Transcript Document

Fizyka morza
Elementy akustyki morza 2
A. Krężel, fizyka morza - wykład 13
2015-04-08
1
Prędkość dźwięku w morzu
Podstawowym w fizyce wzorem określającym prędkość rozchodzenia się fal
sprężystych, jakimi są fale dźwiękowe w ośrodku, jest wzór (Newtona-Laplace’a):
 p 
1
c2    
   0k p,Q
gdzie kp,Q - współczynnik, ściśliwości adiabatycznej ośrodka; ρ0 - gęstość ośrodka
niezaburzonego przez fale.
Z wzoru wynika, że wzrost ściśliwości i wzrost gęstości ośrodka powodują
spadek prędkości dźwięku. W morzu
– gęstość ośrodka wzrasta najczęściej nieliniowo wraz z głębokością
w wyniku wzrostu ciśnienia i spadku temperatury
– współczynnik ściśliwości kp,Q najczęściej maleje wraz z głębokością
w wyniku tego samego wzrostu ciśnienia, lecz rośnie w wyniku spadku
temperatury.
Zależność komplikowana jest dodatkowo przez zróżnicowane pionowe rozkłady
zasolenia wody.
A. Krężel, fizyka morza - wykład 13
2015-04-08
2
Prędkość dźwięku w morzu
Stwierdzono, że prędkość dźwięku w oceanie waha się w pobliżu
powierzchni w przedziale wartości 1430÷1540 m/s, a na dużych
głębokościach sięga 1580 m/s. Najsilniejszy wpływ na zmiany tej
prędkości ma temperatura.
 W typowych warunkach oceanicznych spadkom temperatury wraz
z głębokością w górnej warstwie oceanu towarzyszy spadek
prędkości dźwięku o ok. 3.5 m/s na 1°C, głównie na skutek
wzrostu gęstości wody.
 Wzrostowi zasolenia wraz z głębokością odpowiada wzrost
prędkości dźwięku o ok. 1.3 m/s na 1 PSU, do czego przyczynia
się silniejszy wpływ wzrostu zasolenia na spadek ściśliwości niż na
wzrost gęstości.
 Wzrost ciśnienia hydrostatycznego wraz z głębokością w oceanie
powoduje wzrost prędkości dźwięku o ok. 1.8 m/s na 100 m słupa
wody; dzieje się tak ze względu na silniejszy wpływ ciśnienia na
spadek ściśliwości niż na wzrost gęstości wody morskiej.
A. Krężel, fizyka morza - wykład 13
2015-04-08
3
Wzór Wilsona
Najbardziej rozpowszechnionym uznanym za najbardziej dokładny jest wzór empiryczny
Wilsona (1960), ustalający zależność prędkości dźwięku w wodzie morskiej c [m/s] od
temperatury T[°C], zasolenia S [‰] i ciśnienia P [kG/cm2]. Wzór ten ma postać wielomianu:
c(S,T,P) = 1449.14 + cS + cT + cP + cS,T,P
gdzie 1449,14 m/s = c (35, 0, 0) jest prędkością dźwięku w standardowych warunkach, przyjętych
dla wody oceanicznej o zasoleniu 35‰ w temperaturze 0°C i przy ciśnieniu atmosferycznym.
Pozostałe składniki tego wzoru wyrażają poprawki na inne warunki, odbiegające od
standardowych:
cS = 1.3980 (S – 35) + 1.692·10-3 (S – 35)2
cT = 4.5721T – 4.4532·10-2 T2 – 2.6045·10-4 T3 + 7.985·10-6 T4
cp = 1.60272·10-1 P + 1.0268·10-5 P2 + 3.5216·10-9 P3 – 3.3603·10-12 P4
cS,T,P = (S – 35) (–1.1244·10-2 T + 7.7711·10-7 T2 + 7.7016·10-5 P – 1.2943·10-7 P2 +
+3.1580·10-8 PT + 1.5790·10-9 PT2) + P(–1.8607·10-4 T + 7.4812·10-6 T2 +
+ 4.5283·10-8 T3) + P2(–2.5294·10-7 T + 1.8563·10-9 T2) + P3(–1.9646·10-10)T
Dokładność wzoru Wilsona szacuje się na ± 0.3 m/s w zakresie zasoleń wody 0 < S < 37 ‰,
temperatur –4°C < T < 30°C i ciśnień 1 kG/cm2 < P < 1000 kg/cm2
A. Krężel, fizyka morza - wykład 13
2015-04-08
4
Wzór Wilsona
Wzór Wilsona nie uwzględnia:
– zróżnicowania składu soli w zbiornikach,
– zawartości gazów i stopnia nasycenia nimi
badanej wody,
– wpływu pęcherzyków gazu, wpływu substancji
organicznych,
– zależności prędkości dźwięku od częstości
drgań fali, czyli dyspersji dźwięku.
A. Krężel, fizyka morza - wykład 13
2015-04-08
5
Prędkość dźwięku w morzu
•
W tej sytuacji prostsze, mniej dokładne wzory empiryczne na zależność
c(S, T, P) mają podobne znaczenie praktyczne jak wzór Wilsona. Tak np.
Medwin (1975), znany autor wielu prac i monografii z hydroakustyki (np.
Clay i Medwin 1977), podaje zależność:
c = 1449.2 + 4,6 T – 0.055 T 2 + 0.00029 T 3 +
+ (1.34 – 0.010 T) (S – 35) + 1.58·10-6 PA
gdzie: c - prędkość dźwięku w wodzie morskiej [ms-1], T - temperatura wody [oC],
S - zasolenie [‰], PA - ciśnienie hydrostatyczne [Nm-2].
•
Przy zaniedbaniu ściśliwości wody ciśnienie PA na głębokości z w morzu
można prosto wyznaczyć z wzoru PA = A gz, gdzie A  (1 + S·10-3) · 103
kg·m-3, g = 9,8 m·s-2, z – głębokość w metrach
(1.58·10-6 PA=0.016 z)
A. Krężel, fizyka morza - wykład 13
2015-04-08
6
Propagacja dźwięku w morzu
•
•
•
podstawowe znaczenie dla propagacji dźwięku w morzu ma pionowy rozkład
prędkości propagacji c(z)
model poziomo uwarstwionego morza [c(x, y, z) = c(z)]
prawo Snella można zapisać w postaci:
cos0 cos1 cos2
cosn


 ...
c z0 
cz1 
c z 2 
c z n 
•
zmniejszając grubość poszczególnych warstw do nieskończenie małej
i oznaczając początkowy kąt propagacji wiązki przez ϑi możemy zapisać:
stałą ar można nazwać stałą prawa Snella dla danego promienia lub
parametrem promienia
A. Krężel, fizyka morza - wykład 13
2015-04-08
7
Trajektoria promieniowania
dz
dr 
sin 
dr
c
dt
dt 
dr
dz

cz  cz sin 
dz
dx 
tan 
A. Krężel, fizyka morza - wykład 13
2015-04-08
8
Trajektoria promieniowania
cos  ar cz 


sin   1  cos 
tan  
2
1/ 2


 1  a c z 
2 2
r
1/ 2
1  a c z 
1/ 2
2 2
r
ar c  z 
x
z
x  xi   dx  
xi
zi
ar c z dz
1  a c z 
2 2
r
1/ 2
t
z
ti
2 2
zi c  z  1  ar c  z 
t  ti   dt  

dz

1/ 2
A. Krężel, fizyka morza - wykład 13
2015-04-08
9
Trajektoria promieniowania
• Promień dźwięku w ośrodku poziomo uwarstwionym
zmieni kierunek zgodnie z prawem Snella. O ile
promień taki nie napotka przeszkody (granicy
ośrodka), to w pewnym miejscu swej drogi osiąga
punkt zwrotny – z biegu ku dołowi na bieg ku górze
(lub odwrotnie), czyli ulega całkowitemu
wewnętrznemu odbiciu w ośrodku. Całkowanie
trzeba więc wykonywać oddzielnie dla odcinków drogi promienia pomiędzy kolejnymi
punktami zwrotnymi.
• W punkcie zwrotnym promień przyjmuje kierunek poziomy, tzn. dz/dr=0;
sin ϑ=0. Wobec prawa Snella, warunek ten spełniony jest na głębokości z, na której
cos ϑo/c(zi)=1/c(z), czyli punkt zwrotny promienia na głębokości z opisuje warunek:
A. Krężel, fizyka morza - wykład 13
2015-04-08
10
Trajektoria promieniowania
Wygodnie jest używać przybliżeń funkcji c(z) w stosunku do jej rzeczywistego kształtu. Najczęściej stosuje się przybliżenia liniowe. Stosując takie przybliżenie do całkowania równań zastępujemy rzeczywistą postać
funkcji c(z) przez równanie prostej i obliczamy Δr i Δt dla każdej warstwy
osobno. Całkowita wartość rf-ri i tf-ti będzie sumą tych wartości cząstkowych. Weźmy dla przykładu warstwę między z1 i z2. W obrębie tej warstwy mamy:
gdzie b – stały gradient prędkości w obrębie badanej warstwy
A. Krężel, fizyka morza - wykład 13
2015-04-08
11
Trajektoria promieniowania
dla uproszczenia wprowadzamy nową zmienną przez podstawienie:
otrzymamy:
A. Krężel, fizyka morza - wykład 13
2015-04-08
12
Trajektoria promieniowania
wynikiem całkowania tych równań jest:
lub:
oraz
lub:
w warunkach izotermii
i stałego zasolenia b≈0.016z
A. Krężel, fizyka morza - wykład 13
2015-04-08
13
Trajektoria promieniowania
Woda arktyczna: S=35 psu, T=0°C. Określić kąt początkowy, czas
i zasięg wiązki promieniowania, która dotarła do głębokości 2000 m
i powróciła na powierzchnię.
• mamy:
c(z)=1449+0.016z [m/s]
c(0)=1449 m/s; c(2000)=1481 m/s
cos ϑi=1449/1481=0.9784
sin ϑi=0.2068; ϑi=78.1
a=cos ϑi/c(z1)=6.752×104s/m
na głębokości 2000 m: cos ϑf=1; sin ϑf=0
• obliczamy:
w=z+c(0)/b: w1=9.056×104 m; w2=9.256×104 m
• obliczamy:
t2-t1=13.11 s; r2-r1=19.14×103 m
• ostatecznie:
t=26.22 s; r=38.28×103 m
A. Krężel, fizyka morza - wykład 13
2015-04-08
14
Trajektoria promieniowania
Charakterystyczną cechą trajektorii promieni dźwięku
w morzu jest ich ciągła zmiana kierunku w taki sposób, że
zakrzywiają się zawsze w kierunku mniejszej prędkości c(z).
Jest to równoznaczne ze zmianami kształtu czoła fali, którego
elementy znajdujące się w obszarze ośrodka o większej prędkości rozchodzenia się dźwięku c(z2) wyprzedzają elementy
czoła fali znajdujące się w obszarze o mniejszej prędkości
c(z1)<c(z2).
A. Krężel, fizyka morza - wykład 13
2015-04-08
15
Trajektoria promieniowania
A. Krężel, fizyka morza - wykład 13
2015-04-08
16
Osłabianie energii akustycznej w morzu
Istnieje wiele analogii w opisie procesu osłabiania energii
akustycznej i elektromagnetycznej w wodzie morskiej.
Podobnie jak fala elektromagnetyczna, fala akustyczna jest
zarówno pochłaniana jak i rozpraszana. Zjawiska te są
powodowane przez samą wodę jak i przez rozpuszczone
i zawieszone w niej substancje. Podstawowe przyczyny
pochłaniania energii akustycznej to:
– lepkość molekularna cieczy
– przewodnictwo cieplne wody
– relaksacyjne procesy molekularne
A. Krężel, fizyka morza - wykład 13
2015-04-08
17
Absorpcja – lepkość molekularna cieczy
Zjawisko absorpcji wywołane lepkością molekularną cieczy opisuje
teoria Stokesa. Uwzględnia ona zjawisko tarcia występującego pomiędzy
elementami cieczy w wyniku przesuwania się ich w ruchu oscylacyjnym
wywołanym przechodzeniem fali akustycznej. Pod koniec XIX wieku
Stokes otrzymał następujące wyrażenie na wielkość charakteryzującą
stratę energii fali akustycznej w tym procesie:
  I  
4  2

3
3 c
gdzie: η - współczynnik molekularnej lepkości dynamicznej, c - prędkość
dźwięku
A. Krężel, fizyka morza - wykład 13
2015-04-08
18
Absorpcja – przewodnictwo cieplne cieczy
Teoria Kirchhoffa zakłada, że proces przejścia fali przez element
ośrodka nie ma charakteru adiabatycznego. Elementy ośrodka
rozgrzewające się w fazie sprężania przez przechodzącą falę akustyczną
przekazują ją na zasadzie powstania różnicy temperatur chłodniejszym
elementom znajdującym się w fazie rozprężania. Zgodnie z zasadą
zachowania energii, praca wykonana przez ciśnienie akustyczne czoła fali
nie zostaje w całości zwrócona jako praca sił sprężystości tego ośrodka.
Wielkość tej straty zależy od prędkości przepływu ciepła, czyli od
wielkości molekularnego współczynnika przewodnictwa ciepła γ:
 I 
  1 2


3
CV c 
gdzie χ jest stosunkiem Cp/CV
Straty energii z tego powodu są znacznie (ok. 1000 razy) mniejsze niż
spowodowane lepkością ośrodka
A. Krężel, fizyka morza - wykład 13
2015-04-08
19
Absorpcja – procesy relaksacyjne
Pod wpływem zwiększonego ciśnienia spowodowanego
przejściem fali akustycznej może nastąpić transformacja
cząstek do nowej struktury, połączenie cząstek w asocjaty
lub nawet zmiana struktury chemicznej (np. dysocjacja
i uwodnienie jonów). Czas potrzebny na ustawienie się
cząstek w tę nową strukturę określany jest jako czas
relaksacji. Stwierdzono, że największa strata energii
następuje kiedy okres fali akustycznej równy jest czasowi
relaksacji. Znaczące oddziaływanie relaksacyjne w wodzie
morskiej odkryto dotychczas jedynie dla 3 procesów
molekularnych.
A. Krężel, fizyka morza - wykład 13
2015-04-08
20
Absorpcja – procesy relaksacyjne
1) przemian strukturalnych grup cząstek w czystej wodzie
z czasem relaksacji τrw=10-11s
2) przemian strukturalnych siarczanu magnezu MgSO4:
MgSO4⇆Mg2++SO42SO42- +2H2O⇆H2SO4+2OHz czasem relaksacji τrMg,1≈10-5s oraz τrMg,2≈2×10-8s
3) przemian strukturalnych kwasu bornego B(OH)3 z czasem
relaksacji τrB≈10-3s
A. Krężel, fizyka morza - wykład 13
2015-04-08
21
Absorpcja – procesy relaksacyjne
Znacząca absorpcja dźwięku wywołana zjawiskiem relaksacji
ma miejsce w przypadku fal o częstotliwościach zbliżonych
do:
– 105 MHz na skutek przemian strukturalnych wody
(ν=1/τrw)
– 100 kHz i 200 kHz w wyniku przemian strukturalnych
MgSO4
– 1 kHz w wyniku oddziaływania kwasu bornego
A. Krężel, fizyka morza - wykład 13
2015-04-08
22
Absorpcja
Można wyprowadzić wyrażenie na współczynnik pochłaniania
dźwięku w procesie relaksacji w postaci:
  I  r  2  e  r   Aj
j
2  j
1  2 2j
gdzie τj - czasy relaksacji omówionych procesów, Aj - frakcja
cząsteczek ośrodka uczestnicząca w j-tym stopniu lub rodzaju
procesu relaksacji podzielona przez prędkość dźwięku.
A. Krężel, fizyka morza - wykład 13
2015-04-08
23
Absorpcja
Całkowity współczynnik
pochłaniania dźwięku będzie sumą
przedstawionych procesów:
    I     I      I r 
2  j
4  2
  1 2

 
   Aj
3 c 3
CV c 3 
1  22j
j
A. Krężel, fizyka morza - wykład 13
2015-04-08
24
Rozpraszanie dźwięku w morzu
• Centrami rozpraszającymi fale dźwiękowe są cząstki
o innych niż otoczenie właściwościach mechanicznych (innej
zdolności do deformacji sprężystych i innej zdolności do
oscylacyjnego ruchu). W morzu są to organizmy morskie
i pęcherzyki gazów.
• Mechanizm rozpraszania dźwięku na cząstkach małych
w porównaniu z długością fali odznacza się podobieństwem
do rozpraszania światła opisywanego teorią Rayleigha
– cząstka musi w całości mieścić się w polu ciśnień fali tak
aby wszystkie jej elementy drgały w jednakowej z tą falą
fazie tworząc w całości pojedynczy obiekt drgający.
A. Krężel, fizyka morza - wykład 13
2015-04-08
25
Rozpraszanie dźwięku w morzu
Sferyczna cząstka rozpraszająca o promieniu r0≪λ pod wpływem ciśnienia
fali akustycznej ulegać może dwom rodzajom drgań wymuszonych:
1) drganiom sprężystym (pulsacje objętości) - decyduje
o nich stosunek ściśliwości otaczającego ośrodka do ściśliwości cząstki tzw. współczynnik elastyczności
2) drganiom oscylacyjnym (periodyczne przemieszczanie się w ośrodku) decyduje o nich stosunek gęstości cząstki do gęstości otaczającej ją wody
Obydwa rodzaje drgań są źródłem nowych fal ciśnień, które rozchodzą się
w ośrodku jako fale rozproszone; tak więc fala rozproszona ma dwie
składowe - jedną powstałą w wyniku pulsacji objętości cząstki i drugą
powstałą w wyniku oscylacji tej cząstki w ośrodku.
A. Krężel, fizyka morza - wykład 13
2015-04-08
26
Rozpraszanie dźwięku w morzu
Funkcja rozpraszania dźwięku na małych cząstkach (podana przez
Rayleigha) ma postać:
 R r  
kr0 
4
π
 e  1   d  1 


cos

r
 3e   2d  1 






2
gdzie: r0 - promień obiektu rozpraszającego;
e = (kp,Q)wody/(kp,Q)cząstki – stosunek współczynników ściśliwości
adiabatycznej;
d = cząstki/wody – stosunek gęstości;
k = 2/ - liczba falowa w wodzie;
r - kąt rozpraszania, tj. kąt pomiędzy kierunkiem fali padającej
i kierunkiem obserwacji fali rozproszonej
A. Krężel, fizyka morza - wykład 13
2015-04-08
27
Rozpraszanie dźwięku w morzu
2
2

e

1
1
d

1


 
2
4 6 
 R  πr0  r  dΩ  4πk r0 
  
 
3
e
3
2
d

1



 

4π
A. Krężel, fizyka morza - wykład 13
2015-04-08
28
Rozpraszanie dźwięku w morzu
• Szczególnie silnie osłabiane jest promieniowanie akustyczne
gdy obiektami rozpraszającymi są pęcherzyki gazów pobudzone
przez falę akustyczną do tzw. drgań własnych czyli
rezonansowych. W takim przypadku amplituda pulsacji
pęcherzyków, a tym samym rozpraszanie fali gwałtownie rosną.
• Rozpraszanie dźwięku przez małe pęcherzyki w wodzie jest
praktycznie izotropowe, ponieważ w jego mechanizmie
dominują radialne pulsacje, a drgania oscylacyjne są bardzo
słabe.
A. Krężel, fizyka morza - wykład 13
2015-04-08
29
Rozpraszanie dźwięku w morzu
Do najistotniejszych różnic pomiędzy zachowaniem się fal
akustycznych i elektromagnetycznych w wodzie zaliczyć można:
• osłabianie - fale elektromagnetyczne osłabiane są znacznie
słabiej niż elektromagnetyczne
• charakter rozchodzenia się - fale elektromagnetyczne rozchodzą
się praktycznie po liniach prostych podczas gdy akustyczne
silnie załamują się na wszelkich niejednorodnościach
temperatury, zasolenia i oczywiście ciśnienia
A. Krężel, fizyka morza - wykład 13
2015-04-08
30