§ 2.2. Основные физические свойства подводной
среды и объектов поиска
Принимая во внимание, что наиболее эффективные и получившие в настоящее
время распространение зарубежные системы подводного поиска базируются на
использовании акустического, светового и электромагнитного полей,
остановимся на физических свойствах подводной среды и объектов поиска,
характеризующих распространение звука, света и электромагнитных волн
[1.38].
Акустические свойства среды и объектов поиска. На
распространение звука в море влияют как свойства самой водной среды, так
и граничных сред — атмосферы и грунта. При поиске подводных объектов в
придонном пространстве влиянием поверхности воды можно пренебречь.
Физическими параметрами морской воды и грунта, влияющими на
распространение звука, являются модуль объемной упругости х,
модуль сдвига m и плотность р. Они
полностью определяют такие акустические параметры среды, как скорость
распространения звука с и волновое сопротивление
z.
Как у всякой жидкости, упругие свойства морской воды обусловлены
огромным (для воды порядка 17 000 кгс/см2) давлением поверхностного слоя
молекул на остальной объем жидкости. Это давление объясняется тем, что
молекулы поверхностного слоя испытывают большее притяжение со стороны
соседних молекул жидкости, чем со стороны молекул газа, граничащего с
ней. В отличие от твердых тел жидкости обладают упругими свойствами
только в отношении изменения объема, в связи с чем характеризуются
только модулем объемной упругости х или обратной ему величиной —
коэффициентом сжимаемости к. Плотность морской воды р является функцией
ее солености и температуры. Данные о зависимости плотности морской воды
от этих параметров приведены на рис. 2.2 [15].
Сдвиговые деформации, обусловленные вязкостью воды,
при распространении звука обычно не учитываются в связи с их малостью.
Вязкость воды играет существенную роль лишь в поглощении звука.
Поскольку коэффициент объемной упругости X и
плотность р зависят от солености s, температуры t и статического
давления р, скорость звука является функцией этих же параметров. При
изменении их значении в
пределах отвечающих реальным морским условиям, скорость звука в воде
может принимать значения от 1440 до 1540 м/с. Обычно для теоретических
расчетов скорость звука в воде принимается равной 1500 м/с [27].
Волновое сопротивление z морской воды для плоской звуковой волны зависит
только от свойств среды.
Акустические свойства морских грунтов в различной
степени отличаются от таковых для воды и зависят от их структуры. В
слоях, прилегающих к воде, грунт в основном обладает свойствами
водоподобной среды. Глубинные слои грунта имеют, как правило, свойства
твердого тела. С точки зрения построения систем подводного поиска
интерес представляют верхние слои грунтов. Можно утверждать, что они
представляют собой пористую массу, состоящую из твердых частиц,
промежутки между которыми заполнены водой, в некоторых случаях с
примесью газов.
Оптические свойства среды и объектов поиска.
Свойства морской воды как оптической среды характеризуются
прозрачностью, которая количественно определяется ослаблением
интенсивности светового потока при пpoхождении через слой воды
определенной толщины. Падение интенсивности света обусловлено его
поглощением и рассеянием как самой водой, так и растворенными в ней
веществами и взвешенными частицами. Установлено, что ослабление света
водой в различных частях спектра неодинаково: оно невелико в
сине-зеленой части спектра и резче всего выражено в красной.
Количественная мера ослабления света оценивается коэффициентом
ослабления с.
Процесс поглощения света объясняется его
ослаблением
в самом веществе воды, лишенной каких-либо растворенных веществ или
примесей. Аналитической зависимости между коэффициентом поглощения
и длиной световой волны не существует, в связи с чем она задается
экспериментальным графиком (рис. 2.3) [36]. В реальных Условиях к
эффекту поглощения света добавляется его Рассеяние морской водой как
мутной средой. При этом характер рассеяния зависит от соотношения
величины взвешенных частиц и длины световой волны. Механизм рассеяния
света взвешенными частицами заключается в том, что такие частицы под
действием света сами становятся источниками светового излучения. Точные
количественные соотношения между явлениями поглощения и рассеяния
установить весьма сложно. Однако, предполагая, что процесс поглощения
света в самом веществе воды в любых районах Мирового океана одинаков,
можно считать, что причиной снижения интенсивности светового потока
сверх ожидаемого вследствие поглощения следует считать рассеяние. При
таком подходе коэффициент рассеяния экспериментально может быть
определен как разность между измеряемым коэффициентом общего ослабления
и известным коэффициентом поглощения дистиллированной воды.
На рис. 2.3 в общем виде представлены графики изменения коэффициентов
общего ослабления, поглощения и рассеяния света водой в функции длины
волны светового излучения [2]. Точные измерения коэффициентов поглощения
и общего ослабления воды производятся спектрофотометрами. Однако до
настоящего времени подводные спектрофотометрические методы еще не
получили достаточного распространения, в связи с чем прозрачность воды
оценивается по дальности z видимости в ней белого диска диаметром 300
мм. Связь между величиной коэффициента общего поглощения и. глубиной
исчезновения белого диска приближенно
Морской грунт как непрозрачная среда
характеризуется коэффициентом отражения, который определяется отношением
энергии падающего на грунт и отраженного светового потока. Цветовые
характеристики грунтов обусловливают зависимость коэффициента отражения
от длины волны излучения. Объекты поиска являются телами непрозрачными,
в связи с чем они так же, как и грунт, характеризуются коэффициентами
отражения. Для объектов поиска процесс отражения может носить не только
диффузный, но и зеркальный характер. Цвет объектов поиска может быть
различным.
Магнитные и электрические свойства среды и объектов поиска.
Существенное влияние на параметры магнитного и электрического полей, а
также на распространение электромагнитного поля оказывают удельная
электропроводность подводной среды а, ее магнитная и
диэлектрическая е проницаемости и определяемая этими характеристиками
постоянная распространения электромагнитных волн . Электропроводность
характеризует свойства среды проводить электрический ток и определяется
величиной, обратной электрическому сопротивлению единицы объема среды.
Магнитная проницаемость среды характеризует силу взаимодействия в ней
магнитных масс или проводников с током. Интерес представляет
относительная магнитная проницаемость — безразмерная величина,
показывающая, во сколько раз сила магнитного взаимодействия в
рассматриваемой среде (материале) больше, чем в вакууме. Для воды
относительная магнитная проницаемость практически не отличается от
единицы. Для морского грунта относительная магнитная проницаемость
зависит в основном от его химического состава. Даже незначительное
присутствие в грунтах окисей и солей ферромагнитных веществ (железа,
кобальта, никеля) повышает их магнитную проницаемость.
Диэлектрическая проницаемость среды характеризует силу взаимодействия в
ней электрических зарядов. Как и магнитная, диэлектрическая
проницаемость обычно выражается в безразмерных единицах, показывающих,
во сколько раз электрические силы взаимодействия вереде больше, чем в
вакууме. Диэлектрическая проницаемость воды е = 81. Диэлектрическая
проницаемость осадочных грунтов зависит в основном от содержания в них
воды. Для твердой фазы осадочных грунтов, а также для скальных грунтов
диэлектрическая проницаемость имеет величину порядка единиц.
Распространение электромагнитных волн в среде характеризуется постоянной
распространения k, которая помимо электропроводности и диэлектрической
проницаемости зависит также от частоты электромагнитного поля j. При
распространении электромагнитных волн в морской воде, имеющей
относительно высокую электропроводность, практическое значение имеют
только токи проводимости.
Так же, как подводная среда, материалы, из которых
состоят или изготавливаются объекты поиска, характеризуются с точки
зрения распространения в них магнитного и электрического поля
электропроводностью, магнитной и диэлектрической проницаемостями.
Диэлектрическая проницаемость неметаллических
материалов, из которых могут быть изготовлены объекты поиска, мало
отличается от таковой для скальных грунтов [28]. Постоянная
распространения электромагнитных волн в металлах, если учитывать, что их
электропроводность значительно превышает таковую для морских воды
и грунта, имеет значения, на порядок 103 превышающие величину к для
подводной среды. Указанное приводит к тому, что электромагнитные волны
практически в металл не проникают, затухая в тонком поверхностном слое.