CƠ SỞ ÂM HỌC ĐẠI DƯƠNG ( BIÊN DỊCH PHẠM VĂN HUẤN ) - CHƯƠNG 1 pps

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI BREKHOVSKIKH L M., LYZANOV IU P CƠ SỞ ÂM HỌC ĐẠI DƯƠNG FUNDAMENTALS OF OCEAN ACOUSTICS THIRD EDITION BIÊN DỊCH: PHẠM VĂN HUẤN L M Brekhovskikh Yu P Lyzanov NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI Springer-Verlag New York - 2003 MỤC LỤC Chương Sự phản xạ âm từ bề mặt đáy đại dương: sóng phẳng 3.1 Các hệ số Phản xạ truyền qua mặt phân cách hai chất lỏng 3.2 Sự truyền sóng âm từ nước vào khơng khí ngược lại 3.3 Sự phản xạ sóng âm từ đáy đại dương gồm lớp lỏng 3.4 Sự phản xạ âm từ vật rắn 3.5 Sự phản xạ từ môi trường phân lớp liên tục Chương Sự phản xạ âm từ bề mặt đáy đại dương: Nguồn điểm 4.1 Trường âm nguồn định vị gần mặt nước 4.2 Khai triển sóng cầu thành sóng phẳng 4.3 Sóng phản xạ 4.4 Sóng bên (Lateral wave) 4.5 Phản xạ từ nửa không gian bất đồng phân lớp: vùng tụ tia Chương Đại dương môi trường âm 1.1 Tốc độ âm nước biển 1.2 Các trắc diện thẳng đứng tiêu biểu tốc độ âm điều kiện truyền âm tương ứng 1.3 Sự hấp thụ âm 1.4 Sự biến động đại dương hệ tới trường âm 1.5 Mặt đại dương 1.6 Sự tản mát âm mặt đại dương 1.7 Tản mát âm bọt khí 1.8 Các lớp tản mát sâu 1.9 Đáy đại dương 1.10 Tiếng ồn môi trường xung quanh 1.11 Các thấu kính ngoại nêm nhiệt 9 11 22 26 39 42 45 48 50 54 58 Chương Lý thuyết tia trường âm đại dương 2.1 Phương trình sóng cho mơi trường bất đồng 2.2 Sự khúc xạ tia âm 2.3 Khoảng cách phương ngang tia 2.4 Xấp xỉ građien không đổi trắc diện tốc độ âm 2.5 Cường độ âm, nhân tố tiêu điểm điểm tụ âm 2.6 Sự khúc xạ ba chiều 2.7 Định luật Snells đại dương phụ thuộc khoảng cách 2.8 Thám sát cắt lớp âm đại dương 2.9 Các chùm tia phân kỳ yếu 61 61 67 71 72 75 80 86 90 97 103 135 103 110 115 123 132 135 144 146 154 160 Chương Truyền âm nước nông 5.1 Biểu diễn tia trường âm lớp: Các nguồn ảo 5.2 Biểu diễn tích phân trường lớp 5.3 Các thức chuẩn đại dương với đáy phản xạ lý tưởng 5.4 Sự liên hệ biểu diễn trường khác 5.5 Các thức chuẩn chất lỏng hai lớp 5.6 Định luật suy yếu trung bình 169 169 173 176 182 184 188 Chương Kênh âm ngầm 6.1 Lý thuyết tia đơn giản kênh âm ngầm: hệ số bẫy kênh âm ngầm 6.2 Kênh âm ngầm chuẩn 197 197 206 6.3 Các vùng hội tụ 6.4 Trường nguồn điểm kênh âm ngầm tổng sóng (thức) chuẩn 6.5 Biểu diễn tích phân trường âm kênh âm ngầm 6.6 Biến đổi biểu diễn tích phân thành tổng thức chuẩn 6.7 Các thức chuẩn phép xấp xỉ WKB: tích phân pha 209 214 9.11 Sự tản mát âm từ bề mặt với hai quy mô độ gồ ghề 9.12 Kênh bề mặt với biên gồ ghề 9.13 Tiền âm vọng đại dương 9.14 Phép gần độ nghiêng bé sóng tản mát bề mặt gồ ghề 216 219 226 Chương Sự dẫn sóng phụ thuộc khoảng cách 7.1 Các thức chuẩn mơi trường phân lớp hồn tồn: Phương pháp dẫn sóng quy chiếu 7.2 Xấp xỉ đoạn nhiệt: Bất biến tia 7.3 Các tia mặt phẳng ngang 7.4 Phương pháp phương trình parabơn 249 250 Chương Sự truyền âm phản dẫn sóng 8.1 Kênh phản dẫn sóng tuyến tính lân cận bề mặt nước 8.2 Sự phản dẫn sóng đối xứng: Các tựa thức 8.3 Sự phản dẫn sóng đối xứng: sóng rìa 281 281 286 298 Chương Sự tản mát âm bề mặt gồ ghề 9.1 Tham số Rayleigh 9.2 Phương pháp nhiễu động bé (MSP) 9.3 Cường độ trung bình 9.4 Hệ số tản mát bề mặt đại dương 9.5 Phổ tần số trường tản mát 9.6 Hệ số phản xạ hướng phản xạ gương 9.7 Phương pháp mặt phẳng tiếp tuyến: Khái niệm 9.8 Trường trung bình 9.9 Hệ số tản mát âm tần cao 9.10 Phổ tần số 303 303 305 308 318 325 329 332 336 340 347 252 268 272 350 355 361 365 Chương 10.1 10.2 10.3 10.4 10 Truyền âm đại dương ngẫu nhiên Các thăng giáng biên độ pha Sự tản mát âm bất đồng ngẫu nhiên Các thăng giáng pha sóng nội Các thăng giáng q trình truyền nhiều đường 375 376 386 400 407 Chương 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11 Tản mát hấp thụ âm bọt khí nước Tản mát âm bọt đơn lý tưởng Tản mát hấp thụ âm bọt thực Phương sai tốc độ âm Tản mát âm bọt khí gần bề mặt biển Dao động tập hợp bọt 411 411 417 422 425 431 Tài liệu tham khảo 435 Chương Tốc độ âm tăng theo nhiệt độ, độ muối độ sâu Theo (1.1.1) độ muối tăng %o nhiệt độ 10 oC hay độ sâu tăng 100 m làm tăng tốc độ âm 1,2 m/s 1,6 m/s Gia số tốc độ âm ∆ c theo biến thiên ĐẠI DƯƠNG NHƯ MỘT MÔI TRƯỜNG ÂM nhiệt độ oC phụ thuộc vào giá trị nhiệt độ: Đại dương môi trường âm phức tạp Nét đặc trưng môi trường đại dương chất bất đồng Có hai loại bất đồng nhất, bất đồng có quy luật bất đồng ngẫu nhiên, hai ảnh hưởng mạnh tới trường âm đại dương Ví dụ, biến thiên tốc độ âm theo độ sâu dẫn tới hình thành kênh âm ngầm truyền âm giới hạn xa Những bất đồng ngẫu nhiên gây nên tản mát sóng âm thăng giáng trường âm 1.1 TỐC ĐỘ ÂM TRONG NƯỚC BIỂN Biến thiên tốc độ âm c đại dương tương đối nhỏ Thông thường c nằm 1450 1540 m/s Tuy nhiên biến thiên nhỏ c có ảnh hưởng đáng kể tới truyền âm đại dương Tốc độ âm đo trực tiếp chỗ thiết bị chuyên dụng máy đo tốc độ, tính theo cơng thức thực nghiệm biết nhiệt độ T , độ muối S áp suất thủy tĩnh P (hoặc độ sâu z ) Sai số đo máy đo tốc độ đại khoảng 0,1 m/s Độ xác tính cơng thức thực nghiệm hồn thiện khoảng Tuy nhiên cơng thức cho độ xác cao cồng kềnh Một phương trình xác đơn giản c = 1449,2 + 4,6T − 0,055T + 0,00029T + (1,34 − 0,010 T ) ( S − 35) + 0,016 z (1.1.1) Ở nhiệt độ T biểu diễn oC, độ muối S phần nghìn (%o), độ sâu z mét tốc độ âm c m/s Phương trình (1.1.1) áp dụng với o C ≤ T ≤ 35 o C , ≤ S ≤ 45 %o ≤ z ≤ 1000 m T ( o C) 10 15 20 25 30 ∆ c (m/s) 4,1 3,6 3,1 2,7 2,4 2,1 Khi nhiệt độ độ muối số, tốc độ âm tăng theo áp suất thủy tĩnh (građien thủy tĩnh tốc độ âm) Građien tương đối ( dc / dz chia cho c0 ) trường hợp 1,1 − 1,2 × (10 −5 m −1 ) Građien phương thẳng đứng tốc độ âm phần lớn khu vực đại dương khoảng số nghìn lần građien phương ngang, ngoại trừ vùng hội tụ hải lưu lạnh ấm, nơi građien phương ngang thẳng đứng Vậy bước xấp xỉ thứ xem đại dương môi trường phân tầng phẳng với đặc trưng biến thiên theo độ sâu khơng biến đổi mặt phẳng ngang Cịn ảnh hưởng sóng nội, rối quy mơ lớn, hải lưu số nhân tố khác làm nhiễu tranh phải xét riêng 1.2 CÁC TRẮC DIỆN THẲNG ĐỨNG TIÊU BIỂU CỦA TỐC ĐỘ ÂM VÀ ĐIỀU KIỆN TRUYỀN ÂM TƯƠNG ỨNG Chính hình dạng (trắc diện) đường cong c(z) phân bố građien tốc độ âm theo độ sâu, giá trị tuyệt đối tốc độ âm quan trọng truyền âm đại dương Với loại trắc diện c(z) , âm truyền xa hàng trăm hàng nghìn km, với loại khác, âm tần số truyền xa vài chục km chí χ max = [2 ( c0 − cm ) / cm ] / , Các trắc diện c(z) vùng đại dương khác khác chúng biến đổi theo thời gian Thăng giáng lớn quan sát lớp bên trên, chủ yếu biến thiên mùa ngày nhiệt độ độ muối Tại độ sâu lớn km biến thiên thẳng đứng nhiệt độ (cũng độ muối) thường yếu, nên tốc độ âm tăng hoàn toàn tăng áp suất thủy tĩnh Kết là, độ sâu lớn tốc độ âm tăng gần tuyến tính theo độ sâu Bây xem xét dạng trắc diện c( z) cịn cm c0 tốc độ âm trục biên kênh Do đó, hiệu c0 − c m lớn khoảng góc mở mà tia bị bẫy lớn, tức ống dẫn sóng hiệu dụng kiểu truyền âm tương ứng với chúng 1.2.1 Kênh âm ngầm (USC) Ở khu vực nước sâu, trắc diện c(z) tiêu biểu có dạng tốc độ âm cực tiểu độ sâu định z m (hình 1.1a) Độ sâu trục kênh âm ngầm Bên trục tốc độ âm tăng chủ yếu tăng nhiệt độ; bên tốc độ âm tăng chủ yếu tăng áp suất thủy tĩnh Nếu nguồn âm trục kênh âm ngầm lân cận đó, phần lượng âm bị bẫy kênh âm ngầm truyền phạm vi kênh, không tới đáy hay mặt đại dương, khơng bị tản mát hấp thụ biên Sơ đồ tia kênh âm ngầm dẫn hình 1.1b Các tia từ nguồn với góc mở nhỏ (góc tia mặt phẳng ngang) quay lại trục kênh nhiều lần Đây kiểu truyền sóng bị dẫn Kênh âm ngầm trường hợp đặc biệt ống dẫn sóng tự nhiên Trong khí có ống dẫn sóng âm tương tự Sự truyền sóng bị dẫn trường hợp hình 1.1 quan sát thấy khoảng độ sâu < z < z c Các độ sâu z = z = z c biên kênh âm ngầm Kênh bẫy tất tia âm từ nguồn (đặt trục) với góc mở χ < χ max , Nhiều cịn gọi kênh SOFAR Hình 1.1 Kênh âm ngầm loại ( c < c h ) (a) trắc diện c(z) , (b) sơ đồ tia Độ sâu trục kênh âm ngầm thường 1000-1200 m Ở vùng nhiệt đới hạ thấp tới 2000 m nâng lên gần tới mặt vĩ độ cao Tại vĩ độ trung bình (từ 60 oS đến 60 oN) tốc độ âm trục kênh âm ngầm biến thiên từ 1450 đến 1485 m/s Thái Bình Dương từ 1450 đến 1500 m/s Đại Tây Dương Nếu tốc độ âm bên trục kênh âm tăng theo áp suất thủy tĩnh, ta nói kênh âm kênh âm thủy tĩnh Tuy nhiên, số trường hợp đại dương kênh âm ngầm sinh diện khối nước ấm với độ muối cao bên trục kênh Kiểu kênh âm ngầm gọi kênh nhiệt Ví dụ, kênh âm nhiệt điển hình có biển Baltic Hắc Hải 10 Có hai loại kênh âm ngầm tùy thuộc vào tỷ số c0 / c h Trường hợp c0 < c h biểu diễn hình 1.1a Với khu vực nông ứng với trường hợp ngược lại c0 > c h (hình 1.2) Ở kênh âm ngầm mở rộng từ đáy độ sâu z c , nơi tốc độ âm c h Hai tia giới hạn biểu diễn hình 1.2b cho trường hợp Các tia bị bẫy không vượt lên khỏi độ sâu z c Chỉ tia phản xạ từ đáy đạt tới vùng Khoảng cách truyền âm cực đại kênh âm ngầm bị giới hạn chủ yếu hấp thụ nước biển Âm tần số đủ thấp bị hấp thụ tương đối ít, truyền khoảng cách hàng trăm hàng nghìn km Ví dụ, tín hiệu âm phát sinh từ nguồn 57 Hz đặt vị trí gần đảo Heard (Ấn Độ Dương) độ sâu 157 m (trục kênh âm địa phương) phát số điểm thu Ấn Độ Dương, Đại Tây Dương Thái Bình Dương cách xa 18 000 km (hình A.1.1) [1.2] Sự truyền âm gọi truyền âm đường dài Hình 1.2 Kênh âm ngầm loại ( c > c h ) (a) trắc diện c(z) , (b) sơ đồ tia Có đặc điểm lý thú trường hợp nguồn nằm gần mặt đại dương Trường hợp điển hình kênh âm ngầm “cấu trúc vùng” trường âm - xen kẽ vùng sáng vùng tối âm 11 thể rõ sơ đồ tia (hình 1.3) Các vùng tối ký hiệu A1, A2, , B1, B2, Các tia âm bị bẫy không xâm nhập vào vùng Khi nguồn tiến dần tới trục kênh âm, độ rộng vùng tối giảm độ rộng vùng sáng tăng lên Nếu độ sâu nguồn trục kênh âm trùng nhau, vùng tối biến độ sâu Sẽ có số tia âm đạt tới máy thu trường hợp máy thu nằm không xa trục kênh âm Sự truyền âm nhiều đường đặc điểm đặc trưng trường âm kênh âm ngầm Sự xuất lần thứ hai tia âm độ sâu nhỏ sau chúng bị phản xạ lớp sâu thường hội tụ tia tạo thành gọi điểm tụ âm (các đường đậm hình 1.3b) Những vùng gọi vùng hội tụ Nơi có mức cường độ âm cao Cấu trúc vùng khác biệt quan sát thấy khoảng cách xa Ở vùng nhiệt đới Đại Tây Dương, khoảng cách 400 300 km có tới 37 vùng hội tụ phát (tần số: 13,89 Hz) [1.3] Tại khoảng cách lớn hơn, cấu trúc vùng bị mờ nhạt biến thiên trắc diện c(z) dọc đường truyền âm Tổn thất truyền trường âm khoảng cách từ 400 đến 1000 km biểu diễn hình 1.4 Hai băng ghi phía tương ứng với tần số âm 111.1 Hz (độ sâu nguồn 21 m) Băng ghi thể cường độ âm hàm khoảng cách sau lấy trung bình khoảng cách km, cịn băng ghi thứ hai kể từ - sau lấy trung bình khoảng cách 215 m Các vị trí vùng hội tụ (các cực đại cường độ âm) với số hiệu từ đến 15 thể đường thẳng đứng Khoảng cách vùng hội tụ 65 km Hai băng ghi phía nhận tần số 13,89 Hz (độ sâu nguồn 104 m) cách lấy trung bình khoảng cách km 400 m Các vùng hội tụ cách 61,7 km Sự khác khoảng cách vùng hội tụ tần số khác hiệu ứng sóng 12 13 Hình A.1.1 Tia âm từ nguồn tới vị trí máy thu Các chấm đơn vị trí máy thu đơn Các chấm với đường ngang chuỗi phao neo đáy, đường đứng chuỗi thẳng đứng đường gạch chấm chuỗi máy thu xếp theo hướng mũi tên (In lại theo Munk et al., 1994) Hình 1.3 Cấu trúc vùng điển hình trường âm kênh âm ngầm A1, A2, , B1, B2, vùng tối Hình 1.4 Tổn thất phát xạ theo biên độ vùng nhiệt đới Đại Tây Dương (1.3) Các mũi tên biểu diễn chuyển biên độ vùng hội tụ ứng với tần số cao thấp 14 1.2.2 Kênh âm mặt Kênh hình thành trục kênh nằm bề mặt Trắc diện c(z) điển hình cho trường hợp biểu diễn hình 1.5a Tốc độ âm tăng đến độ sâu z = h bắt đầu giảm Sơ đồ tia âm tương ứng thể hình 1.5b Những tia từ nguồn với góc mở χ < χ b (ở χ b góc trượt tia âm biên tiếp tuyến với biên phía Có thể quan trắc thấy trường hợp tốc độ âm tăng từ mặt tới tận đáy khu vực Bắc Băng Dương Nam Cực, biển nội địa vùng nhiệt đới biển nông thời kỳ mùa thu mùa đông Trắc diện c(z) điển hình Bắc Băng Dương biểu diễn khái quát hình 1.6 Nét đặc trưng tồn lớp mặt mỏng với tốc độ âm thấp građien tốc độ âm lớn ( a ≈ − (10 −5 m −1 ) ) kênh) truyền với nhiều lần phản xạ từ bề mặt Nếu mặt đại dương phẳng trơn, tia lại kênh âm khoảng cách từ nguồn tạo nên truyền sóng bị dẫn Nếu mặt đại dương gồ ghề, phần lượng âm bị tản mát theo góc χ > χ b lần tiếp xúc với bề mặt khỏi kênh âm Kết cục trường hợp trường âm suy yếu kênh âm, vùng phía kênh mức âm tăng lên Hình 1.6 Trắc diện tốc độ âm điển hình Bắc Băng Dương 1.2.3 Kênh âm ngầm với hai trục Trường hợp thường hay xảy kênh âm mặt sâu đồng thời tồn Trắc diện c(z) điển hình thể hình 1.7a Trục kênh phía nằm bề mặt, cịn trục kênh phía độ sâu z m Sơ đồ tia tương ứng cho trường hợp nguồn nằm kênh phía Hình 1.5 Kênh âm mặt: (a) trắc diện c(z) , (b) sơ đồ tia Trường hợp biểu diễn hình 1.5 thường xảy lớp vùng đại dương nhiệt đới ôn đới, nơi nhiệt độ độ muối lớp gần mặt gần không đổi xáo trộn gió Trong trường hợp đó, tốc độ âm tăng theo độ sâu građien áp suất thủy tĩnh 15 biểu diễn hình 1.7b Ở tia truyền kênh trên, tia chủ yếu truyền kênh Một số tia lúc đầu thuộc kênh xâm nhập xuống kênh tản mát bề mặt gồ ghề (ví dụ tia 3) Những tia gọi tia thất thoát Biến thiên trắc diện c(z) dọc đường truyền tạo nên tia thất 16 Kênh âm hai trục thông báo quan sát thấy Bắc Đại Tây Dương, khơi bán đảo Bồ Đào Nha Trục kênh phía độ sâu 450-500 m, trục độ sâu khoảng 2000 m Có phân bố tốc độ âm theo độ sâu khối nước Địa Trung Hải ấm mặn xâm nhập vào lớp nước sâu (∼1200 m) Đại Tây Dương [A.1.1] Hình 1.8 Sự hình thành vùng tối hình học tốc độ âm giảm đơn điệu theo độ sâu Vùng tối hình học vùng cường độ âm không Trong trường hợp lý tưởng biểu diễn hình 1.8, lượng âm xâm nhập vào vùng tối nhờ tán xạ Trong trường hợp thực, sóng âm bị phản xạ từ đáy bị tản mát bất đồng ngẫu nhiên môi trường tạo âm vùng tối Hình 1.7 Kênh âm hai trục: (a) trắc diện c(z) , (b) sơ đồ tia 1.2.5 Truyền âm nước nông 1.2.4 Sự truyền sóng khơng bị dẫn Kiểu truyền sóng khơng bị dẫn đơn giản quan sát tốc độ âm giảm đơn điệu theo độ sâu (hình 1.8a) Tình thường hệ xạ Mặt Trời nung nóng mạnh lớp nước phía Sơ đồ tia biểu diễn hình 1.8b Tất tia bị khúc xạ xuống phía Tia tiếp tuyến với bề mặt tia giới hạn Khu vực gạch chéo biểu diễn vùng tối hình học Với điều kiện tiêu biểu đại dương, khoảng cách từ nguồn đến vùng tối số km 17 Kiểu truyền âm tương ứng với trường hợp tia âm từ nguồn khoảng cách đủ dài bị phản xạ đáy Trắc diện điển hình thể hình 1.9a Nó quan sát thấy biển nông thềm đại dương, đặc biệt thời kỳ hè - thu, lớp nước phía nung nóng nhiều Sơ đồ tia lý tưởng dẫn hình 1.9b Vì lần phản xạ từ đáy làm suy yếu sóng âm cách đáng kể, nên truyền âm khoảng cách lớn gắn liền với tổn thất lớn lượng âm 18 ⎛ SA f T f β = 8,68 ⋅ 10 ⎜ ⎜ ⎝ fT +f + Bf fT ⎞ ⎟ (1 − 6,54 ⋅ 10 −4 P ) (dB/km), ⎟ ⎠ (1.3.1) −6 −6 A = 2,34 ⋅ 10 , B = 3,38 ⋅ 10 , S độ muối (%o), P áp suất thủy tĩnh (kg/cm2), f tần số (kHz) f T = 21,9 ⋅ 10 −1520 /(T +273 ) tần số phục hồi (kHz), T − nhiệt độ (oC) Nếu nhiệt độ biến thiên từ 0o đến 30o, f T biến đổi xấp xỉ từ 59 đến 210 kHz Hình 1.9 Truyền âm biển nông: a) trắc diện c(z) , (b) sơ đồ tia 1.3 SỰ HẤP THỤ ÂM Khi âm truyền đại dương, phần lượng âm liên tục bị hấp thụ, tức bị chuyển hóa thành nhiệt Sự hấp thụ phần độ nhớt trượt chất lỏng Tuy nhiên, độ nhớt khối số trình phục hồi (relaxation process) nước biển nguyên nhân hấp thụ tần số 100 Hz - 100 kHz Một nguyên nhân khác làm suy yếu cường độ âm khoảng cách đại dương tản mát sóng âm bất đồng thuộc kiểu khác Thông thường đo hiệu ứng tổng hợp hấp thụ tản mát Hiệu ứng gọi suy giảm âm Trên sở phân tích nhiều liệu phịng thí nghiệm thực nghiệm trường, Marsh Schulkin [1.4] thu công thức thực nghiệm sau cho hệ số suy giảm nước biển tần số khoảng kHz 0,5 MHz 2 β biểu diễn đêxibel kilômet (dB/km) Sự khác áp suất p1 p2 N dB 20 lg p1 / p2 = N 19 Trong công thức (1.3.1), số hạng thứ dấu ngoặc thứ mơ tả hấp thụ q trình hồi phục MgSO4, số hạng thứ hai tương ứng với hấp thụ nhớt Biểu thức dấu ngoặc thứ hai diễn tả hấp thụ phụ thuộc vào áp suất thủy tĩnh Tuy nhiên, mối phụ thuộc tương đối yếu: độ sâu km, biến thiên khơng vượt q 30 % Tại tần số thấp (100 Hz - kHz), suy giảm âm mô tả tốt công thức Thorp [1.5]: β= 0,11 f 44 f + + f 4100 + f (dB/km), (1.3.2) với f tần số âm (kHz) Cả hai số hạng có cấu trúc hồi phục điển hình: số hạng thứ (quan trọng tần số xét) mô tả hấp thụ rõ ràng trình hồi phục axit boric H3BO3 (tần số hồi phục: kHz); số hạng thứ hai mô tả trình hồi phục MgSO4 (tần số hồi phục: ≈ 65 kHz) Hệ số hấp thụ trình hồi phục axit boric có biến thiên địa lý rõ rệt liên quan tới giá trị độ pH khác đại dương [1.6] Sự phụ thuộc vào độ pH đòi hỏi phải cải biên số hạng thứ (1.3.2) cách đưa nhân tử bổ sung K phụ 20 Trên hình 1.13 thể tổn thất đường truyền phụ thuộc khoảng cách cho trường hợp truyền âm ngang qua nửa phía bắc vịng khun xốy thuận hình 1.12 Dữ liệu tính theo phép xấp xỉ tia nguồn điểm đẳng hướng đặt tâm vòng khuyên độ sâu 200 m Độ sâu máy thu 300 m Tính tốn tổn thất truyền có tính đến mở rộng front sóng, hấp thụ nước thất thoát lượng âm vào đáy Để so sánh, dẫn tổn thất truyền điều kiện biển Sargasso bên ngồi vịng khun Khi âm truyền qua vịng khun xốy thuận nhận thấy hai đặc điểm: thứ nhất, di chuyển lượng từ kênh độ sâu sang kênh âm ngầm sâu khúc xạ xuống phía tia tăng lên giảm mức cường độ âm; thứ hai, giảm bề rộng phương ngang vùng hội tụ dịch chuyển vị trí chúng so với vị trí chuẩn kênh âm ngầm biển Sargasso Ngược lại, độ sâu 1000 m, đường cong tổn thất truyền cho thấy mức cường độ âm tăng lên (hình 1.14) Phân tích sơ đồ tia cho thấy truyền âm hiệu kênh âm ngầm sâu ( z m = 1000 m) tăng lên trường hợp chí nguồn âm đặt độ sâu tương đối nhỏ bên vòng khuyên xoáy thuận Tại độ sâu 300 m, vùng hội tụ thứ thứ hai bị di dịch 20 30 km Vậy vịng khun xốy thuận tạo nhiễu đáng kể trường âm 1.4.3 Sóng nội Sóng nội gây nên nhiễu động lớn cường độ pha sóng âm Đó chuyển động kiểu sóng sinh lực trọng trường tác động tới biến đổi mật độ so với mật độ trung bình mơi trường Chúng có chu kỳ từ khoảng chục phút tới chu kỳ quán tính Sự hấp thụ lấy cho tần số 100 Hz 27 T ( T = 12 giê / sin ϕ , ϕ − vĩ độ) Trên hình 1.15 [1.12] biểu diễn thăng giáng thời gian biên độ (a) pha (b) tín hiệu 367 Hz, ghi khoảng cách 1318 km Nguồn đặt độ sâu 527 m đáy sườn lục địa gần Elcuthera, máy thu độ sâu 1723 m đáy gần Bermuđa Hình 1.15 (a) Thăng giáng biên độ pha tín hiệu 367 Hz khoảng cách 1318 km [1.12] Hình 1.16 [1.13] biểu diễn phổ thăng giáng thành phần áp suất trục tọa độ Đêcac X Y (mục 10.4) tín hiệu âm 220 Hz: phổ tốc độ pha (bên trái), phổ loga biên độ (ở giữa) phổ biên độ (bên phải) Thí nghiệm thực phía đơng nam Bermuđa Nguồn âm neo đặt trục kênh âm ngầm, độ sâu 1100 m gần Bermuđa Tín hiệu thu máy nghe treo tầu thả trôi độ sâu 500, 1000 1500 m, cách nguồn khoảng 250 km Phổ tốc độ pha giảm đơn điệu tốc độ ω −0,5 ω −1 Các phổ máy nghe sâu giảm có phần nhanh Phổ biên độ giảm đơn điệu ω −1,5 Các đường liền nét kết lý thuyết dựa mơ hình truyền âm đa đường ngẫu nhiên Dyson nnk [1.14] phát triển sử dụng mơ hình Garrett-Munk sóng nội (chương 10) Thấy rằng, kết lý thuyết liệu thực nghiệm trùng hợp với 28 Tính tốn cịn cho thấy có mặt thức thứ sóng nội với biên độ lớn bước sóng tương đối nhỏ nêm nhiệt mùa, có hệ thống vùng tụ tia bổ sung xuất khu vực hội tụ thứ Những vùng tụ tia xuất vào thời điểm mà đỉnh sóng nội qua nguồn biến chân sóng qua nguồn Khả hình thành khu vực hội tự khúc xạ âm đỉnh sóng nội gần nguồn chứng minh [1.15] Các sóng nội cịn gây nên khúc xạ tia âm phương ngang, tức thay đổi hướng truyền tia mặt phẳng ngang 1.4.4 Vi cấu trúc thẳng đứng nước Chỉ đây, người ta phát thấy đặc trưng đại dương độ muối, nhiệt độ, mật độ tốc độ dịng chảy khơng biến thiên trơn theo độ sâu, mà theo kiểu gián đoạn đột ngột Các đặc trưng giữ gần khơng đổi phạm vi lớp định biến đổi nhanh chuyển từ lớp tới lớp khác Độ dày lớp biến thiên từ vài chục cm đến vài chục m; bề rộng phương ngang chúng đạt tới vài chục km Giá trị građien thẳng đứng nhiệt độ độ muối biên lớp vượt trội giá trị građien trung bình - bậc Građien tốc độ dịng chảy đạt giá trị lớn khoảng cm/s mét độ sâu, số trường hợp chí - 10 cm/s mét độ sâu lớp biên [1.16] Đôi trắc diện nhiệt độ, độ muối mật độ giống cấu trúc kiểu bậc thang Một ví dụ cấu trúc kiểu bậc thang trường nhiệt độ T , độ muối S mật độ σ t = ( ρ − 1) 10 biểu diễn hình 1.17 [1.17] Dữ liệu thực nghiệm thu thám sát STD vùng nhiệt đới tây bắc Đại Tây Dương Độ dày lớp tựa đồng biến thiên từ đến 55 m độ dày lớp xen từ đến m Trong [1.17, 1.18] phân tích nguyên nhân vật lý sinh cấu trúc kiểu bậc thang Cấu trúc vi lớp đại dương ảnh hưởng đáng kể tới trường âm Ví dụ, građien thẳng đứng tốc độ dòng chảy biên lớp trở nên sánh với građien thẳng đứng tốc độ âm Điều làm thay đổi mạnh quỹ đạo tia âm hướng chúng lớp gần với hướng ngang Để minh họa điều này, Sanford [1.19] tiến hành tính tốn mơ hình mơi trường âm đơn giản hình 1.18 Trắc diện tốc độ âm quan trắc biển Sargasso Tốc độ dịng chảy khơng nơi, ngoại trừ lớp 250 - 400 Hình 1.16 Phổ tần số thăng giáng tín hiệu âm 220 Hz: phổ tốc độ pha ( dϕ / dt ) bên trái; phổ loga biên độ ( 10 lg E ) phổ biên độ bên phải [1.13] Các đường cong trơn dự báo dựa mô hình đa đường ngẫu nhiên [1.14] (xem thêm mục 10.4) 29 30 m Một nguồn âm đặt độ sâu 350 m Trên hình 1.19 biểu diễn sơ đồ tia truyền âm hướng xuôi dịng chảy ngược dịng chảy Hình 1.18 Mơ hình dịng chảy tốc độ âm dùng để tính khúc xạ [1.19] 1.4.5 Rối quy mô nhỏ Rối đại dương có phổ quy mơ rộng Rối quy mơ nhỏ với quy mô không gian từ vài cm đến vài chục m quan trọng âm học Nhờ ảnh hưởng trực tiếp khí quyển, rối ln quan sát thấy lớp xáo trộn đại dương Tại độ sâu lớn, biểu dạng “vết” tách biệt, quan trắc mạch động nhanh tốc độ dòng chảy thăng giáng tham số vật lý (nhiệt độ, độ muối, tốc độ âm) môi trường [1.20] Hình 1.17 Cấu trúc bậc thang nhiệt độ T , độ muối S mật độ σ t vùng nhiệt đới Đại Tây Dương Các quan trắc cấu trúc vi lớp nước dẫn tới chế truyền âm đa đường chí trường hợp khơng có vi cấu trúc, có tia đạt tới máy thu Sự truyền đa đường gây nên nhiễu động bổ sung pha biên độ tín hiệu âm Như thí nghiệm [1.21], thăng giáng số khúc xạ âm n(r ) lớp xáo trộn mơ tả hàm cấu trúc Dn ( ρ ) = [ n(r1 ) − n(r2 )] (dấu 31 32 phép lấy trung bình tập hợp) tuân theo quy luật “2/3” Kolmogorov-Obukhov: Dn ( ρ ) = Cn ρ 2/3 , ρ = r2 − r1 , (1.4.1) Cn số cấu trúc Quy luật (1.4.1) áp dụng giá trị l0 ≤ ρ ≤ L0 , l0 L0 kích thước rối Theo ước lượng thực nghiệm, giá trị l0 không lớn cm L0 số m số khúc xạ độ sâu 40 m lớp xáo trộn dày 80 m Khi ρ = L0 ≈ 1,8 m, hàm cấu trúc bắt đầu “bão hịa” Hình 1.20 Hàm cấu trúc chéo chuẩn hóa D n ( ρ ) thăng giáng số khúc xạ [1.21] < µ > trung bình bình phương thăng giáng Hình 1.21 Hàm cấu trúc ngược chuẩn hóa D A ( ρ ) thăng giáng biên độ A tín hiệu âm khoảng cách r khác [1.21], r m: (•) 180; (×) 340; (∆) 580; () 710; ( ) 960; ( ) 1100; Hình 1.19 Đường tia (a) truyền hướng xi dịng chảy (b) truyền ngược dòng chảy [1.19] < ( ∆A) > - trung bình bình phương thăng giáng biên độ Trên hình 1.20 biểu diễn hàm cấu trúc chuẩn hóa thăng giáng 33 Những thăng giáng tốc độ âm (chỉ số khúc xạ) gây nên tản mát sóng âm Sự giao thoa sóng nguyên sinh sóng tản mát dẫn 34 tới thăng giáng biên độ pha tín hiệu âm Một phần lượng âm tản mát rời bỏ kênh âm ngầm, hệ suy giảm bổ sung trường âm Trên hình 1.21 chuỗi hàm cấu trúc chéo biên độ tín hiệu âm A Các thăng giáng khoảng cách khác từ nguồn thể làm ví dụ 1.5 MẶT ĐẠI DƯƠNG Mặt đại dương bình lặng Nét đặc trưng chuyển động sóng phức tạp Sóng gây nên gió rối có đặc điểm không đồng đều, ngẫu nhiên Hệ là, đặc trưng quan trắc thực nghiệm sóng gió - ly độ bề mặt ζ (r , t) so với mặt phẳng trung bình - hàm ngẫu nhiên vectơ bán kính ngang r thời gian t Theo liệu thực nghiệm thu đại dương, phân bố thống kê ζ điểm cố định gần giống với luật chuẩn (Gauss), có độ dẹt nhỏ ngồi dốc đứng (hình 1.22) Phân bố hai chiều độ dốc sóng có đặc điểm tương tự, chí cịn khác so với luật chuẩn (hình 1.23) Tuy nhiên, với phần lớn toán liên quan tới tản mát âm từ mặt đại dương, khác biệt khơng phải q quan trọng phân bố chuẩn ly độ độ dốc sóng xem xấp xỉ thứ Phổ tần số nghiên cứu chi tiết cho trường hợp trường sóng phát triển đầy đủ Các tham số phụ thuộc vào tốc độ gió Trên hình 1.24 biểu diễn kết phân tích hai chiều khối lượng lớn tài liệu thực nghiệm Pierson Moskovitz [1.25] thực Hình 1.22 Mật độ xác suất ly độ mặt biển điểm cố định [1.22] Những điểm chấm thể 11 786 quan trắc đơn, đường cong liền nét phân bố thực nghiệm, đường cong gạch nối phân bố chuẩn với phương sai σ = [1.23] Ở vùng cực đại dương, ảnh hưởng thảm băng tới truyền âm đáng kể; vùng thảm băng tương đối phẳng xen kẽ với luống băng Phần không phẳng nằm nước luống băng gây nên tản mát sóng âm mạnh, sóng âm tiếp cận nhiều lần với thảm băng građien dương tốc độ âm nước Phân bố góc lượng sóng gió mặt phẳng ngang phụ thuộc vào tần số sóng Các hợp phần tần thấp mặt biển dậy sóng có phổ góc hẹp, cịn phần tần cao phổ thực tế đẳng hướng 35 36 1.6 SỰ TẢN MÁT ÂM TẠI MẶT ĐẠI DƯƠNG Hình 1.23 Mật độ xác suất độ dốc bề mặt [1.24] Các đường cong liền nét thể phân bố quan trắc dọc theo hai trục tọa độ, đường gạch nối - phân bố chuẩn với phương sai σ X =< ζ X > , σ Y =< ζ Y > [1.23] 2 2 Khi sóng âm nước tới bề mặt đại dương gồ ghề sinh sóng tản mát Có hợp phần hiệp biến khơng hiệp biến trường âm tản mát Hợp phần hiệp biến sóng truyền hướng phản xạ gương tính cách lấy trung bình thống kê trường tản mát tập hợp hàm ζ Tỷ số biên độ sóng biên độ sóng tới xác định hệ số phản xạ hiệp biến (trung bình) Nếu bề mặt phẳng hệ số phản xạ âm từ thường gần − , tức mặt đại dương bề mặt phản xạ thực tế lý tưởng Năng lượng âm tới mặt biển gồ ghề quay lại nước hồn tồn, phần lượng bị tản mạn vào trường sóng tản mát, nên hệ số phản xạ hiệp biến nhỏ đơn vị giảm độ cao sóng mặt tăng lên (tương thích với bước sóng âm) Đại lượng có ích tham số hiệp biến, tỷ số hợp phần cường độ hiệp biến tổng cường độ (hiệp biến cộng với không hiệp biến) Hình 1.25 cung cấp liệu thực nghiệm phụ thuộc tham số hợp biến vào tham số Rayleigh P = kσ sin χ , k số sóng âm, σ ly độ bình phương trung bình bề mặt gồ ghề, χ góc mở sóng âm (so với mặt phẳng ngang) Dữ liệu nhận σ khác ký hiệu khác Hàm exp (− P ) (đường gạch nối) xấp xỉ tốt mối phụ thuộc thực nghiệm Đối với giá trị lớn tham số Rayleigh, P >> , hợp phần hiệp biến gần không trường tản mát gần hồn tồn khơng hiệp biến Trong thủy âm học, âm tản mát trở lại, tức tản mát hướng nguồn âm, quan trọng Phụ thuộc điển hình hệ số tản mát trở lại vào góc mở χ cho hình 1.26 [1.28] Dữ liệu nhận Hình 1.24 Phổ tần số Pierson-Moscovitz S (Ω ) mặt biển dậy sóng phát triển đầy đủ tốc độ gió v khác đo độ cao 19,5 m: (ã) 10 m/s; () 16,3 m/s; (ì) 20,6 m/s [1.26] Hệ số tản mát m S (một đại lượng không thứ nguyên) tỷ số cường độ âm bị tản mát bề mặt đơn vị góc đơn vị cường độ sóng tới 37 38 cho điều kiện đại dương với sóng gió phát triển hồn tồn (tốc độ gió v ≈ 9,5 m/s) Tại góc mở χ ≥ 60 o , trường tản mát chủ yếu phản xạ gương - “các tia phát sáng” - từ bề mặt gợn sóng riêng rẽ mặt biển gồ ghề Tại góc mở nhỏ hơn, tản mát “cộng hưởng” âm quan trọng (chương 9) Tại tần số cao (10-20 kHz) góc mở nhỏ, hệ số tản mát phụ thuộc yếu vào góc mở; trường hợp bọt khí lớp đại dương nhân tố đóng góp cho trường tản mát Sự đóng góp tương đối bọt khí tăng lên tăng tần số âm Hình 1.26 Hệ số tản mát trở lại theo góc mở tần số 2-20 kHz [1.28] Các đường liền giá trị lý thuyết dựa mơ hình hai quy mơ độ gồ ghề mặt biển (mục 9.11) Hình 1.25 Phụ thuộc tham số hiệp biến vào tham số Rayleigh số giá trị σ : (•) cm, ( ) 10 cm, (￭) 23 cm [1.27] Phổ tần số trường tản mát hướng gương gồm đường phổ tần số sóng tới f , hợp phần hiệp biến trường phổ liên tục trường không hiệp biến dạng hai “cánh” bên trái bên phải đường Các phổ tần số sóng tới 110 312 Hz biểu diễn hình 1.27 [1.29] Thực nghiệm tiến hành vùng khơi đại dương với tốc độ gió khoảng 8,5 m/s 39 40 góc mở χ ≈ 30 o Các đường liền cánh phổ sóng tản mát f > f Các cánh biểu diễn đường gạch a bán kính bọt khí (cm) nối giả thiết nằm bên trái so với đường trung tâm ảnh đối xứng gương so với đường trung tâm hình để so sánh tốt với cánh bên phải Có thể thấy cánh bên phải bên trái tương tự với với phổ sóng mặt biển gồ ghề (đường cong 3) Hình 1.27 Các phổ thực nghiệm sóng tản mát tần số 110 Hz (đường cong 1) 312 Hz (đường cong 2) Đường cong biểu diễn phổ độ gồ ghề mặt biển [1.29] Hình 1.28 Phân bố bán kính bọt khí độ sâu 1,5 m tốc độ gió 11-13 m/s [1.30] 1.7 TẢN MÁT ÂM BỞI CÁC BỌT KHÍ Các bọt khí sinh phá hủy sóng lớp mặt tương đối mỏng có đóng góp đáng kể cho tản mát hấp thụ âm Hiệu ứng đặc biệt mạnh bọt khí thuộc loại “cộng hưởng”, tức tần số riêng dao động tỏa tia chúng trùng hợp với tần số sóng âm Tần số cộng hưởng bọt khí nước độ sâu z m cho công thức xấp xỉ (chương 11) f = (327 / a) (1 + 0,1 z) / (Hz), (1.7.1) 41 Phân bố bán kính bọt, đặc biệt nồng độ chúng hàm độ sâu điều kiện mơi trường cịn nghiên cứu; liệu thực nghiệm Các phân bố độ sâu 1,5 m dẫn hình 1.28 [1.30] Đo đạc thực lớp đẳng nhiệt (14 oC) độ dày 25 m vùng khơi đại dương Nồng độ bọt khí n (a) − số bọt khí m3 với bán kính khoảng a a + ∆a , ∆a = 1,5 ⋅ 10 −3 cm, vẽ dọc theo trục thẳng đứng Có thể thấy bọt khí với bán kính 1,5 ⋅ 10 −3 3,5 ⋅ 10 −2 cm (băng tần cộng hưởng ∼10-235 kHz) 42 biểu diễn độ sâu 1,5 m Băng tần số cộng hưởng hẹp độ sâu lớn hơn, điểm cực đại phân bố bọt dịch chuyển phía bán kính lớn trị số giảm Tại độ sâu m tần số cộng hưởng biến đổi từ 25 đến 97 kHz Phụ thuộc hệ số tản mát khối mν vào độ sâu tần số 10 kHz với hai giá trị tốc dộ gió biểu diễn hình 1.29 Hệ số tản mát có giá trị cực đại độ sâu 1,5 m (độ sâu quan trắc nhỏ nhất), giảm đơn điệu theo độ sâu giảm tới mức ồn ( ≈ 10 −7 m −1 ) độ sâu khoảng 20 m Hình 1.29 Phụ thuộc hệ số tản mát khối vào độ sâu tần số âm 10 kHz tốc độ gió 4-8 m/s (đường 1) 11-12 m/s (đường 2) [1.31] Sự truyền âm qua mơi trường chứa bọt khí kèm với thăng giáng pha sóng âm thăng giáng tốc độ âm Điều Hệ số mν xác định cách m S theo thể tích đơn vị 43 hệ thay đổi phân bố tần số cộng hưởng bọt biến đổi độ cao sóng gió với thời gian đó, áp suất thủy tĩnh tổng thể tích khí chứa bọt khí 1.8 CÁC LỚP TẢN MÁT DƯỚI SÂU Cơ chế tản mát âm khác liên quan tới diện lớp tản mát âm sâu đại dương động vật biển nhỏ bé tạo nên: cá, thủy tức, tép, mực nhỏ, sứa v.v Các lớp tản mát sâu có bề rộng phương ngang lớn, thường trải dài từ lục địa tới lục địa khác Chúng quan sát thấy tất vùng khơi đại dương, ngoại trừ vùng cực, phát thấy nơi Nét đặc trưng lớp tản mát sâu chúng di chuyển ngày Thời gian Mặt Trời xuống lớp nâng lên độ sâu 100-150 m, thời gian Mặt Trời lên chúng chìm xuống tới độ sâu 300-600 m Chính di chuyển gợi ý tưởng chất sinh học lớp tản mát sâu sau chúng phát Bây người thừa nhận quan điểm chung tản mát âm lớp tản mát sâu chủ yếu dao động cộng hưởng sinh từ bọt chuyển động bơi cá đáy nhỏ với chiều dài 2-3 10-12 cm Theo tính tốn lý thuyết, cần lượng nhỏ cá “cộng hưởng” tỷ lệ cá thể 1-10 nghìn m3 nước đủ để tạo hiệu ứng âm quan sát Tần số cộng hưởng bọt bơi phụ thuộc vào kích thước chúng độ sâu lớp tản mát sâu Phụ thuộc lý thuyết tần số cộng hưởng độ dài cá số độ sâu biểu diễn hình 1.30 [1.32] Cá lớn (∼7-20 cm) có mặt lớp tản mát sâu độ sâu 600 m (thời gian ban ngày) có tần số cộng huởng kHz Tần số cộng hưởng cá nhỏ (2-3 cm) độ sâu 44 khoảng 20 kHz Nếu lớp tản mát sâu nâng lên độ sâu nhỏ thời gian ban đêm, tần số cộng hưởng giảm theo tỷ lệ khoảng 1,5-2 Những dự báo lý thuyết phù hợp với nhiều liệu thực nghiệm Mối phụ thuộc tần số cường độ âm tản mát nhận vùng nhiệt đới Đại Tây Dương [1.32] biểu diễn hình 1.31 Mỗi đường cong (cho ban ngày ban đêm) có hai cực đại tương ứng với tần số cộng hưởng hai loại cá có mặt lớp Thời gian ban đêm lớp nằm độ sâu 150-200 m, tần số cộng hưởng 3,5 15 kHz Thời gian ban ngày (độ sâu quan trắc 400 - 500 m), tần số cộng hưởng thực tế cao nhiều - 20 kHz Nhờ hình 1.30, người ta kết luận độ dài hai loại cá có mặt cm Cơng tác đánh bắt lưới sau khẳng định ước lượng Các tác nhân tản mát không cộng hưởng, chủ yếu động vật xương cứng lồi có vẩy, ngun nhân tản mát âm tần số 30 kHz Trong đại dương, vùng có loại động vật thường trải dài hướng tây - đông tản mát âm phụ thuộc nhiều vào vĩ độ kinh độ Kết nghiên cứu thực nghiệm phát triển nhiều năm Đại Tây Dương Thái Bình Dương biển kế cận [1.33] thiết lập nét quy luật sau Cường độ cột nước đạt giá trị lớn xích đạo Đại Tây Dương Thái Bình Dương Tại vĩ độ 5o - 20o mức chung giảm số dB hai bán cầu Tại vĩ độ cao cường độ tản mát tăng lên đến giá trị tương đương với xích đạo Ở vùng nước cực quan trắc thấy giá trị thấp Cường độ tản mát cột nước, hay gọi tắt cường độ cột nước, tích phân hệ số tản mát khối độ sâu biên lớp 45 Hình 1.30 Phụ thuộc lý thuyết tần số cộng hưởng vào độ dài cá số độ sâu Hình 1.31 Phụ thuộc tần số cường độ âm tản mát lớp tản mát sâu 1.9 ĐÁY ĐẠI DƯƠNG Nếu mặt đại dương tản mát âm, đáy đại dương vừa tản mát vừa hấp thụ âm Một phần lượng âm tới đáy vào đất đáy Đây nguyên nhân hạn chế khoảng cách truyền âm tần thấp kênh âm ngầm vắng mặt Mặt khác, tia phản xạ từ đáy “tạo âm” vùng tối nơi tia trực tiếp không tới Hiện tham số âm lớp trầm tích bề mặt đáy đến độ sâu vài chục mét nghiên cứu tương đối đầy đủ Dựa phân tích nhiều mẫu trầm tích nước sâu lấy vùng đại dương khác thiết lập số quan hệ tham số âm đáy (hình 1.32) Tốc độ âm mật độ trầm tích hình 1.32 so sánh theo tham số nước Hệ số phản xạ tính cho trường hợp tia tới vng góc 46 Hình 1.34 Mối phụ thuộc góc hệ số tản mát trở lại từ đáy bình nguyên sâu tần số khác [1.36] Các số cạnh đường cong tần số âm kHz Hình 1.32 Liên hệ đặc trưng trầm tích đáy [1.34] Hình 1.33 Địa hình đáy dọc theo tuyến quan trắc (trên), hệ số phản xạ từ đáy đại dương (dưới) [1.36] Theo liệu thực nghiệm hệ số hấp thụ âm trầm tích tỷ lệ với tần số âm Giá trị tuyệt đối tần số kHz 0,3-0,5 dB/m Những nghiên cứu thực nghiệm phản xạ âm đáy đại dương vùng đại dương khác cho thấy phản xạ âm bị quy định tham số trầm tích tần số tương đối thấp Tại tần số số kHz địa hình đáy đóng vai trị áp đảo Sự phản xạ từ đáy đá gồ ghề tỏ yếu phản xạ từ trầm tích bùn Trong trường hợp đáy phẳng tình hình ngược lại Hình 1.33 cho thấy phụ thuộc hệ số phản xạ sóng âm tới vng góc có tần số 9,6 kHz vào địa hình đáy tổng quát Dữ liệu thu thời gian tầu nghiên cứu dõi theo tuyến Có thể thấy chuyển từ khu vực đáy gồ ghề sang đáy bình nguyên sâu, hệ số phản xạ bị tăng lên đột ngột Những giá trị số hệ số phản xạ số vùng Đại Tây Dương Ấn Độ Dương dẫn bảng 1.1 [1.36] 47 Trong phạm vi khu vực địa mạo khác (các bình nguyên sâu, trũng đại dương; đồi nước sâu miền nâng đại dương; đỉnh dãy núi ngầm) mối phụ thuộc góc tần số hệ số tản mát âm đáy khác Trên hình 1.34 mối phụ thuộc cường độ tản mát trở lại ( 10 lg m S , m S hệ số tản mát) vào góc tới tần số khác dẫn cho trường hợp bình ngun sâu Có thể thấy cường độ tản mát giảm nhanh tăng góc tới góc nhỏ Khi góc tới θ > 15 o , mối phụ thuộc góc xấp xỉ tuân theo luật Lambert ( m S ∼ cos θ ) Hình 1.35 biểu diễn cường độ tản mát tần số trường hợp đáy gồ ghề lân cận biên giới phía nam bình nguyên sâu Sohm Ở phụ thuộc vào góc tới yếu hầu hết tồn dải góc Khi nguồn âm hay máy thu (hoặc hai) di chuyển, người ta quan sát thấy thăng giáng tín hiệu tản mát từ đáy Hình 1.36 ví dụ băng ghi đường bao tín hiệu tản mát góc tia âm tới vng góc có tần số kHz tốc độ trôi tầu với nguồn âm (và máy thu) khoảng 1,2 nút Phân tích tương quan phổ thăng giáng loại cho phép ta nhận liệu địa hình đáy mà phương pháp 48 thám hồi âm thu 1.10 TIẾNG ỒN MÔI TRƯỜNG XUNG QUANH Một đặc trưng âm quan trọng đại dương tiếng ồn môi trường xung quanh nước Nó chứa lượng thơng tin lớn liên quan tới trạng thái bề mặt đại dương, khí bên đại dương, trình kiến tạo vỏ Trái Đất bên đại dương, hành vi động vật biển v.v Bảng 1.1 Các giá trị trung bình hệ số phản xạ từ đáy tần số 9,6 kHz âm tới vng góc [1.36] Vùng đại dương Mức độ gồ ghề Hệ số phản xạ Đại Tây Dương Đỉnh dãy núi Đại Tây Dương Cung Đại Antilean Miền nâng Bermuda Vùng khơi quần đảo Cape Verde Bình nguyên sâu Nares Bình nguyên sâu Sohm Cực đại Cực đại Trung bình Trung bình Địa hình trơn Địa hình trơn 0,6-0,09 0,09 0,19-0,21 0,12-0,22 0,39-0,48 0,41-0,45 Tại tần số thấp (0,1-10 Hz) nguồn tiếng ồn gồm động đất, phun núi lửa nước, bão từ xa, rối đại dương khí số trình mặt đại dương (tương tác phi tuyến sóng mặt) Trong băng tần 50-300 Hz tiếng ồn nước chủ yếu chuyển động tầu từ xa Chỉ tính riêng Bắc Đại Tây Dương lúc có ngàn tầu lại Vì suy yếu âm tần số vùng khơi đại dương nhỏ nên phát sinh tiếng ồn Ấn Độ Dương Dãy núi ngầm Maldive Phần gồ ghề biển Andaman Vùng đồi trũng Trung tâm Vịnh Bengal Bình nguyên biển Andaman Bình nguyên trũng Trung tâm Cực đại Cực đại Trung bình Địa hình trơn Địa hình trơn Địa hình trơn 0,09 0,06 0,31 0,44 0,37 0,49 Trong băng tần 0,5-50 Hz tiếng ồn nước trực tiếp liên quan tới trạng thái bề mặt đại dương gió vùng Có nhiều chế sinh tiếng ồn băng tần này, gồm phá hủy sóng va chạm bọt khí lớp mặt bão hịa khơng khí (tiếng ồn tạo bọt khí) Tại tần số 100 Hz, tiếng ồn nhiệt phân tử ngự trị Tiếng ồn sinh học động vật biển liên lạc với nhau, nơi tranh giành mồi, cá thể tranh chấp v.v tạo ra, tương đối mạnh số vùng đại dương vào thời kỳ định Loại tiếng ồn quan trọng để nghiên cứu hành vi cá thể nhóm nhiều đại biểu động vật biển Hình 1.35 Như hình 1.34 đáy gồ ghề Hình 1.36 Thăng giáng đường bao tín hiệu tản mát với tia âm tới vng góc tần số kHz, tốc độ trôi tầu 1,2 nút [1.36] 49 50 Phổ tần số tiếng ồn dải từ Hz đến 100 kHz dẫn hình 1.37 Những phổ nhiều nhà nghiên cứu đo địa điểm khác nhau, Wenz [1.37] tổng quan Furduev bổ sung thời gian gần [1.38] Về trung bình, mức ồn giảm theo tần số Đối với tần số cho, biên độ động lực biến đổi từ 40 đến 60 dB tùy thuộc vào điều kiện khí tượng thủy văn Tại tần số thấp, mức tiếng ồn thường giảm đột ngột - từ đến 10 dB khoảng tám Trong dải 10-500 Hz, phổ tiếng ồn biến thiên mạnh - tăng bị thay giảm đột ngột Tại tần số 0,5- 500 Hz, tốc độ suy giảm mức tiếng ồn tiêu biểu 5-6 dB khoảng tám Hình 1.37 Các phổ tần số trung bình tiếng ồn môi trường đại dương [1.38]: 1, - mức cực đại cực tiểu tiếng ồn động lực học; - tiếng ồn khoảnh khắc yên lặng, số vòng tròn - tốc độ gió (Beaufort); 4, - tiếng ồn băng; - tiếng ồn địa chấn; 7, 7, 10 - giả âm (các số sau dấu phảy tốc độ xung xoáy rối, m/s; - tiếng ồn từ động đất; - tiếng ồn giao thông (vùng C - tiếng ồn tuyến hàng hải); 10, 11 - tiếng ồn quần tụ tép; 12 - mưa rào nặng biển; 13 - tiếng ồn nhiệt Các mũi tên ngang khoảng tần số nguồn ồn chính; a địa chấn, nổ, động đất giãn băng; b - rối; c - sóng mặt; d - hoạt động công nghiệp; e - tạo bọt mưa; f - tiếng ồn nhiệt; g - sinh vật biển Hình 1.38 Phổ tần số núi băng trôi biệt lập Độ sâu máy thu: (1) 10 m; (2) 50 m; (3) mức tiếng ồn môi trường đại dương khoảng cách 20 km kể từ núi băng [1.39] 51 Loại tiếng ồn môi trường đặc biệt quan trắc thấy bên băng vùng cực đại dương Tiếng ồn loại chủ yếu liên quan tới động lực học thảm băng - chuyển động dao động mảng băng đơn lẻ toàn cánh đồng băng, chia cắt băng lực nén, ma sát mảng băng với nhau, phá vỡ băng nhiệt, va chạm tuyết viên băng gió bề mặt băng v.v Vào loại tiếng ồn ta ghép tiếng ồn tan chảy núi băng trôi 52 đường chúng di chuyển từ vùng cực tới vùng ấm Người ta cho rằng, tiếng ồn phát nổ bọt khơng khí nhỏ nằm băng áp suất giải phóng núi băng tan chảy đụng chạm khoảng rỗng khơng khí bên băng lực nước Mức tiếng ồn núi băng trơi phụ thuộc vào kích thước núi băng, độ sâu biển, hàm lượng khơng khí băng, tốc độ tan chảy v.v Trong thí nghiệm thực Bắc Đại Tây Dương [1.39], mức tiếng ồn núi băng trôi đơn độc cao 25 m, đường kính 60 m 82 dB so với Pa/Hz1/2 tần số 10 kHz dải Hz khoảng cách 150200 m (hình 1.38) Căn theo hình 1.38, ta thấy tăng lên mức ồn khoảng 5-50 kHz, vượt mức phông 15-40 dB độ sâu 10 m tốc độ dịng chảy xốy đến vài chục cm/s thời gian sống từ đến 10 năm tùy thuộc vào kích thước thấu kính điều kiện khác (các quan trắc thực nghiệm thấu kính Địa Trung Hải kéo dài liên tục hai năm) [1.41] Hình 1.39 thể trắc diện thẳng đứng dị thường mật độ σ t ( z) , nhiệt độ T (z) , độ muối S( z) tốc độ âm c(z) Các thấu kính ngoại nêm nhiệt có lẽ ghi nhận lần trạm trôi “Cực Bắc - 1” [1.42] Tuy nhiên, dị thường cao tốc độ dịng chảy khơng ổn định (20-30 cm/s) phát thấy độ sâu 50100 m khơng ý thích đáng Bây liệu lý giải biểu thấu kính Bắc Băng Dương 1.11 CÁC THẤU KÍNH NGOẠI NÊM NHIỆT Trong hai thập niên gần đây, người ta phát xốy quy mơ vừa mạnh loại đặc biệt gọi thấu kính ngoại nêm nhiệt đại dương Khác với vòng khuyên lân cận dòng hải lưu front xốy quy mơ lớn vùng khơi đại dương (xem mục 1.4.1 1.4.2), chúng có phần lõi chìm sâu, khác đặc trưng thủy văn phân bố thẳng đứng so với khối nước xung quanh Ví dụ với thấu kính tìm thấy thủy vực Canary Đại Tây Dương năm 1989, khác biệt nhiệt độ tới 4,6 oC, độ muối 1,1 %o tốc độ âm 18,6 m/s độ sâu 900-1000 m [1.40] Đó dị thường lớn đặc trưng thủy văn tất thấu kính mơ tả Bây có 300 thấu kính tìm thấy vùng địa lý khác - từ vùng nhiệt đới đến vùng cận cực Bắc Băng Dương Nam Cực, độ sâu từ 50 đến 4000 m Các tham số thấu kính biến thiên dải rộng: đường kính từ đến 100 km hay chí hơn; kích thước thẳng đứng từ vài chục mét tới số km; 53 Hình 1.39 Các trắc diện dị thường mật độ, nhiệt độ, độ muối tốc độ âm phần lõi thấu kính Địa Trung Hải (những đường liền), điều kiện (những đường gạch nối) [1.40] Quan trắc trường cho thấy thấu kính rõ tạo thành biên khối nước khác Một ví dụ điển hình 54 Chương xâm nhập nước Địa Trung Hải tầng sâu trung gian vào Đại Tây Dương gần eo Gibraltar Các thấu kính loại (“trung gian”) nghiên cứu kỹ LÝ THUYẾT TIA VỀ TRƯỜNG ÂM TRONG ĐẠI DƯƠNG Lý thuyết tia với chất gần phương pháp hiệu để nghiên cứu truyền âm tần số đủ cao môi trường bất đồng đại dương Trong chương dẫn lập phương trình âm học tia đưa nghiệm chúng cho trường hợp đại dương phân tầng Trong chương tiếp sau, cách tiếp cận tia áp dụng cho truyền sóng âm bị dẫn, phản xạ âm từ bề mặt biển số tốn khác 2.1 PHƯƠNG TRÌNH SĨNG CHO MÔI TRƯỜNG BẤT ĐỒNG NHẤT Sự truyền âm mơi trường bất đồng (đại dương, khí quyển) mơ tả phương trình sóng thu từ phép tuyến tính hóa phương trình thủy động lực học chất lỏng lý tưởng Các phương trình xuất phát là: Phương trình Euler: Hình 1.40 Sơ đồ tia âm có mặt thấu kính [1.40] Các thấu kính ngoại nêm nhiệt gây nhiễu động trường tốc độ âm, làm thay đổi cấu trúc không gian - thời gian trường tốc độ âm đại dương - vùng tối trở nên có âm (khi khơng có cấu trúc vùng điều kiện nền) khúc xạ phương ngang tia âm xuất Sự xoay thấu kính dẫn tới thay đổi pha sóng âm truyền qua thấu kính Hình 1.40 biểu diễn sơ đồ tia tính cho trắc diện tốc độ âm hình 1.39 [1.39] Nguồn âm đặt độ sâu 900 m cách tâm thấu kính 33 km Sự xuất âm vùng tối thứ thứ hai thấy rõ; thấu kính 55 ∂v + (v∇)v = − ∇p , ρ ∂t (2.1.1) v tốc độ phần tử, p áp suất âm, ρ mật độ mơi trường t thời gian Phương trình liên tục ∂ρ + ∇( ρ v) = ∂t (2.1.2) Bỏ qua dẫn nhiệt khuếch tán hợp phần, ta xử lý truyền âm trình đoạn nhiệt Trong trường hợp đó, phương 56 ... hóa D A ( ρ ) thăng giáng biên độ A tín hiệu âm khoảng cách r khác [1. 21] , r m: (? ? ?) 18 0; (? ?) 340; (? ? ?) 580; (? ? ?) 710 ; ( ) 960; ( ) 11 00; Hình 1. 19 Đường tia (a) truyền hướng xi dịng chảy (b) truyền... sát cắt lớp âm đại dương 2.9 Các chùm tia phân kỳ yếu 61 61 67 71 72 75 80 86 90 97 10 3 13 5 10 3 11 0 11 5 12 3 13 2 13 5 14 4 14 6 15 4 16 0 Chương Truyền âm nước nông 5 .1 Biểu diễn tia trường âm lớp: Các... âm tương ứng 1. 3 Sự hấp thụ âm 1. 4 Sự biến động đại dương hệ tới trường âm 1. 5 Mặt đại dương 1. 6 Sự tản mát âm mặt đại dương 1. 7 Tản mát âm bọt khí 1. 8 Các lớp tản mát sâu 1. 9 Đáy đại dương 1. 10