Гидрология войны

Еще древние греки знали - если один конец огромной трубы опустить в воду, то на другом конце можно будет услышать корабль, бороздящий просторы Эгейского моря. А потом, конечно, сжечь его при помощи огромных зеркал, да. Но почему так?  

Картина А. Заикина "Подводная лодка “Саров”"

1 Звук в воде

Все дело в том, что вода - это идеальная среда для распространения акустических волн. Скорость звука в воде почти в пять раз выше, чем в воздухе. Но у водной среды, тем не менее, есть и другое немаловажное свойство - её неоднородность.

На распространение звуковых волн оказывают влияние множество факторов, среди которых:

- температура воды - с изменением температуры воды на 1 градус по Цельсию скорость звука в воде изменяется на 3 м/сек.;

- солёность воды - измеряется в промилле. Плюс/минус один промилле -соответствует изменению скорости звука на 1,2 м/сек. соответственно;

- величина давления - так как она напрямую зависит от глубины погружения, то нам проще считать, что каждые 30 метров скорость звука в воде увеличивается на 0,6 м/сек.

Наибольшие изменения этих величин наблюдаются в вертикальном (по глубине), а не в горизонтальном направлении. И, имея сведения о вертикальном распределении скорости звука, мы делаем вывод о типе гидрологии, который, в свою очередь, определяет траектории распространения звуковых лучей в воде.

Дельфины используют эхолокацию для поиска косяков рыб и общения между собой

Таким образом, для удобства анализа мы пренебрегаем изменениями скорости звука в горизонтальном отношении. Поэтому нам проще считать, что звук в воде распространяется не волнами, а лучами. В этом случае звуковой луч можно представить в виде линии, по которой движется какая-то точка звуковой волны. И если мы захотим выяснить, каким образом звук в воде будет распространяться от источника к приемнику - мы сможем нарисовать его траекторию.

Когда скорость звука с глубиной уменьшается, звуковые лучи искривляются вниз (отрицательная рефракция). Если скорость звука с глубиной возрастает, то звуковые лучи отклоняются вверх, изгибаясь в сторону слоя с более низкой скоростью звука (положительная рефракция).

Искривление траектории звуковых лучей всегда наблюдается в сторону, где есть слои с более низкой скоростью звука

Если дистанция между источником и приемником звука относительно невелика, лучи под воздействием рефракции искривляются незначительно, а потому допустимо изображать их в виде прямых линий. Рассмотрим на рисунке пример использования опускаемой ГАС вертолета для поиска подводной лодки.

Антенна ОГАС излучает звуковые сигналы, распространяющиеся по различным траекториям. Первым до цели приходит сигнал, проходящий по прямому лучу (1), за ним сигнал, отражённый от поверхности (2), следующим сигнал, отражённый от дна (3) и последним - сигнал, последовательно отражённый от дна и поверхности моря (4). Звук, отражённый от цели (эхо), возвращается к антенне по тем же самым лучам.

В природе встречаются области глубин, в которых скорость звука снижена до минимума. Как правило, это области с низкой температурой воды. Если мы поместим в такой области источник звука и отобразим на рисунке траектории звуковых лучей, то мы обнаружим, что часть этих лучей будет задерживаться границами сред с более высокой температурой, формируя таким образом звуковой канал, по которому звук способен распространяться на значительные расстояния.

Звуковой канал может быть сформирован в приповерхностном слое воды, как показано на рисунке выше. Если в районе наблюдается положительная рефракция, то звуковые лучи будут отклоняться вверх, к поверхности, с последующим отражением от нее. Если на глубине есть термоклин - слой температурного скачка, то звуковые лучи, покидающие источник звука под углами малыми к горизонту, отражаются от него и захватываются звуковым каналом. Таким образом, поверхность моря формирует верхнюю границу приповерхностного звукового канала, а термоклин - нижнюю.

Спасибо всем и подписывайтесь на канал!