Отражение и преломление акустических волн

При падении звуковой волны на границу раздела двух сред, акустические свойства которых различны, часть звуковой энергии отражается, а остальная, преломляясь, проникает в смежную среду (рис. 3). Это явление легко объясняется с позиции принципа Гюгенса - Френеля: волновое возмущение в любой точке акустического поля можно рассматривать как результат интерференции элементарных вторичных волн, излучаемых каждым элементом волновой поверхности.

 

Рисунок 3. Отражение и преломление звуковой волны

 

Если поверхность раздела двух сред значительно больше длины падающей на нее волны и является плоской или если размеры неровностей на этой поверхности значительно меньше длины падающей волны, то в этом случае применима лучевая акустика с законами геометрической оптики.

При некоторых значениях угла падения , угол преломления будет равен и звуковая волна уже не будет проходить во вторую среду. Дальнейшее увеличение угла приведет к обратному отражению в первую среду и наступит полное внутреннее отражение. Предельное значение угла , при увеличении которого наступает вышеуказанное явление, определяется из выражения

Поверхность морского и речного дна, как правило, не является ровной и идеально гладкой. Если размеры неровностей дна соизмеримы с длиной падающей волны, то наблюдаётся рассеянное диффузное отражение. Зеркальное отражение по законам геометрической акустики будет наблюдаться при неровностях дна, размеры которых или значительно превышают длину падающей волны, или значительно меньше ее.

 

Дифракция акустических волн.

Способность акустических волн огибать звуконепроницаемое препятствие называется дифракцией. Это явление объяснимо с позиции принципа Гюйгенса — Френеля. Действительно, пусть плоская звуковая волна встречает на своем пути звуконепроницаемую преграду (рис. 4). Каждая частица среды, находящаяся в звуковом поле, является источником вторичных элементарных сферических волн, которые, интерферируя, образуют результирующую волну, частично проникающую и за преграду. На каком-то расстоянии от преград фронт плоской волны восстановится.

Степень дифракции зависит от соотношения размеров препятствия и длины волны :

- за преградой образуется зона акустической тени, дифракция незначительна;

- зона акустической тени исчезает, дифракция проявляется достаточно сильно;

. - акустическое поле практически не нарушается.

Пользоваться законами геометрической акустики без учета дифракции можно лишь при размерах препятствий, превышающих .

 

 

Рисунок 4. Дифракция акустических волн

 

Реверберация

 

Послезвучание, или постепенно убывающий по силе звук, возникающий при работе гидроакустических систем в активном режиме в результате отражения и рассеяния звука границами раздела сред и слоев, а также различными неоднородностями водной среды, называется реверберацией.

Обычно различают объемную, донную и поверхностную реверберацию.

Под объемной подразумевается реверберация, вызванная рассеянием звука на неоднородностях, насыщающих толщу воды.

Поверхностная реверберация обусловлена рассеянием звука прежде всего газовыми пузырьками приповерхностного слоя и взволнованной поверхностью моря.

Донная реверберация возникает из-за рассеяния звука неровностями дна.

Реверберация существенно влияет на работу любых средств активной гидролокации, особенно при горизонтальном и наклонном зондировании, когда, как правило, излучаются импульсы большой мощности. Полезный сигнал может быть принят и выделен, если к моменту его прихода уровень реверберации окажется ниже уровня эхо-сигнала (рис. 5).

 

Рисунок 5. Изменение интенсивности реверберации во времени:

1- излучаемый импульс; 2- реверберация; 3- эхо-сигналы.

 

Поскольку полезный сигнал изменяется с расстоянием по тому же закону, что и объемная реверберация, снижение уровня объемной реверберации из-за уменьшения акустической мощности не приводит к изменению соотношения сигнал — помеха, а, следовательно, не способствует увеличению дальности действия гидроакустических устройств.

Хотя реверберация часто мешает работе гидроакустической аппаратуры, в ряде случаев она является источником полезной информации при оценке характеристик грунта и неровностей дна.