Гигантский акустический волновод в океане

С давних времен и по сей день на морских и речных судах команды с капитанского мостика в машинное отделение передаются при помощи так называемой переговорной трубы. Затухание звука в воздухе при распространении по такой трубе очень мало. Переговорная труба является ярким примером акустического волновода — канала, в котором звуковые волны распространяются в определенном направлении практически без ослабления.

Оказывается, аналоги таких волноводов при определенных условиях могут возникать в морях и океанах. Ученые назвали такие «волноводы» «подводными звуковыми каналами» (сокращенно — ПЗК). Распространяющиеся по таким каналам звуковые волны могут быть приняты за тысячи километров от их источника.

Каков же механизм образования такого волновода, и что в нем служит отражающими границами? Поверхность океана и его дно служить такими границами не могут из-за того, что звук на них сильно рассеивается или поглощается. Исследователи выяснили, что границами гигантского подводного волновода служат слои воды, которые на разных глубинах обладают разными свойствами, благодаря чему скорость звука в океане зависит от глубины.

С глубиной увеличивается гидростатическое давление, что, в свою очередь приводит к росту скорости звука. При понижении температуры скорость звука убывает. В океане температура воды сначала довольно быстро падает по мере удаления от поверхности, а на большой глубине температура воды становится практически постоянной. Совместное влияние этих факторов приводит к сложной зависимости скорости звука от глубины, которая показана на графике.

Вначале вблизи поверхности океана преобладающее влияние оказывает быстрое падение температуры — поэтому в верхних слоях воды скорость звука с уменьшается с ростом глубины z. По мере погружения температура меняется все медленнее, а гидростатическое давление продолжает возрастать. На некоторой глубине zm влияние этих двух факторов уравновешивается — на данной глубине скорость звука минимальна. При дальнейшем погружении скорость звука начинает возрастать за счет роста гидростатического давления.

Чтобы понять, как распространяются звуковые лучи в океане, обратимся к оптической аналогии. Из закона преломления света следует, что в среде с изменяющимся показателем преломления (т. е. при изменении скорости света в среде) световой луч искривляется. Точно по такому же закону происходит искривление «звуковых лучей» при распространении звука в неоднородной среде, в которой скорость звука меняется. Частный случай такой среды и представляет собой вода в море.

Предположим, что источник звука находится на глубине zm. Луч, идущий вдоль горизонтали z = zm, будет прямолинейным. А те лучи, которые выходят под некоторыми углами j к этой горизонтали, будут искривляться согласно закону преломления. Это явление называют рефракцией звука. Поскольку и выше, и ниже уровня zm скорость звука возрастает, звуковые лучи будут (в соответствии с законом преломления) искривляться в направлении горизонтали z = zm. В какой-то момент луч станет «параллельным» этой горизонтали, и, «отразившись», повернет обратно к ней.

Итак, рефракция звука в море приводит к тому, что некоторые звуковые волны, испускаемые источником, могут распространяться, не выходя на поверхность воды и не доходя до дна. А это и означает, что в такой среде реализуется волноводный механизм распространения звука — подводный звуковой канал. Роль «стенок» этого волновода выполняют слои воды на тех глубинах, где происходит «поворот» звукового луча.

Будет ли распространяться по подводному звуковому каналу (ПЗК) звуковой луч, испущенный из источника, находящегося на глубине 300 м, и направленный вертикально вверх?