Sự tắt dần âm trong nước biển

g 3.3 Chỉ số hấp thụ của nước tinh khiết đối với cácb ước són khác nhau

3.2.3. Sự tắt dần âm trong nước biển

Sự truyền âm trong đại dương, giống như trong môi trường bất kì khác, đi kèm với sự tắt dần (suy yếu) gây nên bởi hấp thụ và tán xạ một phần năng lượng của sóng âm cũng như sự khúc xạ và phản xạ sóng âm. Để đặc trưng về năng lượng các sóng âm, người ta thường sử dụng khái niệm cường độ âm

I.

Cường độ âm là lượng năng lượng mà sóng âm mang đi trong một giây qua diện tích 1 m2 vuông góc với hướng truyền sóng. Nếu kí hiệu mật độ năng lượng các sóng đàn hồi bằng , tốc độ âm bằng C thì cường độ âm I

được biểu diễn bằng

C I  .

Cường độ âm thường được xác định bằng J/(m2.s). Vì đại lượng I tỉ lệ với bình phương của tần số, nên với cùng một công suất của nguồn phát có thể đạt được cường độ âm lớn hơn nếu tăng tần số.

Sự hấp thụ âm trong nước được gây nên bởi độ nhớt và độ dẫn nhiệt của nó, cũng như bởi quá trình nén và dãn các phân tử nước trong khi truyền

âm. Sự hấp thụ âm được xác định bởi hệ số hấp thụ , cho biết sự suy giảm cường độ âm với khoảng cách. Trong môi trường đồng nhất, sự suy giảm cường độ âm của sóng phẳng được mô tả bằng quan hệ hàm mũ

) ( exp 0 x I I  , (3.12) trong đó I0 cường độ âm ban đầu, I cường độ âm tại khoảng cách x kể từ nguồn phát.

Hệ số hấp thụ, cũng giống như cường độ âm, phụ thuộc vào tần số của các dao động âm. Vì vậy việc lựa chọn các tần số mang có ý nghĩa quan trọng để đảm bảo độ xa truyền âm: một mặt - khi tăng tần số thì cường độ âm ban đầu tăng, mặt khác - tăng tần số dẫn tới gia tăng sự suy yếu âm.

Sự tán xạ âm được gây nên bởi các nhóm phân tử của bản thân nước cũng như sự hiện diện của các hạt có nguồn gốc hữu cơ và vô cơ lơ lửng trong nước. Nếu như tán xạ phân tử thường không đáng kể, thì tán xạ âm do các hạt lơ lửng có thể là một phần đáng kể so với hấp thụ âm. Vì trong thực tế thường khó tách biệt các quá trình hấp thụ và tán xạ với nhau, nên người ta đưa ra khái niệm hệ số tắt dần đặc trưng cho suy yếu cường độ âm tổng cộng. Tương tự như (3.12), giảm lượng cường độ âm được biểu diễn bằng mối phụ thuộc ) ( exp 0 x I I   , (3.13) trong đó   hệ số tắt dần tính bằng dB/km. Để ước lượng gần đúng hệ số tắt dần có thể sử dụng công thức thực nghiệm sau đây:

2/ / 3 036 , 0 f   ,

trong đó tần số dao động tính bằng kHz. Những tính toán theo công thức này cho thấy rằng



f

 thay đổi từ 1 dB/km tại kHzf 10 đến 30 dB/km tại kHzf 90 . Đối với tần số thấp hơn, các giá trị của  tỏ ra nhỏ hơn. Thí dụ, tại các tần số 50 và 350 Hz  tương ứng bằng 0,0004 và 0,007 dB/km, tức các dao động tần thấp tắt dần trong nước chậm hơn các dao động tần cao.

Tán xạ âm trong nước biển liên quan tới hiện tượng âm vang, tạo ra các nhiễu đối với máy thu tín hiệu âm có ích. Âm vang (tán xạ ngược) thể hiện ở

chỗ sau khi nguồn phát âm ngừng hoạt động trong một khoảng thời gian nào đó (từ phần của giây đến vài giây) tại một vùng không gian nào đó người ta quan trắc thấy tín hiệu âm giảm dần về cường độ do sự tán xạ âm. Khi đi đến máy thu, tín hiệu này che khuất tín hiệu có ích và do đó làm giảm hiệu quả sử dụng các phương tiện thủy âm.

Người ta phân biệt ba loại âm vang trong biển: âm vang thể tích, âm vang mặt và âm vang đáy. Âm vang thể tích là âm vang gây nên bởi sự tán xạ âm bởi các phân tử hay các nhóm phân tử nước và các vật lơ lửng trong nước. Trong đó vai trò chính thuộc về các vật lơ lửng: các bọt khí, các hạt rắn và đặc biệt sinh vật biển. Âm vang gây bởi sự tán xạ âm trong lớp nước gần mặt và những gồ ghề của mặt biển gọi là âm vang mặt. Âm vang đáy là do tán xạ âm bởi đáy biển.

Các sinh vật biển gây nên âm vang mạnh, tạo thành những lớp gọi là

lớp tán xạ âm - đó là những dải tích tụ sinh vật trải dài trong phương ngang, tập trung chủ yếu trong phạm vi 1000 m bên trên. Những lớp tán xạ âm khác biệt bởi độ trải dài phương ngang rất lớn và tạo thành một lớp chắn liên tục trong đại dương từ lục địa này tới lục địa khác. Độ trải rộng thẳng đứng của các lớp này thường lớn hơn ở những vùng mà sản lượng sinh học cao hơn.

Động vật của các lớp tán xạ âm gồm các loại cá không lớn, tôm, tép, sứa, nhuyễn thể thân nhũn, mực, cá có túi khí bơi v.v... Hai lần trong ngày, sáng và chiều, một bộ phận lớn những sinh vật này di cư theo phương thẳng đứng. Khi hoàng hôn buông xuống, chúng di chuyển lên phía mặt để kiếm mồi, nhưng đến bình minh chúng lại lặn xuống tới những độ sâu thường khoảng 300-400 m. Những tụ điểm của các sinh vật này tán xạ mạnh nhất đối với các sóng có tần số từ 2-3 kHz đến vài trăm kHz và các máy hồi âm ghi nhận được chúng một cách rõ nét khi đo độ sâu đại dương.