Затухание звука в морской среде (обзор)

Авторы

  • Ярошенко А.А. Севастопольский государственный университет, Севастополь, Российская Федерация ORCID 0000-0002-6471-0162
  • Дегтяр А.Д. Севастопольский государственный университет, Севастополь , Российская Федерация ORCID 0000-0001-8994-7185

УДК

534.286

DOI:

https://doi.org/10.31429/vestnik-20-2-70-81

Аннотация

Одним из факторов, влияющих на дальность распространения звука в морской среде, является поглощение звука. Многие исследователи внесли свой вклад в современное знание о затухании звука в морской воде. В статье представлен краткий исторический обзор работ, посвященных исследованию поглощению звука в морской воде. Приведен ряд эмпирических формул для расчета коэффициента поглощения звука в морской среде. Рассматривается современное состояние проблемы. Поглощение звука зависит от температуры, давления, солености, кислотности (водородного показателя рН) и частоты. Для высоких частот поглощение звука намного выше, чем для низких. При увеличении гидростатического давления снижается поглощение. Повышение температуры, солености и водородного показателя увеличивает поглощение. Поглощение звука в морской воде обусловлено наличием растворенных в ней солей магния, бора и брома. В морской воде происходит большое количество процессов, но только на две релаксации приходится большая часть поглощения. Это релаксация сульфата магния MgSO4 (частота релаксации fr~100 кГц) и борной кислоты В(ОН)3 (fr~1 кГц). Выявлена еще третья релаксация с участием карбоната магния MgCO3 (fr~10 кГц). На частотах от 0,2 до 10 кГц основной вклад в поглощение вносит борная кислота В(ОН)3. На частотах ниже 1 кГц коэффициент поглощения в океане зависит от рН. Зависимость от рН связывают с релаксацией видов: В(ОН)3 – борной кислоты и MgСO3 – карбоната магния. В диапазоне частот от 10 до 1000 кГц основной вклад в затухание вносит сульфат магния MgSO4. На высоких частотах (> 1000 кГц) поглощение зависит от вязкости. На частотах ниже 200 Гц наблюдается разброс экспериментальных данных. Этот разброс связывают с региональной зависимостью.

Ключевые слова:

морская среда, затухание звука, коэффициент поглощения, частота, температура, соленость, водородный показатель, гидростатическое давление, вязкость, частота релаксации

Финансирование

Исследование не имело спонсорской поддержки.

Информация об авторах

Александр Александрович Ярошенко

д-р физ.-мат. наук, профессор, профессор кафедры "Высшая математика" Севастопольского государственного университета

e-mail: yaroshenko.575@yandex.ru

Алексей Дмитриевич Дегтяр

аспирант кафедры "Высшая математика" Севастопольского государственного университета

e-mail: lyohadegtyar4@mail.ru

Библиографические ссылки

  1. Мандельштам, Л.И., Леонтович, М.А., К теории поглощения звука в жидкостях. Журнал экспериментальной и теоретической физики, 1937, № 7, вып. 3, с. 438–449. [Mandelstam, L.I., Leontovich, M.A., On the theory of sound absorption in liquids. Zhurnal eksperimental'noj i teoreticheskoj fiziki = Journal of Experimental and Theoretical Physics, 1937, vol. 7, iss. 3, pp. 438ndash;449. (in Russian)]
  2. Клей, К., Медвин, Г., Акустическая океанография. Основы и применение. Мир, Москва, 1980. [Clay, K., Medvin, G., Akusticheskaya okeanografiya. Osnovy i primenenie = Acoustic oceanography. Fundamentals and application. Mir, Moscow, 1980. (in Russian)]
  3. Stephenson, E.B., Transmission of sound in sea water: absorption and reflection coefficients and temperature gradients. U.S. Nav. Res. Lab. Rep., 1935, S-1204. Corpus ID: 128645907
  4. Liebermann, L.N., The origin of sound absorption in water and in sea water. J. Acouct. Soc. Amer., 1948, vol. 20, no. 6, pp. 868–873. DOI: 10.1121/1.1906450
  5. Liebermann L.N. Sound propagation in chemically active media. Phys. Rev., 1949, vol. 76, pp. 1520–1524. DOI: 10.1103/PhysRev.76.1520
  6. Сташкевич, А.П., Акустика моря. Судостроение, Ленинград, 1966. [Stashkevich, A.P., Akustika moray = Acoustics of the sea. Sudostroenie, Leningrad, 1966. (in Russian)]
  7. Wilson, O.B., Leonard, R.W., Sound absorption in aqueous solutions of magnesium sulfate and in sea water. J. Acoust. Soc. Amer., 1951, vol. 23, no. 5, p. 624. DOI: 10.1121/1.1917342
  8. Wilson, O.B., Leonard, R.W., Measurements of sound absorption in aqueous salt solutions by a resonator method. J. Acoust. Soc. Amer., 1954, vol. 26, no. 2, pp. 223–226. DOI: 10.1121/1.1907312
  9. Sheehy, M.J., Halley, M.R., Measurement of the attennuation of low-frequency sound. J. Acoust. Soc. Amer., 1957, vol. 29, no. 4, pp. 464–469. DOI: 10.1121/1.1908930
  10. Fisher, F.H., Effect of high pressure of sound absorption and chemical equilibrium. J. Acouct Soc. Amer., 1958, vol. 30, no. 5, pp. 442–448.
  11. Schulkin, M., Marsh, H.W., Sound absorption in sea water. J. Acoust. Soc. Amer., 1962, vol. 34, no. 6, pp. 864–865. DOI: 10.1121/1.1918213
  12. Schulkin, M., Marsh, H.W., Absorption of sound in sea-water. J. Radio and Electronic Engineer, 1963, vol. 25, no. 6, pp. 493–500. DOI: 10.1049/ree.1963.0065
  13. Thorp, W.H., Deep-ocean sound attenuation in the sub- and low- kilocycle-per-second region. J. Acoust. Soc. Amer., 1965, vol. 38, no. 4, pp. 648–654. DOI: 10.1121/1.1909768
  14. Thorp, W.H., Analytic description of the low-frequency attenuation coefficient. J. Acoust. Soc. Amer., 1967, vol. 42, no. 1, p. 270. DOI: 10.1121/1.1910566
  15. Yeager, E., Fisher, F.H., Miceli, J., Bressel, R., Origin of low frequency sound absorption in sea water. J. Acoust. Soc. Amer, 1973, vol. 53, no. 6, pp. 1705–1707. DOI: 10.1121/1.1913523
  16. Thorp, W.H., Browning, D.G., Attenuation of low frequency sound in the ocean. J. Sound and Vibration, 1973, vol. 26, no. 4, pp. 576–578.
  17. Schulkin, M., Marsh, H.W., Low-frequency sound absorption in the ocean. J. Acoust. Soc. Amer., 1978, vol. 63, no. 1, pp. 43–48. DOI: 10.1121/1.381692
  18. Fisher, F.H., Simmons, V.P., Sound absorption in sea water. J. Acouct Soc. Amer., 1977, vol. 62, no. 3, pp. 558–564. DOI: 10.1121/1.2015423
  19. Mellen, R.H., Browning, D.G., Variability of low-frequency sound absorption in the ocean: pH dependence. J. Acoust. Soc. Amer., 1977, vol. 61, no. 3, pp. 704–706. DOI: 10.1121/1.381357
  20. Lovett, J.R., Northeastern Pacific sound attenuation using low-frequency CW sources. J. Acoust. Soc. Amer., 1975, vol. 58, no. 3, pp. 620–625. DOI: 10.1121/1.380700
  21. Lovett, J.R., Geographic variation of low frequency sound absorption in the Pacific Ocean. J. Acoust. Soc. Amer., 1979, vol. 65, no. 1, pp. 253–254. DOI: 10.1121/1.382243
  22. Lovett, J.R., Geographic variation of low-frequency sound absorption in the Atlantic, Indian, and Pacific Oceans. J. Acoust. Soc. Amer., 1980, vol. 67, no. 1, pp. 253–254. DOI: 10.1121/1.384468
  23. Kibblewhite, A.C., Hampton, L.D., A review of deep ocean sound attenuation data at very low frequencies. J. Acouct Soc. Amer., 1980, vol. 67, no. 1, pp. 147–157. DOI: 10.1121/1.384473
  24. Меллен, Р., Химическое поглощение звука в море. В: Бьёрнё, Л. (ред.), Подводная акустика и обработка сигналов. Мир, Москва, 1985, c. 69–78. [Mellen, R., Chemical absorption of sound in the sea. In: Bjerne, L. (ed.), Podvodnaya akustika i obrabotka signalov = Underwater acoustics and signal processing. Mir, Moscow, 1985, pp. 69–78. (in Russian)]
  25. Francois, R.E., Garrison, G.R., Sound absorption based on ocean measurements: Part I: Pure water and magnesium sulfate contributions. J. Acouct Soc. Amer., 1982, vol. 72, no. 3, pp. 896–907. DOI: 10.1121/1.38817
  26. Francois, R.E., Garrison, G.R., Sound absorption based on ocean measurements. Part II: Boric acid contribution and equation for total absorption. J. Acouct Soc. Amer., 1982, vol. 72, no. 6, pp. 1879–1890. DOI: 10.1121/1.388673
  27. Mellen, R.H., Browning, D.G., Low frequency attenuation in the pacific ocean. J. Acoust. Soc. Amer., 1976, vol. 59, no. 3, pp. 700–702. DOI: 10.1121/1.380897
  28. Mellen, R.H., Browning, D.G., Simmons, V.P., Investigation of chemical sound absorption in seawater by the resonator method: Part I. J. Acoust. Soc. Amer., 1980, vol. 68, no. 1, pp. 248–257. DOI: 10.1121/1.384632
  29. Mellen, R.H., Browning, D.G., Simmons, V.P., Investigation of chemical sound absorption in sea water: Part II. J. Acoust. Soc. Amer., 1981, vol. 69, no. 6, pp. 1660–1662. DOI: 10.1121/1.385944
  30. Mellen, R.H., Browning, D.G., Simmons, V.P., Investigation of chemical sound absorption in sea water. Part IV. J. Acoust. Soc. Amer., 1983, vol. 74, no. 3, pp. 987–993. DOI: 10.1121/1.389845
  31. Mellen, R.H., Simmons, V.P., Browning, D.G., Sound absorption in sea water: a third chemical relaxation. J. Acoust. Soc. Amer., 1979, vol. 65, no. 4, pp. 923–925. DOI: 10.1121/1.382595
  32. Mellen, R.H., Simmons, V.P., Browning, D.G., Low-frequency sound absorption in sea water: a borate-complex relaxation. J. Acoust. Soc. Amer., 1980, vol. 67, no. 1, pp. 341–342. DOI: 10.1121/1.384469
  33. Mellen, R.H., Scheifele, P.M., Browning, D.G., Global model for sound absorption in sea water. Naval Underwater Systems Center. Technical Report 7923. 14 May 1987. Project: attenuation of sound in the sea.
  34. Mellen, R.H., Scheifele, P.M., Browning, D.G., Global Model for Sound Absorption in Sea Water. Part 3. Arctic Regions. Naval Underwater Systems Center. Technical Report 7969. 14 May 1987. Project: attenuation of sound in the sea.
  35. Scheifele, P.M., Mellen, R.H., Browning, D.G., Global Model for Sound Absorption in Sea Water: Impact Study. Part 1. Naval Underwater Systems Center. Technical Report 8323. 7 September 1988. Project: attenuation of sound in the sea.
  36. Ainslie, M.A., McColm, J.G., A simplified formula for viscous and chemical absorption in sea water. J. Acoust. Soc. Amer., 1998, vol. 103, no. 3, pp. 1671–1672. DOI: 10.1121/1.421258
  37. Вадов, Р.А., Энергетические характеристики звуковых полей в Черном море. Акустический журнал, 1998, т. 44, № 3, с. 318–325. [Vadov, R.A., Energy characteristics of sound fields in the Black Sea. Akusticheskij zhurnal = Acoustic zhurnal, 1998, vol. 44, no. 3, pp. 318–325. (in Russian)]
  38. Бреховских, Л.М., Андреевой, И.П. (ред.), Проблемы акустики океана. Наука, Москва, 1984. [Brekhovskikh, L.M., Andreeva, I.P. (eds.), Problemy akustiki okeana = Problems of ocean acoustics. Nauka, Moscow, 1984. (in Russian)]
  39. Вадов, Р.А., Открытие подводного звукового канала, экспериментальные исследования, региональные различия. Акустический журнал, 2007, т. 53, № 3, с. 313–328. [Vadov, R.A., Discovery of the underwater sound channel, experimental studies, regional differences. Akusticheskij zhurnal = Acoustic Journal, 2007, vol. 53, no. 3, pp. 313–328. (in Russian)]
  40. Вадов, Р.А., Глотов, В.П., О влиянии гидростатического давления на электролитическое поглощение звука в морской воде. Акустический журнал, 1998, т. 44, № 1, с. 25–31. [Vadov, R.A., Glotov, V.P., On the effect of hydrostatic pressure on the electrolytic absorption of sound in seawater. Akusticheskij zhurnal = Acoustic Journal, 1998, vol. 44, no. 1, pp. 25–31. (in Russian)]
  41. Вадов, Р.А., Поглощение и затухание низкочастотного звука в морской среде. Акустический журнал, 2000, т. 46, № 5, с. 624–631. [Vadov, R.A., Absorption and attenuation of low-frequency sound in the marine environment. Akusticheskij zhurnal = Acoustic Journal, 2000, vol. 46, no. 5, pp. 624–631. (in Russian)]
  42. Вадов, Р.А., Распространение звука в приповерхностном канале. Акустический журнал, 2006, т. 52, № 1, с. 10–22. [Vadov, R.A., Sound propagation in the near-surface channel. Akusticheskij zhurnal = Acoustic Journal, 2006, vol. 52, no. 1, pp. 10–22. (in Russian)]
  43. van Moll, C.A.M., Ainslie, M., van Vossen, R., A simple and accurate formula for the absorption of sound in seawater. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2009, vol. 34, iss. 4, pp. 610–616. DOI: 10.1109/JOE.2009.2027800
  44. Mohite-Patil, T.B., Saran, A.K., Sawant, S.R., Chile, R.H., Mohite-Pati, T.T., Modeling of acoustic wave absorption in ocean. International Journal of Computer Applications, 2010, vol. 9, no. 12, pp. 19–24.
  45. Neighbors, T.H., Chapter 4 - Absorption of sound in seawater. Applied Underwater Acoustics, 2017, pp. 273–295. DOI: 10.1016/B978-0-12-811240-3.00004-7
  46. Акуличев, В.А., Буланов, В.А., Акустические исследования мелкомасштабных неоднородностей в морской среде. ТОИ ДВО РАН, Владивосток, 2017. [Akulichev V.A., Bulanov V.A. Akusticheskie issledovaniya melkomasshtabnyh neodnorodnostej v morskoj srede = Acoustic studies of small-scale inhomogeneities in the marine environment. TOI FEB RAS, Vladivostok, 2017. (in Russian)]
  47. Буланов, В.А., Акустическая нелинейность верхнего слоя океана и мелкого моря и особенности рассеяния и поглощения звука. Океанологические исследования, 2018, т. 46, № 2, с. 15–27. [Bulanov, V.A., Acoustic nonlinearity of the upper layer of the ocean and shallow sea and features of sound scattering and absorption. Okeanologicheskie issledovaniya = Oceanological research, 2018, vol. 46, no. 2, pp. 15–27. (in Russian)]. DOI: 10.29006/1564-2291.JOR-2018.46(2).2
  48. Урик, Р.Дж., Основы гидроакустики. Судостроение, Ленинград, 1978. [Urik, R.J., Osnovy gidroakustiki = Fundamentals of hydroacoustics. Sudostroenie, Leningrad, 1978. (in Russian)]
  49. Бреховских, Л.М., Лысанов, Ю.П., Теоретические основы акустики океана. Наука, Москва, 2007. [Brekhovskikh, L.M., Lysanov, Yu.P., Teoreticheskie osnovy akustiki okeana = Theoretical foundations of ocean acoustics. Nauka, Moscow, 2007. (in Russian)]
  50. Ruffa, A., Simpson, P.K., Automated broadband acoustic sound velocity profiler. Final Technical Report for Phase I Small Business Innovation Research Project, 1998.

Загрузки

Выпуск

2023. Том 20. № 2

Раздел

Физика

Страницы

70-81

Отправлено

2023-06-13

Опубликовано

2023-06-30

Как цитировать

Ярошенко А.А., Дегтяр А.Д. Затухание звука в морской среде (обзор) // Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества. 2023. Т. 20, №2. С. 70-81. DOI: https://doi.org/10.31429/vestnik-20-2-70-81

Copyright (c) 2023 Ярошенко А.А., Дегтяр А.Д.

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.