vestnik Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества Ecological Bulletin of Research Centers of the Black Sea Economic Cooperation 1729-5459 Кубанский государственный университет RU 1023 10.31429/vestnik-20-2-70-81 Научная статья Original article Физика Physics Затухание звука в морской среде (обзор) Sound attenuation in the marine environment (review) https://orcid.org/0000-0002-6471-0162 Ярошенко А.А. Ярошенко Александр Александрович Yarochenko Alexander A. yaroshenko.575@yandex.ru

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

 https://orcid.org/0000-0001-8994-7185 Дегтяр А.Д. Дегтяр Алексей Дмитриевич Degtyar Alexey D. lyohadegtyar4@mail.ru

postgraduate student of the Department of Higher Mathematics

аспирант кафедры "Высшая математика" Севастопольского государственного университета

 Севастопольский государственный университет, СевастопольSevastopol State University, Sevastopol Севастопольский государственный университет, СевастопольSevastopol State University, Sevastopol 30 06 2023 20 2 70 81 13 06 2023 17 06 2023 30 06 2023 Copyright (c) 2023 Ярошенко А.А., Дегтяр А.Д. 2023 Ярошенко А.А., Дегтяр А.Д. Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.

One of the factors affecting the range of sound propagation in the marine environment is sound absorption. Many researchers have contributed to the current knowledge of sound attenuation in seawater. The article presents a brief historical overview of the studies about the sound absorption in seawater. A number of empirical formulas for calculating the sound absorption coefficient in the marine environment are given. The current state of the problem is analyzed. Sound absorption depends on temperature, pressure, salinity, acidity (hydrogen pH) and frequency. For high frequencies, the sound absorption is much higher than for low frequencies. With an increase in hydrostatic pressure, absorption decreases. An increase in temperature, salinity and hydrogen index increases absorption. Sound absorption in seawater is caused by the presence of magnesium, boron and bromine salts dissolved in it. A large number of processes occur in seawater, but only two relaxations account for most of the absorption. This is the relaxation of magnesium sulfate MgSO4 (relaxation frequency fr ~100 kHz) and boric acid B(OH)3 (fr ~1 kHz). A third relaxation involving magnesium carbonate MgCO3 (fr ~10 kHz) was revealed. At frequencies from 0.2 to 10 kHz, boric acid B(OH)3 makes the main contribution to absorption. At frequencies below 1 kHz, the absorption coefficient in the ocean depends on the pH. Dependence on pH is associated with relaxation of the following types: B(OH)3 – boric acid and MgCO3 – magnesium carbonate. In the frequency range from 10 to 1000 kHz, magnesium sulfate MgSO4 makes the main contribution to attenuation. At high frequencies (> 1000 kHz), the absorption depends on the viscosity. At frequencies below 200 Hz, there is a spread of experimental data. This variation is associated with regional dependence.

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.

 морская среда затухание звука коэффициент поглощения частота температура соленость водородный показатель гидростатическое давление вязкость частота релаксации marine environment sound attenuation absorption coefficient frequency temperature salinity hydrogen index hydrostatic pressure viscosity relaxation frequency Мандельштам, Л.И., Леонтович, М.А., К теории поглощения звука в жидкостях. Журнал экспериментальной и теоретической физики, 1937, № 7, вып. 3, с. 438–449. Клей, К., Медвин, Г., Акустическая океанография. Основы и применение. Мир, Москва, 1980. 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 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 Liebermann L.N. Sound propagation in chemically active media. Phys. Rev., 1949, vol. 76, pp. 1520–1524. DOI: 10.1103/PhysRev.76.1520 Сташкевич, А.П., Акустика моря. Судостроение, Ленинград, 1966. 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 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 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 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. 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 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 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 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 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 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. 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 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 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 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 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 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 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 Меллен, Р., Химическое поглощение звука в море. В: Бьёрнё, Л. (ред.), Подводная акустика и обработка сигналов. Мир, Москва, 1985, c. 69–78. 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 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 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 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 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 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 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 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 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. 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. 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. 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 Вадов, Р.А., Энергетические характеристики звуковых полей в Черном море. Акустический журнал, 1998, т. 44, № 3, с. 318–325. Бреховских, Л.М., Андреевой, И.П. (ред.), Проблемы акустики океана. Наука, Москва, 1984. Вадов, Р.А., Открытие подводного звукового канала, экспериментальные исследования, региональные различия. Акустический журнал, 2007, т. 53, № 3, с. 313–328. 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. Вадов, Р.А., Поглощение и затухание низкочастотного звука в морской среде. Акустический журнал, 2000, т. 46, № 5, с. 624–631. Вадов, Р.А., Распространение звука в приповерхностном канале. Акустический журнал, 2006, т. 52, № 1, с. 10–22. 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 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. 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 Акуличев, В.А., Буланов, В.А., Акустические исследования мелкомасштабных неоднородностей в морской среде. ТОИ ДВО РАН, Владивосток, 2017. 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. . DOI: 10.29006/1564-2291.JOR-2018.46(2).2 Урик, Р.Дж., Основы гидроакустики. Судостроение, Ленинград, 1978. Бреховских, Л.М., Лысанов, Ю.П., Теоретические основы акустики океана. Наука, Москва, 2007. Ruffa, A., Simpson, P.K., Automated broadband acoustic sound velocity profiler. Final Technical Report for Phase I Small Business Innovation Research Project, 1998.