, был предложен в последние годы. Взамен представления отдельных глубин предлагается создавать так называемую «навигационную поверхность» (Navigation Surface). Данная методология получила наименование CUBE (Combined Uncertainty and Bathymetiic Estimator) [37, 38, 39, 60]. Методика «CUBE» — это одна из разновидностей создания регулярной сети, когда в результате обработки кроме оценок глубин обеспечивается также получение оценки погрешности глубины в каждом узле грида. Методику «CUBE» возможно использовать и для фильтрации грубо ошибочных измерений, которые не удалось устранить на предшествующих этапах обработки.^[2]

Рефракция звука

Основная статья: Рефракция звука

Скорость распространения звука изменяется с глубиной, причём изменения зависят от времени года и дня, глубины водоёма и ряда других причин.

Звуковые волны, выходящие из источника под некоторым углом к горизонту, изгибаются, причём направление изгиба зависит от распределения скоростей звука в среде:

• летом, когда верхние слои теплее нижних, лучи изгибаются книзу и в большинстве отражаются от дна, теряя при этом значительную долю своей энергии;
• зимой, когда нижние слои воды сохраняют свою температуру, между тем как верхние слои охлаждаются, лучи изгибаются кверху и многократно отражаются от поверхности воды, при этом теряется значительно меньше энергии. Поэтому зимой дальность распространения звука больше, чем летом.

Вертикальное распределение скорости звука (ВРСЗ) и градиент скорости оказывают определяющее влияние на распространение звука в морской среде. Распределение скорости звука в различных районах Мирового океана различно и меняется во времени.
Различают несколько типичных случаев ВРСЗ:

• изотермия
• положительная рефракция
• отрицательная рефракция
• неоднородное распределение

Вследствие рефракции могут образоваться мёртвые зоны — области, расположенные недалеко от источника, в которых слышимость отсутствует.

Наличие рефракции может приводить и к увеличению дальности распространения звука — явлению сверхдальнего распространения звуков под водой.

Основная статья: Подводный звуковой канал

Рассеивание и поглощение звука неоднородностями среды

На распространение звуков высокой частоты, когда длины волн очень малы, оказывают влияние мелкие неоднородности, обычно имеющиеся в естественных водоёмах: пузырьки газов, микроорганизмы и т. д.

Эти неоднородности действуют двояким образом: они поглощают и рассеивают энергию звуковых волн. В результате с повышением частоты звуковых колебаний дальность их распространения сокращается. Особенно сильно этот эффект заметен в поверхностном слое воды, где больше всего неоднородностей.

Рассеяние звука неоднородностями, а также неровностями поверхности воды и дна вызывает явление подводной реверберации, сопровождающей посылку звукового импульса: звуковые волны, отражаясь от совокупности неоднородностей и сливаясь, дают затягивание звукового импульса, продолжающееся после его окончания.

Пределы дальности распространения подводных звуков так же ограничиваются собственными шумами моря, имеющими двоякое происхождение:

• часть шумов возникает от ударов волн на поверхности воды, от морского прибоя, от шума перекатываемой гальки и т. п.;
• другая часть связана с морской фауной (звуки, производимые гидробионтами: рыбами и др. морскими животными). Этим очень серьёзным аспектом занимается биогидроакустика.

ПО для гидрографии, гидролокации

Реального времени;

• PDS-2000 фирмы Reson Inc.
• SIS (Seabed Information System)) фирмы Kongsberg MaritimeJnc.
• HYPACK фирмы HYPACK
• HYSWEEP МАХ фирмы HYPACK
• QINS фирмы QPS

Постобработка:

• CARIS HIPS (Kongsberg Maritime)
• Neptune (Kongsberg Maritime)
• HYSWEEP (HYPACK)
• MBE (HYPACK)

См. также

• Подводный звуковой канал

Примечания

1. Слюсар В.И. Электроника в борьбе с терроризмом: защита гаваней. Часть 1. //Электроника: наука, технология, бизнес. – 2009. - № 5. - C. 68 - 73. [https://web.archive.org/web/20190717084018/http://slyusar.kiev.ua/slusar_harbor.pdf Архивная копия от 17 июля 2019 на Wayback Machine]
2. Фирсов Ю. Г. «Основы гидроакустики и использования гидрографических сонаров» — СПб.: Нестор-История, 2010. — 348 с. ISBN 978-5-98187-644-8

Ссылки

• Гидроакустика — статья из Большой советской энциклопедии.