§ 5. Эксперименты по рассеянию звука на турбулентных неоднородностях

Первые эксперименты по изучению рассеяния звука атмосферной турбулентностью были проведены в 1959 и 1962 гг. [8] на сравнительно высоких звуковых частотах — Они проводились в импульсном режиме; рассеяние звука от объема V (рис. 7.6) воспринималось приемником, конструкция которого была такой же, как и излучателя (электростатические или конденсаторные излучатели И и приемники ). Размеры их были и ширина характеристики направленности по половинной мощности составляла несколько градусов. Расстояние от до равнялось (высота рассеивающего объема над землей ).

Рис. 7.6. Схема проведения измерений по рассеянию (импульсный метод) на атмосферной турбулентности (рассеяние из объема V, образующегося при пересечении характеристик направленности излучателя И и приемника П).

Эксперименты привели к результатам, которые спустя некоторое время хорошо были объяснены теорией рассеяния, изложенной выше и приводящей к формуле (4.15). Это относится как к абсолютным значениям , так и к зависимости от условий состояния атмосферы (подробнее см. [141).

Большой шаг вперед в экспериментальном исследовании явлений рассеяния и вообще в атмосферной акустике был сделан в 1968 г. [28, 29], когда были использованы сравнительно низкие звуковые частоты — 1000 Гц и ниже, позволившие при входной мощности двухваттных динамиков с диаметрами около 20 см) зондировать атмосферу до высот 1,5 км, а в дальнейшем и до 3 км. В этой установке излучатель (он же был и приемником) посылал импульс вертикально вверх. Излучение и прием производились в одной точке. Выход с усилителя (требовалось повысит

отношение сигнал/шум) подавался на записывающее устройство. Наблюдалась картина изменчивости состояния атмосферы в реальном масштабе времени. Как уже было сказано, рассеяние назад в этой системе происходит преимущественно из-за рассеяния на температурных неоднородностях; поэтому измеряется профиль (заметный вклад вносит также рассеяние за счет наличия водяных паров, содержание которых зависит также от Т). Проносящиеся под действием ветра температурные неоднородности рассеивают звук, и запись дает хорошее представление об их характере.

По существу, мы имеем своего рода «эхолот» (сонар), используемый для измерения глубины моря. Только в случае эхолота движется судно и записываются неровности дна; в рассматриваемом же случае зондирующее устройство (которое мы будем называть эхосонаром) неподвижно, а мимо него движутся (проносятся) неоднородности температуры и влажности в атмосфере.

Такого рода наблюдения в определенной степени заменяют метеорологические радиозонды. С другой стороны, они дают непрерывную и длительную во времени картину состояния атмосферы (наличие внутренних волн, слоистости атмосферы и т. д.).

Имеются работы, в которых сопоставляются данные, получаемые с «эхосонара», с данными оптического зондирования атмосферы лучом лазера. Широко применяется радиолокационная техника для получения данных по рассеянию СВЧ на звуковом луче эхосонара, так называемый радиоакустический сонар [27—29] (радиоакустическое зондирование). Основой этого метода служит дифракция зондирующего, бегущего со скоростью света радиоимпульса на звуковом импульсе, представляющем собой дифракционную решетку. Максимум рассеяния радиоволн при этом будет в том случае, когда длина радиоволны и длина волны звука К удовлетворяет брэгговскому условию . При этом рассеянные волны складываются синфазно, происходит отражение СВЧ импульса от всей движущейся дифракционной решетки.

Система акустического зондирования может быть применена и для исследования неоднородностей показателя преломления, вызванного турбулентностью в море, в том числе для исследования внутренних волн. Используя усовершенствованный эхолот, можно «рассматривать» слабые сигналы рассеяния звука от неоднородностей морской воды (изменение плотности, температуры, скорости звука, солености [30]). Весь этот цикл работ наряду с данными, полученными другими методами, показал, что об атмосфере и об океане лишь в самом грубом приближении можно говорить как о средах, где имеется изотропная турбулентность. В действительности обе эти среды являются существенно анизотропными, главным образом слоисто-анизотропными; турбулентные неоднородности оказываются вытянутыми преимущественно в направлении потока, представляя собой образования в виде «лепешек» или «блинов» [31]. Следует думать, что такие представления об особенностях поля турбулентных пульсаций составят обширное поле дальнейших исследований по проблеме «турбулентность и волны».