6.2.3. Взаимодействие гидроакустических сигналов с границами

При простейшем описании влияния поверхности океана и его дна на акустические волны считается, что обе эти границы удерживают энергию акустических волн в пределах некоторого водяного столба. Поверхность океана, например, часто рассматривается как граница свободного пространства с коэффициентом отражения, равным а дно — как граница раздела с частично-твердым грунтом, для которой коэффициент отражения составляет, как правило, 0,01—(т. е. от —40 до —10 дБ). Хотя во

многих случаях такое описание границ является вполне достаточным, на самом деле происходящие на границах процессы носят намного более сложный характер, поэтому необходимо их рассмотреть более подробно.

Дно можно описать, указав, как оно отражает акустическую энергию (основной характеристикой является отражательная способность) и как рассеивает (или «размывает») энергию во времени. И отражательная способность, и временное рассеяние энергии являются частотно-зависимыми характеристиками. Для изучения отражательной способности дна было проведено множество экспериментов, которые позволили установить следующее [27— 30]. Наибольшие отражения наблюдаются от скалистого дна, покрытого сильно уплотненным мелким песком, а наименьшие — от илистого или грязевого дна. Важную роль играет также и топографический рельеф дна; если характерные размеры рельефа превышают одну восьмую длины звуковой волны, то может иметь место интерференция отраженных волн, которая приводит к усилению или ослаблению отражения от дна. Особенно сильным будет влияние топографического рельефа на высоких частотах (т. е. на коротких волнах), где не требуется, чтобы размеры рельефа были большими. К числу важных параметров относится также и угол скольжения звуковой волны, через который записывается обычно аппроксимируемая законом Ламберта индикатриса рассеяния, имеющая в этом случае вид , где — угол скольжения. При малых углах скольжения эта зависимость сглаживается за счет влияния рефракции.

Степень временного рассеяния (размытия) акустической энергии от дна сильно зависит от частоты сигнала. На высокой частоте (например, при частоте глубиномера 12 кГц) обычно наблюдается размытие, не превышающее (оно соответствует распространению по двум трассам и эквивалентно расстоянию На частоте чаще всего используемой в гидролокации, время проникновения волны составляет т. е. глубина проникновения приблизительно равна Для изучения ближайшего к воде донного слоя можно воспользоваться эхолотом, работающим на частоте Так как сейсмические сигналы имеют спектральные компоненты на частотах ниже 100 Гц, то они могут проникать глубоко под дно океана. Современные сейсмические системы обеспечивают обнаружение отражений от сейсмических границ в недрах Земли на глубинах 10—20 км и рефракций на глубинах 30—50 км (подробнее об этом см. гл. 7). Важной особенностью работы гидролокационных систем, когда часть акустической энергии распространяется под дном океана, является то, что высокочастотные компоненты акустического сигнала сильно затухают в земных породах. Часто это затухание описывается произведением причем а может принимать значения в диапазоне

. В результате, несмотря на то что возможно проникновение акустических колебаний на очень большую глубину под дном океана, основная доля энергии отраженных волн, используемая в гидролокаторах, соответствует неглубокому проникновению акустической волны. На рис. 6.10 для иллюстрации сопоставлены отражения от морского дна, наблюдавшиеся в одном и том же месте на разных частотах.

При отражении акустической волны от водной поверхности также возникают эффекты, имеющие важное значение в гидролокационных системах. Отражательная способность границы вода — воздух велика просто из-за большой разницы акустических импедансов обеих сред. Кроме того, за счет неровностей водной поверхности может наблюдаться временное размытие сигнала, а из-за движения волны его спектр будет иметь доплеровское размытие. При малых углах скольжения могут сказываться и рефракционные эффекты. Вообще характер рассеяния акустической волны водной поверхностью определяется главным образом следующими тремя параметрами: скоростью ветра, углом скольжения и частотой сигнала. Основное влияние на частотную зависимость отраженной волны оказывает степень шероховатости поверхности, на которую падает акустическая волна. Если средняя высота волн водной поверхности, отнесенная к длине акустической волны, меньше чем то можно считать, что поверхность гладкая и является зеркально отражающей. Для более коротких длин волн и меньших углов скольжения можно воспользоваться многочисленными публикациями, посвященными теории рассеяния волн шероховатыми поверхностями [31—33]. Если гидролокационная система имеет широкую диаграмму направленности и работает на высоких частотах, необходимо учитывать также временное размытие сигнала, обусловленное различными задержками за счет многолучевого распространения через водную среду с неровной поверхностью.

Общее влияние эффектов, возникающих на границах водной среды, на обработку сигналов может быть очень значительным. В активных системах они часто обусловливают наибольшее размытие (или рассеяние) энергии акустических волн. Для пассивных систем все эти эффекты, как правило, не так важны, хотя в некоторых случаях влияние границ на затухание акустических волн вдоль трассы распространения от источника к приемнику может оказаться очень существенным.