Основные понятия и определения
Глава 3. АКУСТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ КОРАБЛЯ
Под акустическим полем понимают пространство, в котором распространяются звуковые волны.
Для человека область слышимых звуков лежит в пределах частот от 
до 
, причем наше ухо наиболее чувствительно к колебаниям с частотой около 
. Звуки частот, располагающиеся ниже этой области, называются инфразвуками, а выше – ультразвуками.
Звук – есть процесс механических колебаний и волн в упругих средах, поэтому акустические величины измеряются в соответствующих механических единицах, с присущими им особенностями.
Приведем в табличной форме некоторые акустические единицы СИ, которые потребуются нам при изложении материала (табл. 5).
При колебаниях частиц среды в ней развивается переменное давление, называемое звуковым давлением, являющимся основной единицей, характеризующей акустическое поле. Оно легко поддается приему и измерению микрофоном (для газа) или гидрофоном (для жидкости) и лежит в основе методов измерения других физических величин в акустике.
Теоретическую основу акустики составляет теория колебаний и волн. Известно, что гармоническими колебаниями называют периодические изменения физической величины, происходящие по закону синуса или косинуса. Основными величинами, определяющими гармонические колебания, являются: амплитуда, фаза, период колебаний и круговая частота.
При наличии сил сопротивления колебания являются затухающими.
Внешние периодические силы вызывают колебания, называемые вынужденными. При совпадении частот изменения внешней силы, действующей на систему с частотой свободных колебаний этой системы, вызывает резкое возрастание амплитуды вынужденных колебаний, называемое резонансным.
Благодаря взаимодействию между частицами твердого, жидкого или газообразного тела, колебательные движения частиц распространяются с некоторой скоростью во все стороны. Такие колебания, распространяющиеся в пространстве с течением времени, называют волной. Основное свойство всех волн, независимо от их природы, состоит в переносе ими энергии без переноса вещества.
За период 
волна распространяется на ее длину 
, поэтому ее скорость 
, так как период и частота 
, связаны соотношением 
, то 
.
Любое тело (твердое, жидкое или газообразное), колеблющееся со звуковой частотой, создает в окружающей среде звуковую волну. Скорость звука зависит от особенностей среды, в которой он распространяется. Так, в воздухе при 
и давлений 
она равна 
, в морской воде – лежит в пределах 
; в стали при 
– 
и т.д.
Таблица 5 Физические акустические величины и их единицы измерения
| № | Физическая величина | Определение физической величины | Обозначение | Ед. измер. | Определение единицы измерения |
| Звуковое давление | Основная количественная характеристика звука. Представляет собой переменную часть давления, возникающую в среде при прохождении звуковой волны, вследствие образований её сгущений и разряжений с частотой волны | 
| 
| 
| |
| Уровень звукового давления | Характеристика звука, выраженная в  ; отношение величины данного звукового давления к пороговому значению звукового давления 
| 
|
| 20 десятичных логарифмов отношения звукового давления к условному порогу давления ( )
| |
| Интенсивность звука (сила звука) | Средняя по времени анергия, переносимая за единицу времени звуковой волной через единичную площадку, перпендикулярную направлению распространения волны. Для плоской синусоидальной бегущей волны интенсивность звука  , где – амплитуда звукового давления;  – плотность среды;  – скорость звука в ней. В стоячей волне 
| 
| 
| Baтт на квадратный метр равен интенсивности звука в канале при потоке звуковой энергии в  и площади поперечного сечения 
| |
| Уровень интенсивности | Оценка интенсивности звука по шкале децибел  , где – интенсивность данного звука; 
| ||||
| Частотный интервал | Единица частотного интервала | 
| Октава равна интервалу между двумя частотами ( и  ), логарифм отношения которых (при основании 2)равен 1  , что соответствует 
|
Звуковые волны обладают рядом свойств. При распространении источником в среде одновременно нескольких различных волн они складываются, образуя постоянное во времени распределение амплитуды результирующих колебаний в этой среде, называемое интерференцией.
Особую интерференционную картину образуют две встречные волны (бегущая к препятствию и встречная, отраженная) следствие их сложения. В результате распределения смещений, при которых образуются особые точки – пучности и узлы, образуется стоячая волна. Возникающие в механизмах стоячие волны определяют понятие вибрации.
Волны способны огибать препятствие – это их свойство называют дифракцией.
Искривление звуковых лучей в неоднородной среде (атмосфера, океан), скорость звука в которой зависит от координат, называют рефракцией звука.
Разнообразие звуков зависит от характеристик источников. Звук, издаваемый гармонически колеблющимся телом, называют тоном. Тоны отличаются на слух громкостью (определяемой амплитудой колебаний) и высотой (определяемой частотой колебаний).
Беспорядочные колебания различной физической природы образуют шум, Шум отличается сложностью временной и спектральной структуры. Часто шум представляет собой смесь случайных и периодических колебаний.
Звуковые процессы обычно изображаются в виде звуковых спектров, т. е. графических зависимостей амплитуд (или пропорциональных ей физических величин) отдельных составляющих звука от частоты.
 
а) б)
Рис. 19 Спектр тонального звука (а) и спектр подводного шума корабля (б).
|
Так, тональный звук представляется столбиком, положение которого на горизонтальной оси будет указывать частоту, а высота – амплитуду (рис. 19).
Шумы, излучаемые в воду корабельными механизмами и гребными винтами, представляют собой смеси большого числа отдельных составляющих различной частоты и амплитуды (рис. 19). Составляющие шума могут настолько близко располагаться по частотной шкале, что образуются участки так называемого сплошного спектра.
Для обнаружения источника звука или шума и определения направления на него применяется устройство, носящее название шумопеленгатора.
Шумопеленгатор улавливает отдельные широкие полосы в спектре подводного шума, а также характерные тональные составляющие, возвышающиеся над средним уровнем спектра в пределах этих полос, Существуют устройства сопрягаемые с шумопеленгатором, с помощью которых посредством анализа спектра принимаемого акустического сигнала производится классификация шумящих объектов.
Шумы океана
В океане существует чрезвычайно много источников, составляющих общий уровень шумового фона. По своей природе они могут быть объединены в несколько групп:
· Динамические шумы
· Биологические шумы
· Технические шумы
· Систематические шумы, обусловленные тектоническими процессами в Земле.
· Шумы ледового происхождений, генерируемые ветром, обтекающим неровности верхней поверхности льда, растрескиванием ледового покрова, торошением ледовых полей, обтеканием течениями неровностей нижней границы.
Каждый из перечисленных источников может создавать заметный уровень шумового фона в океане. Однако, как правило, шумовой фон образуется многими источниками, действующими одновременно. Кроме того, шумовой фон в данном районе определяется также условиями распространения звука.