8 Trạng thái mặt đại dơng v điều kiện chiếu sáng Mặt Trời ảnh hởng nh no tới xâm nhập ánh sáng vo đại dơng v mu nó? Thnh phần phổ ánh sáng tự nhiên thay đổi nh no theo độ sâu? 10 Bản chất phát quang ánh sáng đại dơng l v tợng ny đợc sử dụng hớng nghiên cứu no? 11 Hiểu biết tính chất quang học đại dơng đợc sử dụng vo mục đích thực tế no? Chơng Âm học đại dơng 8.1 Những định nghĩa Âm học đại dơng l phận phát triển vật lý đại dơng có ứng dụng thực tế rộng lớn Những hiểu biết tốc độ truyền âm đại dơng l yêu cầu sử dụng máy hồi âm để đo độ sâu Nó đà đợc sử dụng hng hải vo đầu kỷ 19 v từ thời gian ngời ta tiến hnh nghiên cứu quy luật biến thiên tốc độ âm đại dơng Trong năm Thế chiến thứ thủy định vị phát triển mạnh Đó l lĩnh vực âm học đại dơng có mục đích phát tầu ngầm, tầu mặt nớc từ tầu ngầm, vật dới nớc khác thông qua phát v thu tín hiệu âm phản xạ từ vật Muốn cần biết đặc điểm truyền tín hiệu âm đại dơng, phụ thuộc tốc độ âm vo trờng nhiệt độ, độ muối, áp suất, tốc độ dòng chảy, đặc điểm phản xạ âm từ mặt đại dơng v đáy v.v Đợc biết tín hiệu âm đại dơng truyền tới khoảng cách lớn Điều ny l sở để sử dụng nh phơng tiện liên lạc Bắt đầu phát triển lĩnh vực thám xa âm học 379 380 Định vị âm học đợc sử dụng rộng rÃi thăm dò khai thác cá v để xác định trữ lợng cá, tìm kiếm địa chất để xác định cấu tạo đáy Sự xuất máy thu âm nhạy đà cho thấy nhờ máy theo dõi đợc tín hiệu sinh vật biển khác phát ra, thu đợc nhiễu gây sóng biển, chuyển động đáy, chuyển động v dÃn nứt băng v.v Điều ny cho phép ngời ta nghe đại dơng để có đợc khái niệm trình xảy đại dơng Từ năm 70 kỷ 20 đà bắt đầu hình thnh chuyên ngnh thám âm lát cắt (tomography) khoa học cho phép dựa theo biến đổi tín hiệu âm phát điểm thu xác định đợc cấu trúc đại dơng v dòng chảy khu vực máy ph¸t vμ m¸y thu tÝn hiƯu N−íc biĨn nh− mét môi trờng liên tục có độ đn hồi khối, nhiễu động đn hồi dẫn tới nén hay gi·n në n−íc mét thĨ tÝch nμo ®ã sÏ lan truyền ngoi phạm vi thể tích Tốc độ V dao động ny so với vị trí cân đợc gọi l tốc độ dao động sóng, tốc độ lan truyền nén v giÃn gọi l tốc độ âm hay tốc độ truyền âm Vì hớng dao động phần tử môi tr−êng diƠn däc theo h−íng lan trun sãng nªn sóng âm đại dơng thuộc loại sóng dọc Sự nén v giÃn nớc đợc đặc trng biến thiên áp suất P so với áp suất thđy tÜnh V× vËy ng−êi ta th−êng biĨu diƠn sãng âm dới dạng biến thiên P thời gian hay với khoảng cách Trờng hợp thứ mô tả sóng âm qua điểm x no đó, trờng hợp thứ hai cung cấp hình dạng sóng thời điểm t dọc theo hớng truyền sóng (hình 8.1) Khi sử dụng trục honh l thời gian khoảng cách 381 hai điểm nén hay giÃn cực đại kế cận hai điểm pha dao động gÇn nhÊt sÏ lμ chu kú sãng τ NÕu trục honh l khoảng cách, khoảng cách tơng tự điểm đà nhắc tới đờng cong sóng l bớc sóng Hình 8.1 Sơ đồ biểu diễn sóng âm Dựa theo tần số sóng âm đợc quy ớc chia thnh số dải Những dao động với tần số thấp khoảng dới 20 Hz thuộc dải ngoại âm, với tần số cao hơn, đến khoảng 20 kHz thuộc dải sóng âm, với tần số cao hơn, tới 10 Hz gọi l siêu âm v cao gọi l ngoại siêu âm Bớc sóng biến đổi dải tần dải ngoại âm bớc sóng lớn 7080 m, dải âm từ số cm đến vi chục mét, dải siêu âm bớc sóng biến đổi tõ mét sè cm ®Õn 10 −4 cm B−íc sãng nhỏ dải tần ngoại siêu âm Tốc độ truyền sóng đợc xác định quan hệ C = / (8.1) Biến thiên áp suất sóng âm biểu diễn công thức dP ∂P dρ dρ = ∂ρ dt = C dt , dt η 382 (8.2) C = (P / ) trình đẳng entropy Vì biến thiên ¸p st sãng ©m diƠn nhanh vμ sù trao đổi entropy thời khoảng l yếu, nên hon ton xem trình ny l trình đẳng entropy Những biến thiên áp suất âm kèm theo biến thiên tơng đối nhỏ mật độ nớc / Theo định luật Hook, với biến dạng bé chất lỏng ứng lực tû lƯ thn víi biÕn d¹ng P=χ δρ , ρ (8.3) muối v áp suất Vì thực tế thờng sử dụng công thức thu đợc từ thực nghiƯm biĨu diƠn C qua nhiƯt ®é, ®é mi vμ áp suất Các công thức có dạng C (T , S , P ) = C + ΔCT + ΔC S + ΔC P + ΔCTSP , ë C giá trị gốc C khoảng T , S v P đà chọn, CT , ΔC S , ΔC P − c¸c hiƯu chØnh cho C nhiệt độ, độ muối v áp suất, CTSP hiệu chỉnh tính đến ¶nh h−ëng phi tun ®ång thêi cđa T , S , P Công thức Winson đợc xem l công thức xác nhất, mô đun đn hồi khối (Pa) C = 1449,14 m/s, Cũng theo tơng tự với công thức (8.2) cßn cã thĨ viÕt ∂P P = δρ ∂ρ η ΔCT = 4,5721T − 4,4532 ⋅ 10 −2 T − 2,6045 ⋅ 10 −4 T + 7,985 ⋅ 10 −6 T , ΔC S = 1,3980( S − 35) + 1,692 ⋅ 10 −3 ( S − 35) , (8.4) ΔC P = 0,160272 P + 1,0268 ⋅ 10 −5 P + 3,5216 ⋅ 10 −9 P − 3,3603 ⋅ 10 −12 P Tõ hai c«ng thøc sau cïng suy ∂P χ = ρ = C2ρ ∂ρ η ΔC TSP = ( S − 35)(−1,1244 ⋅ 10 −2 T + 7,7711 ⋅ 10 −7 T + (8.5) + 7,7016 ⋅ 10 −5 P − 1,2943 ⋅ 10 − P + 3,5080 ⋅ 10 −8 PT + + 1,5790 ⋅ 10 −9 PT ) + P (−1,8607 ⋅ 10 − T + 7,4812 ⋅ 10 −6 T + hay χ C = = (κ ρ ρ ) −1 , ρ (8.7) + 4,5283 ⋅ 10 −8 T ) + P (−2,5294 ⋅ 10 −7 T + 1,8563 ⋅ 10 T ) + (8.6) p hệ số nén đoạn nhiệt Các biểu thức tốc độ truyền âm nớc thông qua đạo hm áp suất theo mật độ, thông qua mô đun đn hồi thông qua hệ số nén đơn giản hình thức, nhng khó tính toán, tất đối số phụ thuộc vo nhiệt độ, ®é 383 + P (−1,9646 ⋅ 10 −10 T ) tất hiệu chỉnh C biểu diễn m/s, T độ bách phân, S phần nghìn, P kg/cm2 Nếu liệu áp suất áp suất đợc ớc lợng gần theo độ sâu quan trắc P = 1,033 + 0,1028 z + 2,38 ⋅ 10 −7 z − 6,8 ⋅ 10 −17 z , 384 z độ sâu m Để biểu diễn áp suất thnh Pa, phải nhân giá trị P với 10 g Sai sè cđa kÕt qu¶ tÝnh theo công thức ny ớc lợng 0,3 m/s đổi với khoảng cách Điều ny biểu trực quan dới dạng uốn cong tia âm hình 8.3 Tốc độ âm phụ thuộc phi tuyến vo T , S v P nh đà thấy từ công thức (8.7) Nhiệt độ tăng 1o lm tăng C trung bình 24 m/s Khi độ muối tăng %o C tăng khoảng 1,2 m/s Độ sâu tăng trăm mét lm tăng tốc độ âm khoảng 1,6 m/s Vậy nhiệt độ nớc ảnh hởng mạnh tới biến thiên tốc độ âm Còn có công thức thực nghiệm khác đơn giản hơn, nhng xác Ví dụ, công thức Del-Grosso đảm bảo độ xác xác định tốc độ âm tới 0,5 m/s Trong công thức nμy C = 1448,6 m/s vμ c¸c biĨu thøc ΔCT , ΔC S , ΔC P vμ ΔCTSP kh¸c chót Ýt Trong c«ng thøc cđa Fra vμ Pag C = 1449,3 m/s vμ c¸c biĨu thøc hiƯu chØnh cho C đơn giản so với công thức (8.7) Công thức đơn giản nhất, nhng xác l công thức C = 1450 m/s, ΔC T = 4,206T − 0,0366T , ΔC S = 1,137( S − 35) , ΔC P = 0,018 z , ΔC TSP = NÕu l−u ý nhiệt độ lớp đại dơng tới độ sâu khoảng 0,30,5 km giảm sau biến đổi yếu tốc độ âm giảm độ sâu ny Sau ảnh hởng áp suất bắt đầu biểu lộ mạnh v tốc độ âm tăng theo độ sâu, nh độ sâu no phần lớn khu vực Đại dơng Thế giới tồn cực tiểu C vùng cực, nơi xét trung bình nhiệt độ v ®é mi Ýt biÕn ®ỉi víi ®é s©u, tèc ®é âm tăng theo độ sâu áp suất thủy tĩnh Khái niệm chung khoảng biến đổi tốc độ âm Đại dơng Thế giới dẫn hình 8.2 Phụ thuộc tốc độ truyền sóng âm vo nhiệt độ, độ muối v áp suất dẫn tới chỗ hình dạng front sóng v tia âm biến 385 Hình 8.2 Khoảng tốc độ âm Đại dơng Thế giới: Bắc Băng Dơng; vùng ôn đới Thái Bình Dơng; vùng ôn đới Đại Tây Dơng Hình 8.3 Sơ đồ lan truyền front (2) v tia (3) từ nguồn âm (1) C trắc diện tốc độ âm Trong trờng hợp đơn giản đặc trng lan truyền sóng âm v ớc lợng tính chất lợng cần giới hạn việc mô tả đờng tia âm v tính chất sóng dọc theo đờng Phơng pháp tiếp cận ny gọi l âm học tia Bức tranh đầy đủ trờng âm đại dơng gây nên nguồn âm no thu đợc mô tả theo quan điểm sóng, theo quan điểm tia Phơng pháp tiếp cận ny gọi l âm học sóng Những luận điểm âm học tia đà đợc phát biểu từ kỷ 19 dựa định luật quang hình phát triển từ kỷ 18 Tuy nhiên, xem âm học tia l trờng hợp riêng âm học sóng v nhiều luận điểm tỏ 386 sáng tỏ sử dụng lý thuyết tổng quát Đến âm học tia đà đợc xây dựng đầy đủ áp dụng cho đại dơng v đợc trình by ti liệu chuyên khảo [1, 2, 5], chơng sách ny dựa ti liệu 8.2 Các phơng trình lan truyền sóng âm Chuyển động nớc đại dơng, có chuyển động sóng âm, đợc mô tả phơng trình thủy động lực học Ta xem sóng nh nhiễu động với biên độ bé v tiến hnh tuyến tính hóa phơng trình v chúng trở nên đơn giản 1 ∂V + ∇P = F, ρ0 ρ0 ∂t (8.8) ∂ρ + div (ρ V ) = , ∂t ∂2P = C div(∇P − F) t Ngời ta gọi phơng trình ny l phơng trình sóng biểu diễn áp suất âm P Nó đồng F = v không đồng trờng hợp lại Có thể nhận đợc phơng trình mô tả tốc độ dao động sóng Muốn phải đạo hm phơng trình (8.8) theo t v thay P / t từ phơng trình (8.11) ∂2V 1 ∂F = ∇ C divρ V + ρ ∂t ρ0 ∂t ( ) (8.13) Trong trờng hợp chuyển động không xoáy, tøc rotV = , (8.9) (8.14) cã thÓ ®−a hμm φ gäi lμ thÕ ©m häc cđa tr−êng V V = −∇φ (8.15) ∂V ∂φ = −∇ ∂t ∂t (8.16) Do ®ã ∂P ∂ρ =C2 , (8.10) t t V , P v nhiễu động đặc trng tơng ứng sóng âm gây nên, mật ®é nỊn cđa n−íc biĨn, F − ThÕ biĨu thøc ny vo phơng trình (8.8) cho thông lợng động lợng ma sát v ngoại lực khác Từ phơng trình (8.9) v (8.10) suy P + C div( ρ V ) = ∂t (8.12) (8.11) (8.17) Trong ®iỊu kiƯn ®ång nhÊt, tức F = trình dao động, từ phơng trình (8.17) suy P = t Nếu đạo hm phơng trình ny theo t v áp dụng toán tử div vo phơng trình (8.8) loại bỏ nhiễu động tốc ®é vμ thu ®−ỵc 387 1 ∂φ = ∇P F t (8.18) Nếu đạo hm phơng trình ny theo t v đạo hm P / ∂t 388 P = iρ ωφ , thay thÕ qua div V (8.11) vμ chó ý tíi ®iỊu kiƯn (8.15) ta cã ∂ 2φ = C ∇ 2φ ∂t (8.19) vμ tèc ®é dao ®éng u=− đà xem const Sóng âm l sóng phẳng, truyền hớng no giả sử đợc ký hiệu trục ox Khi biến thiên đặc trng âm theo hớng khác Do phơng trình (8.12), (8.13) v (8.19) trở nên đơn giản Ví dụ, phơng trình (8.19) cã d¹ng ∂ 2φ ∂ 2φ = C2 ∂t ∂x ∂φ = ikφ ∂x (8.23) Do Nh phơng trình (8.12), (8.13) v (8.19) l phơng trình sóng mô tả dao động áp suất âm, tốc độ dao động v vận tốc Nếu phơng trình đòi hỏi phải tính đến F phơng trình ®ã sÏ xt hiƯn mét sè h¹ng bỉ sung biĨu diƠn thÕ cđa tr−êng F (8.22) P= ρ uω k = ρ uC (8.24) C«ng thøc cuối cho thấy sóng âm phẳng tốc độ dao động v áp suất âm đồng pha Sóng âm hình trụ đợc biểu diễn phơng trình ∂ 2φ ∂ 2φ ∂ 2φ = C2 + , ∂x ∂t ∂z (8.25) trục x hớng theo trục hình trụ, trục z vuông góc với (8.20) NÕu xem r»ng r = x + z , chÊp nhËn φ chØ phô thuéc vμo Nếu sóng phẳng đợc tạo bề mặt dao động điều hòa vận tốc từ phơng trình (8.20) đợc biểu diễn công thức r v không phụ thuộc vo góc r v z phơng trình (8.25) đợc biến đổi thnh dạng (t , x) = A exp [i (ωt − kx)] , A biên độ, = τ − tÇn sè, k = 2π λ ∂ 2φ ∂φ ∂ 2φ = C2 + ∂r r ∂r ∂t (8.21) − sè sãng, i = − NghiÖm đợc biểu diễn qua hm Hankel, nhng với r đủ lớn nghiệm đợc giản hóa v có dạng Vì nhận đợc nghiệm (8.21) đà không tính đến ma sát, nên sóng phẳng không tắt dần theo khoảng cách Với phép giản hóa nh dựa theo công thức (8.18) suy 389 (8.26) φ (t , r ) = A 2π kr e i (ωt −kr ) (8.27) Theo c¸c công thức (8.15) v (8.18) xác định đợc áp suất âm v tốc độ dao động 390 P = iρ 0ωφ , V= φ 2r (1 + 2ikr ) Do tơng quan P v V đợc xác định công thức P= 2ir 0V + 2ikr (8.29) Từ thấy dao động tốc độ V v áp suất dịch pha so với Chỉ khoảng cách kể tõ nguån ©m cho 2kr >> vμ sè mẫu số bỏ qua đợc P = ρ CV , (8.30) tøc c¸c dao ®éng V vμ P míi cïng pha nh− sãng phẳng, nhng thân V v P suy giảm tû lƯ nghÞch víi r gièng nh− φ Trong trờng hợp sóng cầu phụ thuộc vo t v khoảng cách từ nguồn âm r phơng trình sóng đợc biểu diễn dới dạng C (rφ ) = r ∂r ∂t P= (8.28) (8.31) A i (ωt − kr ) e kr ngn ©m P vμ V lƯch pha so với v suy giảm với khoảng cách theo kiểu khác nh đà thấy từ công thức (8.33) 8.3 Các đặc trng lợng sóng âm Các đặc trng lợng sóng dọc giống nh sóng ngang gồm động E k , E p v E , thông lợng lợng hay cờng độ âm Tất đặc trng đợc xác định so với trạng thái không nhiễu động đại dơng Động thể tích nớc đơn vị sóng đợc xác định động thể tích nớc nguyên tố dao động v đợc biĨu diƠn b»ng c«ng thøc Ek = V= + ikr φ r ρ 0V (8.35) Thứ nguyên động hệ SI l J/m3 (8.32) Thế thể tích nớc đơn vị sóng đợc xác định công xảy biến dạng thể tích phạm vi biến thiên tơng đối mật độ: Khi P = i , (8.34) Giống nh sóng âm hình trụ, khoảng cách kr >> công thức (8.34) đợc giản hóa tới dạng (8.30) v sóng cầu có tính chất sóng phẳng, nhng P v V suy giảm giống nh tỷ lệ nghịch với khoảng cách vùng lân cận Nghiệm phơng trình nμy cã d¹ng φ (t , r ) = iρ 0ωrV + ikr (8.33) δ E p = Pd , Tơng quan P v tốc độ dao động V biểu diễn công thức 391 392 (8.36) ®ã δ = δρ ρ0 thêi J t v u t đợc biểu diễn công thức Pt = Pm sin( t kx), Vì theo định nghĩa P = , = const tõ (8.36) suy Ep = χ δ 2 = ρ 0V (8.38) P2 ρ 0C P2 ρ 0C = PV (8.40) P u sin τ m m J = Pe u e = (8.39) Thông lợng đợc mang đơn vị thời gian qua diện tích đơn vị vuông góc với hớng truyền sóng đợc gọi l cờng độ (sức mạnh) âm Vì sóng truyền với vận tốc C nªn J t = EC = Pm u m (8.42) Thông thờng thay Pm v u m ngời ta sử dụng P u gọi l trị số hiệu dụng Pe = m v u e = m Khi dạng viết 2 cờng độ âm tức thời nh trung bình không thay đổi J= Ta thấy động Đó l cha ý tới chi phí lợng cho ma sát Do cđa sãng ©m sÏ lμ E = E k + E p = ρ 0V = Trong tr−êng hỵp ny (8.37) Nếu tính đến tơng quan (8.30) Ep = (8.41) Pm v u m biên độ dao động áp suất v tốc độ P P = 2χ ρ 0C u t = u m sin(ω t − kx) , (ω t − kx)dt = Pe2 = ρ Cu e ρ 0C (8.43) Tõ c«ng thøc (8.43) thấy cờng độ âm sóng phẳng không thay đổi với khoảng cách từ nguồn tốc độ âm không thay đổi v không tính đến hấp thụ âm Trong trờng hợp sóng âm hình trụ đối xứng biến thiên theo quy luật hình sin giá trị tức thời áp suất v tốc độ dao động ë vïng xa (kr >> 1) theo t−¬ng tù víi công thức (8.41) biểu diễn biểu thức Cờng độ âm đợc gọi l mật độ dòng lợng âm v hệ SI có thứ nguyên W/m2 Do P v V dao động, nên dùng đại lợng biến thiên J t thuận tiện để đặc trng cho sức mạnh âm Vì thay J t dao động ngời ta thờng dùng đại Pt = Pm r sin( t − kr ), Vm r sin(ω t − kr ) (8.44) Các công thức ny suy từ công thức (8.27) v (8.28) Với lập luận nh đà lm sóng phẳng, ta có lợng giá trị trung bình chu kỳ sóng J trụ = Nếu máy phát tạo sóng phẳng hình sin giá trị tức 393 Vt = 394 PeVe r (8.45) Khác với sóng phẳng, cờng độ âm sóng hình trụ suy giảm tỷ lệ nghịch với khoảng cách chí cha có hấp thụ v tán xạ âm Đó l sóng ©m ph©n kú NÕu Pt vμ Vt c¸c sãng cầu dao động theo hình sin Vì J = (8.47) cã thĨ biĨu diƠn d−íi d¹ng P N = 20 lg Pp ë vïng xa môi trờng đồng dựa công thức (8.32) vμ (8.33) cã thÓ viÕt Pt = Pm sin(ω t − kr ), r Vt = PeVe r2 (8.48) Tuy nhiên, ớc lợng tín hiệu âm phản xạ ngời ta chấp nhận Pp áp suất sóng âm tới vật cản Trong , (8.46) tức cờng độ âm suy giảm tỷ lệ nghịch với bình phơng khoảng cách từ nguồn âm tăng bề mặt hình cầu m âm tới Vì chuyển sang Pe v Ve công thức cờng độ âm lấy trung bình giữ nguyên nh với giá trị tức thời J t nên thực tế dÊu t vμ e c¸c ký hiƯu J , P v V thờng không cần dùng Trong phần trình by tiếp sau lm nh Dải cờng độ âm gặp thực tế có độ lớn số bậc Để nén dải lại v thuận tiện giải nhiều bi toán thủy định vị ngời ta sư dơng thang logarit cđa J Gi¶ sư có cờng độ âm sở no J p , ng−êi ta ®−a quan hƯ J N = 10 lg Jp Ngời ta sử dụng giá trị khác để lm trị số sở J p v Pp Trong hải dơng học thờng sử dụng Pp = 0,1 Pa Vm sin(ω t − kr ) r Từ suy J cầu = P2 nên C v không thay đổi công thức C (8.47) Đại lợng không thứ nguyên N tính theo công thức ny đợc biểu diễn thnh đêxibel (dB) 395 trờng hợp ny áp suất sóng phản xạ thờng bé áp suất sóng tới Khi thấy N < Để phân biệt cờng độ âm tính theo đơn vị có thứ nguyên v tính theo đêxibel, ngời ta gọi cờng độ âm tính theo đêxibel l mức cờng độ hay sức mạnh âm 8.4 Truyền âm qua ranh giới môi trờng có mật độ khác Giống nh sóng no, sóng âm từ môi trờng có mật độ v tốc độ truyền vo môi trờng có mật độ v tốc độ truyền khác bị phản xạ phần, sóng qua bi lệch hớng so với sóng ban đầu Chẳng hạn hình 8.3 ®· thĨ hiƯn ®iỊu nμy tr−êng hỵp tèc ®é âm biến đổi liên tục Theo quan điểm tia mô tả đặc trng âm đại dơng ngời ta thờng giả thiết đại dơng chia thnh nhiều lớp, lớp mật độ nớc v tốc độ truyền âm không đổi Cũng cần phải biết đặc điểm truyền âm qua mặt v qua đáy đại dơng, nhiều trờng hợp sóng âm tới ranh giới 396 Để khái quát biến tính sóng âm biên phân cách hai môi trờng , C1 vμ ρ , C ng−êi ta th−êng xuất phát từ quan niệm sóng phẳng có tia ®i tíi d−íi mét gãc tíi α so víi thể đợc mô tả công thức P1 = Ae i (ω t − xk1 sin α1 − zk1 cosα1 ) , P1' = AR0 e i (ω t − xk1 sin α1 + zk1 cosα1 ) , biªn cđa hai líp (h×nh 8.4) P2 = ARn e i (ω t − xk sin α − zk cos α ) (8.51) , P1′ P , Rn = hệ P1 P1 số phản xạ v truyền qua sóng âm, k1 v k mô đun A biên độ áp suất âm, R0 = vectơ sóng hai môi trờng, z = biên phân cách môi trờng Hình 8.4 Sơ đồ phản xạ v khúc xạ tia âm biên phân cách hai lớp có mật độ v tốc độ truyền khác áp suất sóng ban đầu P1 biên bị phản xạ phần P1 theo góc , phần áp suất lại P2 qua vo líp thø hai, lƯch ®i mét gãc α Tại biên ( z = 0) cần phải thỏa mÃn Thế biểu thức (8.51) z = vo phơng trình (8.49) cho biểu thức (1 + R0 ) = Rn e ix ( k1 sin α1 k2 sin ) Vì vế trái công thức (8.52) không phụ thuộc vo x nên vế phải phụ thuộc vo x , ta cã ®iỊu kiƯn k1 sin α − k sin α = P1 + = P2 (8.53) ViÕt l¹i biĨu thøc nμy d−íi d¹ng k1 sin α = k sin α ®iỊu kiƯn P1' (8.52) (8.49) Hay, v× k = ω / C , ta có công thức đà biết Snell vμ ∂P1 ∂P1' ∂P2 = + ρ1 ∂z ∂z ρ ∂z C sin α = C1 sin α (8.50) §iỊu nμy cã nghÜa lμ biên gián đoạn áp suất âm vμ gia tèc thđy tÜnh Trong nhiỊu tr−êng hỵp thn tiện l viết công thức ny qua góc tới m qua góc khúc xạ χ Tõ c¸c biĨu thøc (8.21) vμ (8.22) suy áp suất âm có 397 (8.54) 398 dr = dz ctg (8.64) Dấu + đợc dùng trờng hợp tia hớng xuống dới, dấu tia lên phía Công thức ny cho phép tính hình chiếu tia lên phơng nằm ngang tia từ điểm z xuống độ sâu z z z z0 z0 r = ± ctgχ dz = ± cos χ dz n ( z ) − cos χ theo tia, tức thông qua đạo hm d / dl Trị số ny nhận đợc cách đạo hm c«ng thøc cđa Snell theo z − C sin χ dχ dC = cos χ dz dz Sử dụng công thức (8.66) cho phép biến đổi biểu thøc nμy tíi d¹ng (8.65) cos χ dC dχ =− dl C dz (8.69) Trong dÉn lập biểu thức (8.65) đà sử dụng công thức (8.63) vμ c¸c kÝ hiƯu n( z ) = C / C ( z ) , C vμ χ tốc độ v góc khúc xạ tia tầng z Biểu thức ny thuận tiện chỗ Thấy độ cong tia tỷ lệ thuận với građien tốc độ âm Khi trị số dơng góc khúc xạ giảm, trị số âm tăng có tốc độ truyền âm l biÕn Tõ tam gi¸c Oab suy ob = δ l = δz / sin χ Khi chun tíi tam giác vô bé viết Độ cong tia tầng no lm cho xảy trờng hợp = Khi tia âm thay đổi hớng, điểm xảy kiện ny đợc gọi l điểm phản xạ nội ton phần (hình 8.6) dz dl = sin (8.66) Từ công thức ny theo tơng tự với công thức (8.65) nhận đợc độ di tia l từ tầng z tới z Nhng thờng xuyên l ngời ta sử dụng công thức (8.66) để xác định thời gian xung ©m dt = dl dz = C C sin χ (8.67) Tõ c«ng thøc nμy suy z t= dz C sin χ = C z0 z z0 n dz n ( z ) − cos χ (8.68) H×nh 8.6 Sơ đồ khúc xạ tia âm kênh âm ngầm A, B vùng tối âm, điểm phản xạ nội ton phần Trong nhiều trờng hợp uốn cong tia âm khúc xạ đợc đánh giá thông qua biến đổi góc khúc xạ dọc 403 Trong trờng hợp ny từ c«ng thøc Snell suy 404 C0 = cos χ C ( z) (8.70) Tøc lμ tïy thuéc vo trắc diện C ( z ) điều kiện vế trái công thức nhỏ xác định góc tia tới cho tầng xét xảy phản xạ nội ton phần Phải nhận thấy tất công thức đà dẫn mục ny để tính góc khúc xạ, khoảng cách v thời gian qua tín hiệu tính đến điểm phản xạ nội ton phần Tiếp sau tính toán thực theo công thức nhng phải tính đến thay đổi dấu quay ngoặt tia âm Nếu theo phơng ngang tốc độ âm không biến đổi đờng cong tia âm l ánh xạ gơng tia khúc xạ trớc điểm phản xạ nội ton phần tiểu đợc gọi l trục kênh âm ngầm Trong phạm vi kênh âm ngầm phần bên ngoi tia giới hạn hình thnh vùng tối hình học (các vùng A, B hình 8.6), gần điểm phản xạ nội ton phần diễn tập trung tia, gọi l vùng hội tụ Nguồn âm cng gần trục kênh độ rộng vùng tối giảm v vùng hội tụ tăng Nếu nguồn âm nằm trục kênh âm ngầm vùng tối không xuất (hình 8.7) Khi tốc độ âm giảm theo độ sâu tia phía dới nguồn âm bị phản xạ nội ton phần Bởi điều kiện vế trái công thức (8.70) lớn v không tơng ứng với vế phải Vùng (A, B) tia không bị phản xạ từ bề mặt biển hay từ đáy biển tới đợc gọi l vùng tối Cờng độ âm suy giảm mát phản xạ tia Nếu tồn điểm cực tiểu trắc diện thẳng đứng tốc độ âm nh hình 8.6 hình thnh điều kiện cho tất tia âm bị phản xạ từ bề mặt hay từ đáy biển Lớp nớc biển có tia bị phản xạ nội ton phần mặt biển hay đáy v đợc xác định nh l tia giới hạn đợc gọi l kênh âm ngầm Vì phạm vi lớp ny cờng độ âm không bị mát phản xạ từ môi trờng khác hay môi trờng khác, nên âm lớp ny bị suy yếu với khoảng cách so với bên ngoi lớp Tầng sâu tốc độ âm cực 405 Hình 8.7 Sơ đồ vùng hội tụ ( DD ), đờng bao DD điểm tụ âm, A, B , A, B vùng tối âm; a trắc diện thẳng đứng tốc độ âm, b khúc xạ tia âm Vì vùng đại dơng ôn đới v xích đạo nhiệt đới độ sâu định tồn cực tiểu tốc độ âm nên có kênh âm ngầm Do đặc thù truyền âm nơi m ngời ta đà tiến hnh nghiên cứu tỉ mỉ khía cạnh tợng v mô tả văn liệu chuyên đề [1, 5] Các công thức đà trình by âm học tia áp 406 dụng trờng hợp xét khúc xạ phơng ngang tia âm biến đổi tốc độ âm theo phơng ngang (do nhiệt độ v độ muối) Quỹ đạo tia bị thay đổi mạnh gặp phải dòng chảy lạnh nóng, xoáy synop có phân bố nhiệt độ v độ muối khác biệt với môi trờng xung quanh Trong trờng hợp tia bị lệch phía nhiệt độ độ muối thấp Khi tia âm qua sóng nội bị lệch khỏi hớng ban đầu phơng thẳng đứng v phơng ngang thăng giáng tốc độ âm sóng nội Mô tả khúc xạ tia môi trờng biến đổi tốc độ âm ba chiều phức tạp Trong trờng hợp ny phơng trình xuất phát tỏ phức tạp việc giải Có thể lm quen với phơng trình v phơng pháp giải văn liệu chuyên ®Ị [1, 3, 5] 8.6 BiÕn ®ỉi c−êng ®é ©m với khoảng cách mục 8.3 đà nhận xét cờng độ âm sóng trụ v sóng cầu suy giảm với khoảng cách chí hấp thụ v tán xạ Đà nhận xét công thức (8.45) v (8.46) tốc độ âm không đổi Còn đại dơng không đồng m phân tầng, phải tính đến uốn cong ống tia âmlm cho công suất nguồn âm W bị phân bố diện tích khác so với phân bố môi trờng không phân tầng Thật vậy, môi trờng đồng nguồn phát âm với công suất W khoảng cách R từ nguồn cờng độ âm không kể tới hấp thụ v tán xạ l Hình 8.8 Biến đổi pha tia âm qua sóng nội [5] JH = Sự khúc xạ tia âm khó ghi nhận quan trắc, thờng ngời ta ghi nhận độ lệch pha biên độ cđa tÝn hiƯu Pha cđa tÝn hiƯu phơ thc vμo tần số v thời gian qua = ft , m thời gian qua liên quan tới khúc xạ tia Trên hình 8.8 dẫn ví dụ biến đổi trình khúc xạ tia âm qua sóng nội (8.71) Trong môi trờng phân tầng ống tia âm với thiết diện d từ nguồn âm dới góc khúc xạ bị uốn cong (hình 8.9) Có thể xem công suất âm ống quan hệ với ton công suất W nh l gãc lËp thĨ cđa èng quan hƯ víi gãc lËp thể hình cầu, tức dW cos d = W Khi tia âm qua dòng chảy độ lệch pha biến đổi tỷ lệ với khoảng cách qua dòng chảy, tức tỷ lƯ víi sù khóc x¹ tia 407 W 4πR 408 (8.72) Gia sè nguyªn tè cđa diƯn tÝch bề mặt d m công suất dW phân bố ®ã cã thĨ biĨu diƠn b»ng c«ng thøc dΠ = d (πr ) = 2π rdr J= (8.73) Vì ớc lợng cờng độ âm phải sử dụng thiÕt diƯn vu«ng gãc cđa èng tia, tøc BC chø l dr , nên công thức (8.73) phải nhân thêm vế phải với sin Ngoi ra, để tiếp tục giản lợc công thức ta sử dụng biểu diễn dr = Do từ công c«ng thøc (8.72) vμ (8.74) ∂r dχ ∂χ dW = dΠ ⊥ W cos χ ∂r 4π r sin χ ∂χ (8.75) Tõ c«ng thức thu đợc suy cờng độ âm sóng cầu đại dơng phân tầng phụ thuộc không vo công suất nguồn âm, m vo uốn cong ống tia đặc trng góc khúc xạ v nh độ di dịch ngang r Để ớc lợng ảnh hởng phân tầng đại dơng tới cờng độ âm ngời ta sử dông tû sè fc = R cos χ J = , JH ∂r sin χ r ∂χ (8.76) gọi l nhân tố tiêu điểm Khi f c < phân tầng đại dơng gây nên suy yếu âm phân kỳ ống tia Khi f c > x¶y sù tËp trung âm nh đà thấy ví dụ vùng hội tụ Đơng nhiên f c = chứng tỏ ảnh hởng phân tầng tới biến đổi cờng độ âm với khoảng cách Phải nhận thấy ớc lợng nhân tố tiêu điểm theo công thức (8.76) đà không ý tới hấp thụ v tán xạ sóng âm Nhân tố f c Hình 8.9 Các ống tia âm môi trờng đồng (a) v không đồng (b) phụ thuộc vo đặc điểm khúc xạ tia âm Kết lμ gia sè diÖn tÝch thiÕt diÖn èng tia dΠ đợc xác định công thức d = 2r r d sin Đôi phân tích ảnh hởng phân tầng tới cờng độ âm ngời ta sử dụng khái niệm dị thờng phân bố âm đợc xác định công thức A = 10 lg f c (8.74) Trong tr−êng hợp ny A đợc biểu diễn thnh đêxibel 409 410 (8.77) Từ công thức (8.76) thấy điểm phản xạ nội ton phần ( = 0) f c = Điều ny mâu thuẫn với chất vật lý v l phép gần lý thuyết tia truyền sóng âm Vì lân cận điểm (đờng bao điểm đợc gọi l vùng tụ tia) f c không đợc xác định theo công thức đà dẫn Ngời ta thờng gọi biến đổi âm với khoảng cách nh đà mô tả l biến đổi hình học, tức diễn phân kỳ v khúc xạ tia âm Sự suy yếu âm kết hấp thụ v tán xạ sóng đợc mô tả thông qua biến đổi áp suất âm sóng phẳng dP = dl , P số suy yếu âm (8.78) Do đó, với không ®æi däc theo tia P = P0 e − β l , (8.79) P0 trị số áp suất âm đầu quỹ đạo Dựa quan hệ (8.43) ta cã J = J e −2 β l , (8.80) ®ã J − c−êng ®é âm ban đầu Sự suy yếu âm ny bổ sung vo suy yếu hình học, để tính tới suy yếu hình học phải thêm nhân tử mũ theo kiểu công thức (8.80) vo công thức mục 8.3 Ta có đợc quan niệm chất từ quan hệ cờng độ âm trung bình v tiêu tán trung bình D Trong trờng hợp sóng phẳng tốc độ dao động dọc theo trục Ox mô tả công thức u = u m sin kx Khi ®ã 411 J= λ ρ Cu λ dx = ρ Cu m (8.81) Sù tiêu tán lợng sóng D diễn ma sát lớp nớc dao động v trình phục hồi Sự tiêu tán động thnh nội đà xem xét chơng Trong trờng hợp đơn giản tiêu tán tỷ lệ với hệ số nhớt động học v bình phơng građien tốc độ Các trình phục hồi bị chi phối biến dạng gần có trật tự phân tử H2O, cân nhiệt động lực học bị phá hủy v để khôi phục cân phí Ngoi ra, tăng v hạ áp suất sóng âm qua ảnh hởng tới phân ly v tái kết hợp ion muối nớc biển Ví dụ, tăng áp suất tăng mức phân ly phân tử muối MgSO4, giảm áp suất tăng tái kết hợp hợp phần ion muối ny Điều diễn đồng thời với dao động ¸p st sãng, mμ víi mét ®é trƠ pha víi h»ng sè thêi gian b»ng gÇn 10 −6 s Các trình tơng tự diễn với muối khác nớc biển Để khôi phục cân phân ly v tái kết hợp ion tất muối nh điều kiện bình thờng phải tiêu phí sóng Nó đợc xem lμ tû lƯ víi ®é nhít khèi cđa n−íc biĨn v , độ nhớt ny lớn độ nhớt trợt 35 lần Một cách gần xem 2 du du D = κρ + κ v ρ , dx dx số hạng thứ biểu diễn tiêu tán ma sát, số hạng thứ hai trình phục hồi 412 Với cách mô tả tốc độ dao động nh trên, tiêu tán trung b×nh chu kú sãng sÏ b»ng D= λ um ρ0k ρ0 du κ + κ v dx = κ +κv λ 3 dx 3 Từ hình 8.10, biểu diễn kết xác định thực nghiệm hệ số tắt dần âm, thấy khoảng biến thiên hệ số ny rộng (8.82) Trong tr−êng hỵp nμy β= 2 D 4 k 4 ω = κ +κv = κ +κv , J 3 C 3 C (8.83) tøc l sóng tần cao bị suy yếu mạnh so với sóng tần thấp Công thức thu đợc đợc xác hóa chút tính thêm hiệu ứng liên quan tới khác hệ số nhiệt dung đẳng thể tích v đẳng áp nớc biển Trong đại dơng phân tầng có bất đồng mật độ nớc, bọt khí, đối tợng sinh học v đối tợng khác ngoi hấp thụ có tán xạ âm ảnh hởng tới suy yếu âm Tính đến hiệu ứng ny khó, để ớc lợng tắt dần chung cờng độ âm ngời ta thờng sử dụng công thức thực nghiệm, đặc điểm phụ thuộc quan trọng vo tần số âm đợc bảo tồn Ví dụ Saf b , β ′ = 8,68 ⋅ 10 −3 f T + f + f fT T (8.84) f T tÇn sè phơc håi tÝnh b»ng kHz, a = 2,34, b = 3,38 − c¸c hƯ sè thùc nghiƯm, S − ®é mi cđa n−íc HƯ sè β ′ th−êng ®−ỵc biĨu diƠn thμnh dB/km vμ quan hƯ víi β b»ng mèi phô thuéc sau β ′ = 10 β lg e (8.85) 413 H×nh 8.10 Phơ thc cđa số suy yếu cờng độ âm vo tần số [5]: 1, kết xác định thực nghiệm, I tính theo công thức hiệu øng phơc håi, II − tÝnh theo c«ng thøc (8.84) Tại tần số thấp suy yếu âm nhận thấy khoảng cách số nghìn km v có giá trị cỡ 10 dB/km Vì âm từ vụ phun núi lửa dới nớc hay chuyển động đáy lan truyền khoảng cách lớn hầu nh không tắt dần Khi ảnh hởng tới l hấp thụ túy, m l tán xạ âm Khi tần số tăng phần đóng góp hấp thụ âm lm suy yếu tăng lên Biến đổi cờng độ âm từ nguồn hình cầu không định hớng đợc biểu diễn dới dạng công thức (8.71) v (8.80) số trờng hợp nên viết lại dới dạng có thay đổi đôi chút thuận tiện Thật vậy, J biểu thị nh sau: 414 J= W e − βR 4πR (8.86) Nếu J khoảng cách đơn vị R1 từ nguồn âm đợc biểu diễn công thức J1 = W , 4πR12 ph¶i tÝnh tíi hƯ sè ph¶n xạ K biến đổi từ hấp thụ âm hon ton vật cản đến phản xạ âm hon ton Tín hiệu âm tới máy phát từ vật phản xạ bị suy yếu kết phân kỳ hình học, hấp thụ v tán xạ sóng âm Nếu tính tới hiệu ứng ny dẫn tới công thức R J = K J e − βR , R ®ã tắt dần âm không đợc đa vo tính R1 bÐ, th× N = N − L( R) − β ′R + K ′ , R J = J e − βR R (8.87) ViƯc chun đổi J thnh dB đợc thực theo công thức (8.47), tøc ®em chia cho J p , sau ®ã lÊy logarit vμ nh©n víi 10: 10 lg J J R = 10 lg − 20 lg − 20 βR lg e Jp Jp R1 (8.88) VÕ tr¸i công thức, gọi l sức mạnh âm khoảng cách R kể từ nguồn, thờng đợc ký hiệu N (R ) vế phải công thức chứa: mức phát máy phát N , đặc trng cho sức mạnh âm khoảng cách R1 = m kĨ tõ ngn; tiÕp theo ®Õn thnh phần đặc trng cho mát âm phân kỳ hình học L(R ) v mát âm kết hấp thụ v tán xạ Với ký hiệu nh trên, công thức (8.88) biến đổi thnh N ( R) = N − L( R) − β ' R (8.89) DÜ nhiªn tïy thuéc vμo kiểu sóng m thnh phần L thay đổi Ví dụ, sóng phẳng thnh phần ny hon ton không tồn Khi xét phản xạ tín hiệu âm, công thức (8.87) cần 415 (8.90) (8.91) N − møc tÝn hiƯu b»ng dB m¸y thu ©m tiÕp nhËn, J ' ( R) − hÖ sè phản xạ dB tỷ lệ thuận với tỷ số K ' = 10 lg J ( R) gi÷a c−êng độ tín hiệu phản xạ từ vật cản J v tín hiệu tới vật Vì tỷ số ny thờng l nhỏ 1, nên K đợc biểu diễn trị số dB âm Nhiều ngời ta gọi K l sức mạnh đích Công thức (8.91) thực tế thờng đợc gọi l phơng trình máy thủy định vị Phơng trình ny đợc bổ sung tính đến diện tích tơng đối vật phản xạ, góc lập thể phát âm v góc lập thể phản xạ âm v.v Tất hiệu chỉnh không lm thay đổi nguyên tắc công thức Trong công thức (8.87)(8.91) khoảng cách R phụ thuộc vo khúc xạ tia âm, m sức mạnh âm thay đổi Trên hình 8.11 l ví dụ biến đổi sức mạnh âm với khoảng cách từ nguồn không định hớng đặt độ sâu 200 m phần trung tâm vòng xoáy xoáy thuận bên rìa Gơntrim (1) Để so sánh đà dẫn đờng cong (2) theo tính toán máy phát tơng tự đặt bên ngoi vòng xoáy [5] Từ hình vẽ thấy khúc xạ tia mức sức mạnh âm trờng hợp thứ 416 giảm nhanh so với trờng hợp thứ hai Cực đại N khoảng cách 60 km vμ 120 km tõ m¸y ph¸t lμ hội tụ tia vùng chi phối nhiên) Giống nh trớc đây, lấy áp suất âm lm tham số xuất phát thnh phần thứ giá trị trung bình P0 , thnh phần thứ hai P0' = Theo thnh phần liên hiệp áp suất phản xạ xác định hệ số phản xạ R0 = P0 / P , theo thnh phần không liên hiệp hệ số tán xạ ms = R2Js , J (8.92) J s , J cờng độ lấy trung bình tín hiệu âm tán xạ vμ tÝn hiƯu tíi, Π − diƯn tÝch khu vùc bề mặt tán xạ, R khoảng cách từ điểm quan trắc đến tâm diện tích Hình 8.11 Biến đổi mức sức mạnh âm qua vòng xoáy xoáy thuận (1) v theo tính toán bên ngoi vòng xoáy (2) [5] Hình 8.12 Sơ đồ tán xạ (các đờng gạch nối) tia âm (các đờng liền) từ bề mặt sóng 8.7 Sự phản xạ v tán xạ sóng âm Những quy luật đà dẫn mục 8.4 phản xạ v qua âm qua bề mặt phân cách môi trờng chất lỏng với mật độ khác bề mặt ny phẳng Chúng không thỏa mÃn xấp xỉ đại dơng thnh lớp bề mặt v đáy đại dơng Sự thật l tia sóng âm tới khu vực khác bề mặt đại dơng dậy sóng v tới chỗ gồ ghề địa hình đáy dới góc khác Vì phản xạ hình học diễn hớng khác (hình 8.12) Khi xét đặc điểm phản xạ nh ngời ta quy ớc chia thnh thnh phần liên hiệp (đều đặn) v không liên hiệp (ngẫu 417 Do tán xạ phần lợng sóng âm hệ số phản xạ bé so với trờng hợp bề mặt phẳng lý tởng Tơng quan lợng âm phản xạ v tán xạ phụ thuộc vo tham số Relay Ra = 2kσ ζ cos α , ®ã k − sè sóng âm, trị số bình phơng trung bình yếu tố gồ ghề biên phân cách môi trờng (trong trờng hợp xét lμ ®é cao sãng), α − gãc tíi cđa tia sóng Khi Ra > tán xạ âm diễn mạnh mẽ v hệ số phản xạ trở nên bé Ngay từ Ra độ liên hiệp phản xạ thực tế không v phản xạ có tính chất khuếch tán Bởi m s thông qua J s phụ thuộc vo đặc điểm sóng biển, nên theo hệ số tán xạ ng−êi ta cã thĨ suy xÐt vỊ bỊ mỈt dËy sóng đại dơng Thông tin hệ số phản xạ v tán xạ âm bề mặt đại dơng dậy sóng có giá trị thực tế to lớn, ngời ta đà xây dựng phơng pháp xác định hệ số theo đặc điểm sóng biển đà cho Có thể lm quen với phơng pháp ny văn liệu chuyên đề [2, 5] Đánh giá phản xạ v tán xạ lợng sóng âm đáy biển phức tạp nữa, phần lợng đáng kể xâm nhập vo đất đáy, nhng thnh phần liên hiệp v không liên hiệp âm phản xạ phụ thuộc vμo tham sè Relay Tham sè nμy cμng lín th× tỷ phần lợng tán xạ cng lớn so với lợng liên hiệp Quan trắc cho thấy chí với góc tới gần 0o hệ số phản xạ từ đáy phẳng bé 0,5, từ đáy với địa hình phức tạp không vợt 0,1 Phản xạ v tán xạ âm diễn bề dy đại dơng bọt không khÝ, c¸ vμ c¸c sinh vËt kh¸c, c¸c thĨ tÝch nớc với nhiệt độ v độ muối nhiễu động Những tợng ny l xoáy quy mô vừa, sóng nội, rối chi phối Tán xạ lợng sóng âm mạnh mẽ l bọt không khí v cá bơi; dới tác động áp suất âm biến đổi chúng rung động v phát vo nớc xung quanh sóng dọc 419 hình cầu Trong tán xạ đặc biệt mạnh diễn trờng hợp cộng hởng, tần số cộng hởng đợc xác định theo công thøc [5]: fr = 327 + 0,1 z , r (8.93) r bán kính bọt cm, z độ sâu m Thấy bọt cộng hởng tán xạ âm 20 nghìn lần mạnh so với vật tán xạ không cộng hởng kích thớc Vì lớp xáo trộn sóng bÃo hòa bọt khí tán xạ âm mạnh Các đn cá gây nên tán xạ tín hiệu âm cao sủi bọt chúng bơi đóng vai trò giống nh bọt không khí Tán xạ âm bề dy nớc đợc ớc lợng công thức tơng tự nh (8.92), thể tích tán xạ v đợc đa vo thay cho diện tích bề mỈt mv = R2Jv vJ (8.94) Trong thùc tÕ ngời ta thờng quan tâm l tán xạ nói chung, m l tán xạ hớng tới nguồn âm, tức tán xạ ngợc Bởi tán xạ ngợc đồng với phản xạ để theo nhận thông tin đối tợng tán xạ Trong nhiều trờng hợp cần xác định giá trị tích phân tán xạ ngợc lớp no z2 M = m v dz (8.95) z1 Đại lợng ny gọi l sức mạnh lớp Theo số liệu đo tần số 12 kHz giá trị M từ 60 đến 70 dB Nếu tăng tần số tới 1020 kHz sức mạnh lớp tăng lên đến khoảng 50 dB 420 Ng−êi ta nhËn thÊy cã mèi phơ thc cđa M vo vĩ độ đặc điểm tập trung sinh vật Giá trị lớn M l xích đạo Trong xoáy nghịch cận nhiệt đới M giảm xuống 10 dB, ôn đới lại tăng đến giá trị xích đạo Giá trị M nhỏ ghi nhận đợc vĩ độ cực v lân cận Phản xạ v tán xạ tín hiệu âm yếu tố bất đồng v đối tợng đại dơng mặt xem nh tợng tích cực, cho phép suy xét đối tợng tán xạ Mặt khác tín hiệu phản xạ chúng gây khó khăn cho việc phát tín hiệu có ích định vị hồi âm Vì vËy ng−êi ta th−êng chØ tiÕn hμnh −íc l−ỵng c−êng độ tín hiệu phản xạ no khác nhiều hình dạng so với tín hiệu phát Tín hiệu phản xạ mờ nhạt phản xạ đối tợng gần v xa v tín hiệu nhận thấy đỉnh cờng độ âm Hiện tợng nh thùc chÊt lμ håi ©m d−íi n−íc, cịng nh− lμ âm vang, đợc gọi l âm vọng Trong trờng hợp âm vọng bên nớc đơn giản cờng ®é cđa nã J r tû lƯ thn víi c−êng v ngợc lại từ thể tích phản xạ, tức Ct = R TÝn hiƯu chun ®éng thμnh mét dải độ rộng r , nhng sau phản xạ phải qua khoảng cách đó, nên 2r = C Vậy để nhận đợc biểu thức cờng độ âm vọng, công thức (8.96) phải tích phân giới hạn từ R đến R + r Trong cần phải tính đến biến đổi cờng độ tín hiệu đợc đặc trng công thøc (8.87) vμ thÓ tÝch dv = 4πr dr Cuối ta thu đợc J r = J R12 (8.96) ®ã α r − hƯ sè ©m väng, phơ thc vμo sè l−ỵng, thĨ tÝch cđa vật phản xạ v hệ số phản xạ ©m tõ chóng Theo sè liƯu quan tr¾c hƯ sè âm vọng biến thiên phạm vi lớn từ 10 đến 10 m1 Đơng nhiên phải giả thiết âm tán xạ tắt dần với khoảng cách giống nh sóng cầu Khoảng cách r liên quan với ®é dμi tÝn hiƯu ©m τ NÕu tÝn hiƯu đợc ghi nhận sau thời gian t sau phát, thời gian qua quÃng đờng tíi 421 α r e −4 β r r − dr (8.97) R Th«ng th−êng tÝnh tÝch phân ny ngời ta sử dụng giá trị J r b»ng c¸ch chÊp nhËn r = R mÉu sè cđa biĨu thøc d−íi dÊu tÝch ph©n Cịng xem phạm vi khoảng lấy tích phân r không thay đổi Với giả định α J R J r = r e − βR − e − βR 4β R ®é tÝn hiƯu đến J v thể tích tán xạ v Je −2 βR dJ r = r dv , 4π r R+r ( ) (8.98) Bëi v× thay v× R v r ta đợc biết t v , nên đại lợng ny đợc đa vo theo quan hệ đà nêu v ta nhận ®−ỵc Jr = 2α r J R12τ Ct e − βC t (8.99) Tõ c«ng thøc suy cờng độ âm vọng tỷ lệ với độ di tín hiệu phát , để giảm J r nên thực thủy định vị tín hiệu ngắn Cũng thấy thời gian kể từ thời điểm phát tín hiệu cng lớn J r cng yếu Điều ny hon ton tự nhiên, âm phản xạ đến từ đối tợng 422 xa bị tắt dần đờng hớng tới lẫn hớng ngợc lại Công thức (8.99) sử dụng thực tế đợc xác hóa cách tính đến góc lập thể định hớng âm phát, đặc tr−ng kü tht cđa m¸y ph¸t vμ m¸y thu v.v Các công thức thay đổi nhiều xác định J r lớp mặt đại dơng hay đáy Về khác biệt l chỗ biểu diễn thể tích v công thức (8.96) hình cầu, m lớp no hay hình chóp cụt Khi công thức cuối (8.99) có thay đổi hình dạng, nhng đặc điểm đợc bảo tồn Chi tiết phơng pháp ớc lợng âm vọng lm quen văn liệu chuyên đề, ví dụ [4] Do có khó khăn nên đặc trng sau đợc xác định hơn: phân bố góc cờng độ nhiễu, mối liên hệ tơng quan v nhân tố gây nhiễu v.v Trong đo nhiễu điểm máy thu ngời ta xác định mối phụ thuộc cờng độ nhiễu hay áp suất âm vo thời gian P (t ) Trong thùc tÕ thêi gian đo nhiễu có hạn v gồm chu kỳ thêi gian τ ®ã cã thĨ xem nhiƠu lμ dừng Điều ny cho phép sử dụng công thức chuẩn để xác định hm tự tơng quan R v mật độ phổ F Số đo biến đổi áp suất lấy từ mốc trung bình thống kê P điểm quan trắc v trờng hợp xét để đơn giản tính toán thờng đợc xem không Phổ nhiễu âm đại dơng nói chung giảm tăng tần số f v cách gần xÊp xØ b»ng biÓu thøc F ( f ) = P12 f 8.8 Các nhiễu âm Nhiều trình tự nhiên đại dơng gây nên sóng dọc với tần số khác nhau, truyền hớng v tơng tác với Những sóng đợc ghi nhận máy thu âm dới dạng nhiễu có cờng độ v phổ khác Nhiễu có vai trò hai mặt âm học đại dơng: mặt gây khó khăn cho việc tách tín hiệu có ích định vị thủy âm, nhng mặt khác l thông tin vật phát âm tự nhiên Trong thực tế sử dụng nhiễu đà dẫn đến phát triển hớng định vị thụ động, ngời ta xây dựng phơng pháp giải đoán nhiễu để xác định loại v vị trí nguồn phát Vì nhiễu âm l tợng ngẫu nhiên không dừng, nên đợc đặc trng loạt tiêu thống kê, trớc hết l mật độ phổ tần áp suất, giá trị trung bình v phơng sai 423 n , (8.100) P1 ấp suất âm f = 1, n > Trong thùc tÕ th−êng sư dơng mËt ®é phỉ hay áp suất âm khoảng tần số no đó, l giá trị điểm chúng khó đo Khi công thức (8.100) đợc tích phân phạm vi tần số đà cho f2 FΔf = P12 f f1 −n df = P12 1 − n −1 n − f 1n −1 f (8.101) Những giá trị áp suất âm đà dẫn hình 8.13 nhận đợc cho dải tần số f 0,5 Các nhiễu động lực đợc phát sinh bëi sãng, thđy triỊu, n−íc m−a r¬i, sù xt hiƯn hay phá hủy xoáy rối, nhiễu động tốc độ dòng chảy no dẫn tới biến thiên áp 424 suất, v chúng đợc phát thấy vùng đại dơng Do có nhiều nhân tố gây nên biến thiên áp suất địa phơng, biến thiên phát sinh sóng dọc, nên khoảng nhiễu loại ny rộng (giữa đờng cong v hình 8.13) v trải rộng khắp dải tần số đà dẫn hình Trong khoảng tần cỡ kHz hình đà mèi phơ thc cđa nhiƠu vμo tèc ®é giã tính cấp gió (các chữ số ghi hình vuông) Nhiễu ny bị chi phối chủ yếu trình tạo bọt khí nớc Các dao động ¸p st tõ chÝnh sãng giã vμ tõ sù ®ỉ nho sóng gây nên sóng âm tần thấp Nhiễu từ tợng thủy triều đợc khuếch đại pha triều xuống, tốc độ dòng chảy tăng lên Đơng nhiên l nhiễu mạnh vùng ven bờ, nơi dao động mực nớc gia tăng V nơi xuất nhiễu từ tợng sóng di không tuần hon khác sóng tần cao, trải rộng tới dải tần mHz, nhng biến thiên áp suất chúng gây nên bé (đờng hình 8.13) Do suy yếu nhanh với khoảng cách sóng ny tạo nhiễu gần máy thu nhạy Các nhiễu động áp suất rối có tần số thấp v không vợt vi trăm Hz Nhiễu tần số cao đợc phát sinh bëi m−a vμ phơ thc vμo c−êng ®é m−a, tăng theo cờng độ ma Cực đại nhiễu ny nằm khoảng 13 kHz, nhng ma mạnh trải rộng tới 10 kHz Các nhiễu động lực chủ yếu tập trung lớp mặt đại dơng, nhng cờng độ v khoảng tần số chúng biến đổi không gian v theo thời gian tùy theo tác động nhân tố gây nên chúng Trong thnh phÇn tÇn sè cao cđa chóng tËp trung ë vïng phát sinh, thnh phần tần số thấp phổ biến khoảng cách lớn, cho phép có đợc khái niệm vị trí, ví dụ nhiễu động khí áp gây nên nhiễu Hình 8.13 Các phổ nhiễu áp suất âm đại dơng [5] 1, mức cực đại v cực tiểu nhiễu động lực Các số hình vuông tốc độ gió (cấp); 3, mức cực đại v cực tiểu nhiễu dới băng; nhiễu lấy trung b×nh cđa phun nói lưa d−íi n−íc; 6, − nhiễu cá v tôm; nhiễu nhiệt; C nhiễu tuyến đờng Các khoảng nhiễu: a địa chấn, b rối, c Thuộc loại nhiễu động lực bao gồm nhiễu nhiệt chuyển động phân tử gây nên Đó l 425 sóng mặt, d kỹ thuật, e − t¹o bät vμ m−a, f − nhiƯt, g sinh học 426 Loại nhiễu địa chấn đợc phân chóng cã tÇn sè thÊp, b»ng cì tõ phần mời đến vi chục Hz v có mức nhiễu động áp suất cao (đờng cong hình 8.13) Chúng hoạt động núi lửa dới nớc, vụ trợt lở v chuyển động đáy chi phối Các dÃy núi đại dơng v rìa sờn lục địa tích cực phơng diện địa chấn liên tục diễn dao động đáy với cờng ®é lín hc nhá; phun nói lưa cã thĨ tạo tợng tơng tự nh vụ nổ dới nớc đợc nhận khoảng cách hng nghìn km Khả đoán trớc ổ xuất sóng âm từ chuyển động đáy có khả dẫn tới sóng thần có giá trị to lớn để phục vụ cảnh báo tợng ny Đáy đại dơng liên tục chịu dao động vi địa chấn Chúng l hậu vụ động đất lớn nh nhiễu động địa phơng, trợt lở đất, hậu thnh tạo sóng đứng mặt đại dơng m áp suất đợc truyền cho đáy Phổ nhiễu gây nên dao động biến đổi với thời gian v đồng theo ton đại dơng Khoảng tần số v dao động áp suất nhiễu loại ny không vợt vi chục Hz v vi Pa Trong biển đóng băng có loại nhiễu băng Chúng va chạm mảng băng, xô đẩy băng, nén cong tảng băng biến đổi mực nớc biển, rạn nứt biến đổi thể tích hạ nhiệt độ, ma sát tuyết chuyển động bề mặt băng gây nên Dải rộng nhân tố tác động nh đà dẫn tới chỗ phổ tần nhiễu trải rộng từ số Hz đến hng nghìn Hz Thnh phần tần thấp nhiễu l xô đẩy băng gây nên Trong xuất cực đại áp suất tần số vi chục Hz Những tín hiệu âm nh thu hút quan tâm ngời lm công tác thực tế chúng cho phép ngời ta xác định đợc hớng chuyển động 427 front xô đẩy băng Biến thiên nhiệt thể tích băng biển v rạn nứt diễn gây nên nhiễu dải tần cao chút với cực đại 100300 Hz, áp suất khoảng 10 Pa/Hz0,5 Từ cực đại ny áp suất âm giảm phía tần số cao lẫn tần số thấp Nhiễu tảng băng di chuyển v va chạm nằm khoảng tần số cao hơn, từ 102 đến 104 Hz Quan trắc cho thấy phụ thuộc vo độ dy băng, tăng lên độ dy băng giảm, v vo tốc độ chuyển động băng Nhng giá trị biến đổi áp suất âm tỏ không lớn, không vợt 10 Pa/Hz0,5 Mặc dù có cờng độ yếu, loại nhiễu nμy cã thĨ thu hót sù chó ý cđa c¸c nh hải dơng học để theo m ớc lợng hệ số tơng tác rìa tảng băng; thông tin ny quan trọng tính toán trôi thảm băng Ma sát tuyết chuyển động mặt băng gây nên thnh phần nhiễu băng tần số cao Hiện tợng ny gây nhiễu dải tần kHz, nhng với cờng độ không lớn Nét đặc trng nhiễu băng l chúng có tính chất cục lớp mặt đại dơng vùng hạn chế v, nh ta thấy từ hình 8.14, ấp suất âm nhiễu giảm tăng tần số Nhiễu sinh häc lμ kÝch thÝch céng h−ëng tõ ho¹t động bơi cá, rung động cng giáp xác v vỏ nhuyễn thể, tín hiệu xung loi cá voi v động vật biển khác v.v Tất tín hiệu đa dạng hình dạng, chúng cho phép theo m xác định dạng vật phát âm (hình 8.14) Một số loi cá phát âm tần thấp với cực đại áp suất tần số vi chục Hz, số khác (các loi vây cánh rộng) 428 tần số cao với cực đại tần số vi trăm Hz Cực đại phổ nhiễu nhuyễn thể, tôm nằm giới hạn từ số đơn vị đến vi chục kHz Cực đại áp suất phổ nhiễu cá 10 −1 − 10 −2 Pa/Hz0,5, nhiƠu cđa c¸c loi giáp xác nhỏ bậc Cá voi phát âm đặc biệt lý thú áp suất âm chúng quy dẫn khoảng cách m tõ ngn b»ng 102−104 Pa C¸ ph¸t nhiƠu mạnh vo thời kỳ đẻ trứng, tức tồn biến trình nhiễu chu kỳ năm, ngy liên quan tới hoạt động cá Việc nghiên cứu âm đại diện động vật biển phát có ý nghĩa thực tế lớn hải dơng học nghề cá, cho phép dùng phơng pháp định vị thụ động, tức theo nhiễu phát nơi tập trung cá Nhiễu kỹ thuật sóng âm phát từ công trình khác Đó l nhiễu từ tầu, công trình kỹ thuật, công trình cảng, công trình bờ; vận hnh dao động đất đợc truyền cho nớc Phần đóng góp lớn vo nhiễu biển khơi thuộc nhiễu tầu Chúng nhiễu chân vịt, rung chấn thnh tầu v nhiễu lắc dòng nớc sống tầu v sóng bọt mũi tầu gây nên Tồn mối liên hệ tỷ lệ thuận tốc độ quay chân vịt, số cánh chân vịt v tần số nhiễu dẫn tới đỉnh phần phổ tần thấp khoảng vi chục Hz Hình 8.14 Các băng dao động âm sinh vật biển a tôm , b họ cá vây rộng, c cá-ếch Những tín hiệu loi cá voi độc đáo, tạo thnh phổ hẹp nằm khoảng số Hz v dải tần kHz Tất phổ có hình dạng đặc biệt cho phép phân biệt chúng thuộc đối tợng định v áp suất âm đặc biệt 429 Quá trình tạo bọt khí gây nên nhiễu tần số cao Tập hợp tất trình đà liệt kê dẫn tới chỗ khoảng nhiễu tầu trải rộng từ 10 đến 103 Hz Từ hình 8.13 thấy phổ nhiễu tầu khác biệt với nhiễu khác, cho phép phân biệt chúng Điều ny đợc dùng rộng rÃi phát tầu v ngầm phơng tiện âm học Trong xác định đợc loại tầu Phổ tất loại nhiễu dẫn hình 8.13 tỏ phức tạp v tách đợc nhiễu từ đối tợng cụ thể 430 trờng hợp khác biệt tần số v mức so với nhiễu khác v lọc đợc Ti liệu tham khảo bæ sung Акустика океана Под ред Л М Бреховских Части 1, 2, М., Наука, 1974 Акустика океана Под ред Дж Де Санто Пер с англ Глава М., Мир, 1982 Алексеев Г В Математические основы акустики океана (Учебное пособие) Главы 1, 2, Владивосток, ДВГУ, 1988 Sự phân tầng đại dơng ảnh hởng nh no tới quỹ đạo tín hiệu âm v cờng độ âm dọc quỹ đạo? Các biên kênh âm ngầm đợc xác định nh no v kênh âm ngầm có đặc trng gì? Các quy luật khúc xạ phơng ngang tín hiệu âm l gì? Sự suy yếu âm đại dơng phụ thuộc nh no vo tần số tín hiệu phát? Phơng trình thủy định vị l gì? Vì xuất hiện tợng âm vọng đại dơng? 10 Các nhiễu âm đại dơng đợc phân biệt v giá trị thực tế chúng l gì? 11 Bản chất phận âm học gọi l thám âm lát cắt l gì? А В., Яковлев Г В., Корепин Е А., Должиков А К Гидроакустическая техника исследования и освоения океана Главы 1, Л., Гидрометеоиздат, 1984 Бреховских Л М., Лысанов Ю П Теоретические основы акустики океана Л., Гидрометеоиздат, 1982 264 с Бреховских Л М., Лысанов Ю П Акустика океана В кн.: Океанология Т Гидродинамика океана Глава М., Наука, 1978 Câu hỏi tự kiểm tra Tại thực tế để tính tốc độ âm đại dơng không dùng công thức giải tích xác m l công thức gần đúng? Những u điểm v nhợc ®iĨm cđa quan ®iĨm sãng vμ quan ®iĨm tia m« tả lan truyền âm đại dơng l gì? áp suất âm v cờng độ âm biến đổi với khoảng cách nh no sóng âm phẳng, hình trụ v hình cầu chất lỏng lý t−ëng? 431 432 ... công thức (8 .1 8) suy 389 (8 .2 6) φ (t , r ) = A 2π kr e i (? ?t −kr ) (8 .2 7) Theo c¸c công thức (8 .1 5) v (8 .1 8) xác định đợc áp suất âm v tốc độ dao động 390 P = iρ 0ωφ , V= φ 2r (1 + 2ikr ) Do tơng... ngoại lực khác Từ phơng trình (8 . 9) v (8 .1 0) suy P + C div( ρ V ) = ∂t (8 .1 2) (8 .1 1) (8 .1 7) Trong ®iỊu kiƯn ®ång nhÊt, tức F = trình dao động, từ phơng trình (8 .1 7) suy P = t Nếu đạo hm phơng... đạo hm phơng trình (8 . 8) theo t v thay P / t từ phơng trình (8 .1 1) ∂2V 1 ∂F = ∇ C divρ V + ρ ∂t ρ0 ∂t ( ) (8 .1 3) Trong trờng hợp chuyển động không xoáy, tøc rotV = , (8 . 9) (8 .1 4) cã thÓ ®−a hμm