В этой главе, имеет первостепенное значение для практики измерений, хотя не все они в одинаковой степени применимы к конкретным измерительным задачам.

3.2. ЕСТЕСТВЕННЫЕ ВОДОЕМЫ И ИСПОЛЬЗУЕМОЕ В НИХ ОБОРУДОВАНИЕ

Для измерений в условиях свободного поля используют различные естественные водоемы - озера, пруды, большие родники, реки, затопленные карьеры, океанские заливы, - а кроме того, такие водоемы, как искусственные пруды и лабораторные бассейны, но для их использования необходим импульсный режим работы, и они рассматриваются отдельно в разд. 3.12. Основные требования к естественным водоемам состоят в следующем: 1) достаточно большие размеры, чтобы интерференцию, обусловленную отражениями от поверхности, можно было устранить путем использования импульсного режима, применения поглощающих покрытий или за счет затухания при распространении на большие "расстояния, 2) низкий уровень окружающего шума и 3) водная среда должна быть относительно свободна от всего, что может вызвать преломление или рассеяние звука (течений, градиентов температуры, морских организмов, пузырей и загрязнителей). Для обеспечения низкого уровня окружающего шума, стабильности платформы и удобств проведения измерений желательна защита от ненастной погоды.

Вспомогательные платформы, используемые при измерениях, бывают разные: пирсы, мосты, баржи или другие полуподвижные плавающие сооружения, а также лодки и корабли. Пирсы и мосты обеспечивают, наилучшие удобства и стабильность условий работы. Если же водоем большой и глубокий, нужно использовать плавучую конструкцию, а стабильность и удобства обеспечиваются вертикальным размером конструкции и коммуникациями, проходящими под водой или идущими к берегу.

Критическим размером естественных водоемов является глубина, так как обычно она меньше горизонтальных размеров, а также потому, что поверхность раздела вода-воздух и дно являются основными отражающими поверхностями. Боковые границы естественных водоемов обычно находятся на значительных расстояниях и имеют наклоны, образуя вместе с поверхностью раздела вода-воздух естественные клинообразные ловушки для звука, в которых звуковые лучи, распространяющиеся почти горизонтально, многократно отражаются между дном и поверхностью, отдавая при каждом отражении часть энергии в воздух или в грунт.

Песок, ил или грязь на дне частично поглощают звук при условии, что в них не содержится распадающегося органического вещества. Однако если на дне имеются разлагающиеся органи-

3.2. Естественные водоема и оборудование 129

ческие вещества, то постоянно образуются пузырьки газа (обычно метана). При этом на дне создается поверхность раздела вода- газ, являющаяся хорошим отражателем [1, 2]. В том случае, когда и дно и поверхность являются хорошими отражателями, интерференция усиливается более чем вдвое по сравнению с отражениями только от поверхности. Между этими двумя поверх--ностями, которые обычно приблизительно параллельны, происходят многократные отражения,--иными словами, между дном и поверхностью устанавливаются стоячие волны. Амплитуда результирующих интерференционных экстремумов может быть во много раз больше, чем в случаях интерференции при одной отражающей поверхности [3]. Вогнутое дно может привести к фокусировке отражений, и, следовательно, к очень сильной интерференции.

Простого критерия для определения минимальной приемлемой глубины для проведения измерений в водоеме не имеется. Требуемая глубина зависит от типа преобразователя, вида и точности измерений, от частотного диапазона и режима работы: импульсного или непрерывного. Однако опыт работы ряда гидроакустических лабораторий на разных полигонах позволяет сделать несколько выводов общего характера.

Малые глубины, до 6 м, используются в основном для ультразвукового диапазона частот. При измерениях в верхней части диапазона звуковых частот и в нижней части ультразвукового диапазона типичными являются глубины 7,5-15 м. Для частот ниже 1 кГц такие глубины являются минимально допустимыми Если измеряются характеристики широкополосных преобразователей с приблизительно постоянной чувствительностью, то отражения от границ можно обнаружить и ввести необходимые поправки. Преобразователи, имеющие резонансы на частотах ниже 1 кГц, нужно градуировать в более глубоком водоеме, где можно обеспечить глубину погружения преобразователя порядка 15 м и более.

Если преобразователь погружен недостаточно глубоко, могут возникнуть трудности, связанные с присутствием рыб. Заполненные газом плавательные пузыри, имеющиеся у многих рыб, действуют как газовые пузырьки, резонирующие на частотах звукового диапазона.

Источниками фонового шума служат-лодки и корабли, расположенные неподалеку от водоема промйшленные установки (особенно связанные с водой насосы), грузовой транспорт, железные дороги, дождь и волны. Как ни странно, но большие самолеты тоже являются источником интерференционного шума из-за его высокого уровня в этом случае. Даже при ослаблении на 30 дБ на границе воздух-вода шум самолета может создать достаточно высокий уровень шума в воде.

Температурные градиенты в месте расположения преобразователя или поблизости от него тоже создают помехи при градуировке. Звуковые лучи преломляются из-за них и, конечно, могут привести к ошибкам в измерениях. На рис 3.1 показаны некоторые температурные разрезы, или термоклины, для озера Джем-Мэри в Орландо (штат Флорида), полученные до того, как были приняты меры для устранения градиентов. Некоторые виды рыб.

Температура, "С

Рис. 3.1. Типичные термоклины в озере Джем-Мэри, Орландо (штат Флорида). Средняя глубина озера вблизи места расположения измерительного оборудования равна 8-9 м.

вероятно, предпочитают определенную температуру воды, что ведет к концентрации рыбы на определенных глубинах. Температурные градиенты в малых спокойных водоемах выше всего вблизи поверхности и в теплую погоду. В глубоких озерах влияние градиента при электроакустических измерениях становится пренебрежимо малым на глубинах порядка 15-30 м. Состояние без градиентов, наиболее близкое к изотермическому, обычно бывает весной. Небольшие озера и пруды можно сделать изотермическими с помощью принудительной вертикальной циркуляции воды. На полигоне Додж-Понд, принадлежащем Гидроакустической лаборатории ВМС в Нью-Лондоне (штат Коннектикут), для этой цели используется мощный насос низкого давления. На озере Джем-Мэри в Орландо (штат Флорида) вблизи дна под тем участком озера, где проводятся