Фізична сутність звуку
Дія гідроакустичних приладів засноване на явищі поширення звукових хвиль в рідині. У зв'язку з цим теорію ГА можна визначити як теорію поширення звукових (акустичних) хвиль в морській воді, як теорію випромінювання звукових хвиль і як теорію прийому звукових хвиль.
В даний час існує декілька методів вивчення цих явищ. Найбільш повне уявлення про поширення ГАВ дає хвильова гідроакустика, заснована на законах гідромеханіки. При вивченні гідроакустичних приладів найбільш повне уявлення дає геометрична ГА без великих математичних висновків.
При вивченні гідроакустичних приладів ми будемо використовувати обидві.
Пристрої для створення ГАВ в морській воді називаються гидроакустическими вібраторами - випромінювачами.
Пристрої для прийому ГАВ називаються гидроакустическими антенами.
У всіх сучасних ехолота застосовуються тільки гідроакустичні антени.
Ехолоти вимірює глибину під кілем судна. Принцип його роботи заснований на вимірюванні часу проходження звуковою хвилею відстані від днища судна в напрямку дна і назад, і перерахунку виміряного звукового інтервалу в значення глибини з подальші реєстрацією в електронному вигляді або у вигляді позначки на папері.
Звук. як фізичний процес, являє собою окремий випадок механічних коливань частинок упругойматеріальнойілі іншого середовища (морської води).
В процесі коливань коливальна система буде передавати частину своєї енергії оточуючим її часткам морської води. Останні можна представити як тверді елементи, які пов'язані між собою пружними зв'язками.
Частинки середовища взаємопов'язані. В реальних умовах всередині середовища діють не тільки сили пружності, але і сили внутрішнього тертя, тому після зникнення обурює впливу ці коливальні рухи швидко загасають.
Зсув частинок характеризується величиною ξ (ксі) або ЗМІЩЕННЯМ частинок.
Відхилення від свого положення рівноваги
Якщо обурює сила носить періодичний характер, то процес поширення хвиль буде гармонійним.
Простір, на якому виявляються акустичні процеси називається звуковим полем.
Слід мати на увазі, що для акустичного поля, якщо відхилення частинок малі в порівнянні зі стаціонарними відхиленнями, то можна застосувати метод СУПЕРПОЗИЦІЇ (складаємо 2 простих процесу і розглядаємо як один або навпаки).
До потужним звуковим полях принципи суперпозиції неприйнятний, тому що виникає взаємодія звуку излученного зі звуком відбитим, при цьому виникають різні нелінійні ефекти, які спотворюють звуковий поле. У цьому випадку застосовується нелінійна акустика.
Класифікація звукових хвиль.
Звукові хвилі розрізняються по виду, формі і частоті. Зокрема можна назвати 3 види хвиль:
У рідини, де неможливі деформації зсуву можуть поширюватися тільки поздовжні хвилі.
Форма звукової хвилі визначається видом фронту звукової хвилі.
ФРОНТОМ хвилі називають деяку уявну поверхню, всі точки якої коливаються в однаковій фазі.
Лінії, нормальні фронту хвилі, що збігаються з напрямком її поширення, називають звуковими променями.
Звукові хвилі можуть бути правильної і неправильної форми. До перших відносяться сферичні, циліндричні і плоскі хвилі.
Залежно від частоти коливання акустичні хвилі поділяються на:
- інфразвукові - менше 16 Гц;
- ультразвукові - більше 20 кГц.
При певних умовах гідроакустика дозволяє знехтувати хвильової характеристикою звуку, а замість хвилі розглядати переміщення її фронту або її елементарної ділянки вздовж її променя.
Основні положення цього методу розробив канадський вчений Гюйгенс стосовно до поширення звуку виходячи з пануючої тоді нової теорії Ньютона.
Геометрична акустика добре узгоджується з хвильової теорії, якщо акустична неоднорідність не відчувається в межах довжини хвилі.
Параметри звукового поля
Поширення звуку в морській воді є складним процесом, що супроводжується різними фізичними явищами:
1. Частинки рідини не захоплюються звуковою хвилею; вони лише здійснюють коливальні рухи щодо свого положення рівноваги, передаючи обурення сусіднім частинкам.
2. Швидкість звуку C не дорівнює швидкості U коливання частинок середовища; вона збігається зі швидкістю передачі обурення.
Швидкість звуку = швидкості передачі обурення.
Коливальна швидкість - зовсім інше.
3. При розподілі обурення в звуковому полі утворюється правильно чергується ряд згущені і розрядження рідини. Цей процес супроводжується зміною тиску і щільності середовища.
Звуковий процес (ЗП) - це хвильовий процес, тому можна ввести поняття звукової хвилі і характеризувати звукову хвилю деякими параметрами:
1. Однією з головних характеристик ЗП є звуковий тиск. яке визначається формулою:
де Р1 - тиск при наявності джерела звуку;
Р0 - статичний тиск при відсутності ЗВ;
Р - надлишковий тиск.
2. Коливальна швидкість:
де U - величина зміщення частинок щодо положення рівноваги.