CƠ SỞ ÂM HỌC ĐẠI DƯƠNG ( BIÊN DỊCH PHẠM VĂN HUẤN ) - CHƯƠNG 1 pps

Ví dụ, sự biến thiên đều của tốc độ âm theo độ sâu dẫn tới hình thành kênh âm ngầm và do đó sự truyền âm giới hạn xa.. Građien phương thẳng đứng của tốc độ âm ở phần lớn các khu vực đại

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

BREKHOVSKIKH L M., LYZANOV IU P

CƠ SỞ ÂM HỌC ĐẠI DƯƠNG

BIÊN DỊCH: PHẠM VĂN HUẤN

NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

FUNDAMENTALS OF OCEAN ACOUSTICS

MỤC LỤC

Chương 1 Đại dương như một môi trường âm 9

1.1 Tốc độ âm trong nước biển 9

1.2 Các trắc diện thẳng đứng tiêu biểu của tốc độ âm và điều

kiện truyền âm tương ứng

1.10 Tiếng ồn môi trường xung quanh 54

1.11 Các thấu kính ngoại nêm nhiệt 58

Chương 2 Lý thuyết tia về trường âm trong đại dương 61

2.1 Phương trình sóng cho môi trường bất đồng nhất 61

2.2 Sự khúc xạ của các tia âm 67

2.3 Khoảng cách phương ngang của một tia 71

2.4 Xấp xỉ građien không đổi của trắc diện tốc độ âm 72

2.5 Cường độ âm, nhân tố tiêu điểm và các điểm tụ âm 75

2.7 Định luật Snells đối với đại dương phụ thuộc khoảng cách 86

2.8 Thám sát cắt lớp âm đại dương 90

2.9 Các chùm tia phân kỳ yếu 97

Chương 3 Sự phản xạ âm từ bề mặt và đáy đại dương: các

Chương 4 Sự phản xạ âm từ bề mặt và đáy đại dương:

6.1 Lý thuyết tia đơn giản của kênh âm ngầm: hệ số bẫy của kênh âm ngầm

197

3 4

6.3 Các vùng hội tụ 209

6.4 Trường của một nguồn điểm trong kênh âm ngầm như

tổng của các sóng (thức) chuẩn

214

6.5 Biểu diễn tích phân của trường âm trong kênh âm ngầm 216

6.6 Biến đổi biểu diễn tích phân thành tổng các thức chuẩn 219

6.7 Các thức chuẩn trong phép xấp xỉ WKB: tích phân pha 226

Chương 7 Sự dẫn sóng phụ thuộc khoảng cách 249

7.1 Các thức chuẩn trong môi trường phân lớp hoàn toàn:

Phương pháp dẫn sóng quy chiếu

250

7.2 Xấp xỉ đoạn nhiệt: Bất biến tia 252

7.3 Các tia trong mặt phẳng ngang 268

7.4 Phương pháp phương trình parabôn 272

Chương 8 Sự truyền âm phản dẫn sóng 281

8.1 Kênh phản dẫn sóng tuyến tính lân cận bề mặt nước 281

9.6 Hệ số phản xạ trên hướng phản xạ gương 329

9.7 Phương pháp mặt phẳng tiếp tuyến: Khái niệm cơ bản 332

mặt gồ ghề

365

Chương 10 Truyền âm trong đại dương ngẫu nhiên 375

10.1 Các thăng giáng biên độ và pha 37610.2 Sự tản mát âm bởi những bất đồng nhất ngẫu nhiên 38610.3 Các thăng giáng pha do sóng nội 40010.4 Các thăng giáng trong quá trình truyền nhiều đường 407

Chương 11 Tản mát và hấp thụ âm bởi bọt khí trong nước 411

11.1 Tản mát âm bởi một bọt đơn lý tưởng 41111.2 Tản mát và hấp thụ âm bởi một bọt thực 41711.3 Phương sai của tốc độ âm 42211.4 Tản mát âm bởi một bọt khí gần bề mặt biển 42511.5 Dao động của tập hợp bọt 431

5 6

Chương 1

ĐẠI DƯƠNG NHƯ MỘT MÔI TRƯỜNG ÂM

Đại dương là một môi trường âm cực kỳ phức tạp Nét đặc trưng

nhất của môi trường đại dương là bản chất bất đồng nhất của nó Có hai

loại bất đồng nhất, bất đồng nhất có quy luật và bất đồng nhất ngẫu nhiên,

cả hai đều ảnh hưởng mạnh tới trường âm trong đại dương Ví dụ, sự biến

thiên đều của tốc độ âm theo độ sâu dẫn tới hình thành kênh âm ngầm và

do đó sự truyền âm giới hạn xa Những bất đồng nhất ngẫu nhiên gây nên

sự tản mát các sóng âm và do đó những thăng giáng trong trường âm

1.1 TỐC ĐỘ ÂM TRONG NƯỚC BIỂN

Biến thiên của tốc độ âm trong đại dương tương đối nhỏ Thông

thường c nằm giữa 1450 và 1540 m/s Tuy nhiên những biến thiên nhỏ

của có ảnh hưởng đáng kể tới sự truyền âm trong đại dương

c c

Tốc độ âm có thể đo trực tiếp tại chỗ bằng các thiết bị chuyên dụng -

các máy đo tốc độ, hoặc tính theo công thức thực nghiệm nếu biết nhiệt

độ T , độ muối S và áp suất thủy tĩnh P (hoặc độ sâu z ) Sai số đo

bằng các máy đo tốc độ hiện đại bằng khoảng 0,1 m/s Độ chính xác tính

bằng những công thức thực nghiệm hoàn thiện nhất cũng bằng khoảng

đó Tuy nhiên những công thức cho độ chính xác cao như vậy rất cồng

kềnh Một phương trình ít chính xác hơn nhưng đơn giản là

3 2

000290

0550642

c= , + , − , + ,

z S

T 35 0016010

034

Tốc độ âm tăng theo nhiệt độ, độ muối và độ sâu Theo (1.1.1) độ muối tăng 1 %o tại nhiệt độ 10 oC và hay độ sâu tăng 100 m tuần tự làm

tăng tốc độ âm 1,2 m/s và 1,6 m/s Gia số tốc độ âm c∆ theo biến thiên nhiệt độ 1 oC phụ thuộc vào giá trị nhiệt độ:

)( Co

)(m/s

Khi nhiệt độ và độ muối là hằng số, tốc độ âm tăng theo áp suất thủy tĩnh (građien thủy tĩnh của tốc độ âm) Građien tương đối ( chia cho c0) trong trường hợp này bằ , × ( 5 1)

m

10− − Građien phương thẳng đứng của tốc độ âm ở phần lớn các khu vực đại dương bằng khoảng một số nghìn lần građien phương ngang, ngoại trừ ở những vùng hội tụ của các hải lưu lạnh và ấm, nơi các građien phương ngang và thẳng đứng đôi

dz

dc/

− 2111

Vậy ở bước xấp xỉ thứ nhất có thể xem đại dương như một môi trường phân tầng phẳng với các đặc trưng chỉ biến thiên theo độ sâu và không biến đổi trong mặt phẳng ngang Còn sự ảnh hưởng của sóng nội, rối quy mô lớn, các hải lưu và một số nhân tố khác làm nhiễu bức tranh này phải được xét riêng

1.2 CÁC TRẮC DIỆN THẲNG ĐỨNG TIÊU BIỂU CỦA TỐC ĐỘ

ÂM VÀ ĐIỀU KIỆN TRUYỀN ÂM TƯƠNG ỨNG

Chính hình dạng (trắc diện) của đường cong c (z) và sự phân bố của građien tốc độ âm theo độ sâu, chứ không phải giá trị tuyệt đối của tốc độ

âm là quan trọng hơn cả đối với sự truyền âm trong đại dương Với một loại trắc diện )c (z , âm có thể truyền xa hàng trăm và hàng nghìn km, nhưng với loại khác, thì âm cùng tần số chỉ truyền xa vài chục km hoặc thậm chí ít hơn

7 8

Các trắc diện )c (z ở những vùng đại dương khác nhau rất khác

nhau và chúng cũng biến đổi theo thời gian Thăng giáng lớn nhất quan

sát được ở lớp bên trên, chủ yếu do những biến thiên mùa và ngày của

nhiệt độ và độ muối Tại các độ sâu lớn hơn 1 km những biến thiên thẳng

đứng của nhiệt độ (cũng như độ muối) thường là rất yếu, nên tốc độ âm

tăng hầu như hoàn toàn do tăng áp suất thủy tĩnh Kết quả là, tại các độ

sâu lớn tốc độ âm tăng gần như tuyến tính theo độ sâu

Bây giờ chúng ta sẽ xem xét những dạng chính của trắc diện )c(z

và các kiểu truyền âm tương ứng với chúng

1.2.1 Kênh âm ngầm (USC) 1

Ở những khu vực nước sâu, trắc diện )c (z tiêu biểu có dạng tốc độ

âm cực tiểu ở một độ sâu nhất định z m (hình 1.1a) Độ sâu này là trục

của kênh âm ngầm Bên trên trục đó tốc độ âm tăng chủ yếu do tăng nhiệt

độ; còn bên dưới tốc độ âm tăng chủ yếu do tăng áp suất thủy tĩnh Nếu

nguồn âm ở trục của kênh âm ngầm hoặc lân cận đó, thì một phần năng

lượng âm bị bẫy trong kênh âm ngầm và truyền trong phạm vi kênh,

không đi tới đáy hay mặt đại dương, do đó không bị tản mát và hấp thụ

tại các biên ấy Sơ đồ tia trong kênh âm ngầm được dẫn trên hình 1.1b

Các tia đi ra từ nguồn với góc mở nhỏ (góc giữa tia và mặt phẳng ngang)

sẽ quay lại trục kênh nhiều lần Đây là một kiểu truyền sóng bị dẫn Kênh

âm ngầm là một trường hợp đặc biệt của ống dẫn sóng tự nhiên Trong

khí quyển cũng có ống dẫn sóng âm tương tự

Sự truyền sóng bị dẫn đối với trường hợp trên hình 1.1 được quan

sát thấy trong khoảng độ sâu 0 Các độ sâu z=0 và c là

những biên của kênh âm ngầm Kênh bẫy tất cả những tia âm đi ra từ

nguồn (đặt tại trục) với góc mở max

còn m và c0 là các tốc độ âm tuần tự tại trục và tại biên của kênh Do

đó, h ệu c0 −c m càng lớn thì khoảng góc mở mà các tia bị bẫy càng lớn, tức ống dẫn sóng càng hiệu dụng

c

Độ sâu trục kênh âm ngầm thường bằng 1000-1200 m Ở vùng nhiệt đới nó hạ thấp tới 2000 m và nâng lên gần tới mặt tại các vĩ độ cao Tại các vĩ độ trung bình (từ 60 oS đến 60 oN) tốc độ âm tại trục kênh âm ngầm biến thiên từ 1450 đến 1485 m/s ở Thái Bình Dương và từ 1450 đến 1500 m/s ở Đại Tây Dương

Nếu tốc độ âm bên dưới trục kênh âm chỉ tăng theo áp suất thủy

tĩnh, thì ta nói rằng kênh âm đó là kênh âm thủy tĩnh Tuy nhiên, trong

một số trường hợp ở đại dương kênh âm ngầm sinh ra do sự hiện diện của các khối nước ấm với độ muối cao ở bên dưới trục kênh Kiểu kênh âm

ngầm này gọi là kênh nhiệt Ví dụ, các kênh âm nhiệt điển hình có ở biển

Baltic và Hắc Hải

9 10

Có hai loại kênh âm ngầm tùy thuộc vào tỷ số c0/ h Trường hợp

biểu diễn trên hình 1.1a Với những khu vực nông hơn ứng với

trường hợp ngược lại 0 >c h (hình 1.2) Ở đây kênh âm ngầm mở rộng

từ đáy cho tới độ sâu z c, nơi tốc độ â bằng c h Hai tia giới hạn được

biểu diễn trên hình 1.2b cho trường hợp này Các tia bị bẫy không vượt

lên k ỏi độ sâu z c Chỉ những tia phản xạ từ đáy mới đạt tới vùng đó

Khoảng cách truyền âm cực đại trong kênh âm ngầm bị giới hạn chủ

yếu bởi sự hấp thụ trong nước biển Âm tần số đủ thấp bị hấp thụ tương

đối ít, có thể truyền đi những khoảng cách hàng trăm và hàng nghìn km

Ví dụ, các tín hiệu âm phát sinh từ một nguồn 57 Hz đặt ở vị trí gần đảo

Heard (Ấn Độ Dương) tại độ sâu 157 m (trục kênh âm địa phương) đã

được phát hiện bởi một số điểm thu ở Ấn Độ Dương, Đại Tây Dương và

Thái Bình Dương cách xa 18000 km (hình A.1.1) [1.2] Sự truyền âm

như thế gọi là truyền âm đường dài

Có những đặc điểm rất lý thú đối với trường hợp nguồn nằm gần

mặt đại dương Trường hợp điển hình đối với kênh âm ngầm là “cấu trúc

vùng” của trường âm - sự xen kẽ giữa các vùng sáng và vùng tối âm -

thể hiện rõ trên sơ đồ tia (hình 1.3) Các vùng tối được ký hiệu bằng

A1, A2, , B1, B2, Các tia âm bị bẫy không xâm nhập được vào những vùng đó Khi nguồn tiến dần tới trục kênh âm, thì độ rộng của các vùng tối giảm đi và độ rộng của các vùng sáng tăng lên Nếu độ sâu củ

ục kênh âm trùng nhau, thì các vùng tối biến mất tại độ sâu đó Sẽ có một số tia âm đạt tới máy thu trong trường hợp này nếu như máy thu nằm không xa trục kênh âm Sự truyền âm nhiều đường như thế là một trong những đặc điểm đặc trưng nhất của trường âm trong kênh âm ngầm

Sự xuất hiện lần thứ hai củ m tại các độ sâu nhỏ sau khi chúng bị phản xạ ở các lớp sâu thường là do sự hội tụ các tia đó và tạo thành cái gọi là các điểm tụ âm (các đường đậm trên hình 1.3b) Những

vùng đó gọi là các vùng hội tụ Nơi đó có mức cường độ âm cao

Cấu trúc vùng rất khác biệt đôi khi được quan sát thấy ở những khoảng cách rất xa Ở vùng nhiệt đới Đại Tây Dương, giữa các khoảng cách 400 và 2300 km có tới 37 vùng hội tụ được phát hiện (tần số: 13,89 Hz) [1.3] Tại những khoảng cách lớn hơn, cấu trúc vùng bị mờ nhạt đi

do những biến thiên của trắc diện )c (z dọc đường truyền âm Tổn thất truyền của trường âm tại những khoảng cách từ 400 đến 1000 km được biểu diễn trên hình 1.4 Hai băng ghi ở phía trên tương ứng với tần số âm 111.1 Hz (độ sâu nguồn là 21 m) Băng ghi ở trên cùng thể hiện cường độ

âm như một hàm của khoảng cách sau khi lấy trung bình trên các khoảng cách 7 km, còn băng ghi thứ hai kể từ trên - sau khi lấy trung bình trên khoảng cách 215 m Các vị ủa những vùng hội tụ (các cự

cường độ âm) với số hiệu từ 7 đến 15 được thể hiện bằng những thẳng đứng Khoảng cách giữa các vùng hội tụ là 65 km Hai băng ghi ở phía dưới nhận được tại tần số 13,89 Hz (độ sâu nguồn là 1

cách lấy trung bình trên các khoảng cách tuần tự 7 km và 40 Các vùng hội tụ cách nhau 61,7 km Sự khác nhau về khoảng cách giữa các vùng hội tụ tại những tần số khác nhau là do những hiệu ứng sóng

Đại Tây Dương (1.3) Các mũi tên biểu diễn sự chuyển

13 14

1.2.2 Kênh âm mặt

Kênh này được hình thành khi trục kênh nằm ở bề mặt Trắc diện

)

(z

c điển hình cho trường hợp này được biểu diễn trên hình 1.5a Tốc độ

âm tăng đến độ sâu z= rồi bắt đầu giảm Sơ đồ tia âm tương ứng được h

thể hiện trên hình 1.5b Những tia đi ra từ nguồn với góc mở χ<χb (ở

đây χb là góc trượt của tia âm ở biên tiếp tuyến với biên phía dưới của

kênh) truyền đi với nhiều lần phản xạ từ bề mặt Nếu mặt đại dương là

phẳng trơn, thì những tia này ở lại trong kênh âm bất kể khoảng cách từ

nguồn bằng bao nhiêu và tạo nên sự truyền sóng bị dẫn Nếu mặt đại

dương gồ ghề, thì một phần năng lượng âm bị tản mát theo các góc

b

χ

χ> tại mỗi lần tiếp xúc với bề mặt và do đó đi ra khỏi kênh âm Kết

cục của trường hợp này là trường âm suy yếu trong kênh âm, nhưng ở

vùng phía dưới kênh thì mức âm của nó tăng lên

Trường hợp được biểu diễ 1.5 thường xảy ra ở lớp trên

của các vùng đại dương nhiệt đớ n đới, nơi nhiệt độ và độ muối

n trên hình

i và ô

ặt gần như không đổi do xáo trộn gió Tr

ng theo độ sâu do građien áp suất thủy tĩ

Có thể quan trắc thấy trường hợp tốc độ âm tăng từ mặt tới tận đáy ở các khu vực Bắc Băng Dương và Nam Cực, ở các biển nội địa vùng nhiệt đới và ở các biển nông trong thời kỳ mùa thu và mùa đông Trắc diện )

1.2.3 Kênh âm ngầm với hai trục

Trường hợp này thường hay xảy ra khi các kênh âm mặt và dưới sâu đồng thời tồn tại Trắc diện )c (z

ở bề

điển hình được thể hiện trên hình 1.7a Trục của kênh phía trên nằm mặt, còn trục của kênh phía dưới ở độ sâu ơ đồ tia tương ứng cho trường hợp nguồn nằm trong kênh phí

tia 2 chủ yếu truyền trong kênh dưới Một số tia lúc đầu thuộc kênh trên

ống kênh dưới do sự tản mát tại bề mặt gồ ghề (ví d

m

ược biểu diễn trên hình 1.7b Ở đây tia 1 truyề trong kênh trê

cũng có thể xâm nhập xu

ụ tia 3) Những tia đó gọi là các tia thất thoát Biến thiên của trắc

diện )c (z dọc đường truyền cũng có thể tạo nên những tia thất thoát

15 16

Kênh âm hai trục được thông báo quan sát thấy ở Bắc Đại Tây Dương,

ngoài khơi bán đảo Bồ Đào Nha Trục kênh phía trên ở độ sâu 450-500

m, còn trục dưới ở độ sâu khoảng 2000 m Có phân bố tốc độ âm theo độ

sâu như thế là do khối nước Địa Trung Hải ấm và mặn hơn xâm nhập vào

các lớp nước sâu (∼1200 m) của Đại Tây Dương [A.1.1]

Kiểu tr ền sóng không bị dẫn đơn giản nhấ

m giảm đơn điệu theo độ sâu (hình 1.8a) Tình huống này thường là

hệ quả bức xạ Mặt Trời nung nóng mạnh các lớp nước phía trên Sơ đồ

tia được biểu diễn trên hình 1.8b Tất cả các tia bị khúc xạ xuống phía

dưới Tia tiếp tuyến với bề mặt là tia giới hạn Khu vực gạch chéo biểu

diễn vùng tối hình học Với những điều kiện tiêu biểu trong đại dương,

thì khoảng cách từ nguồn đến vùng tối chỉ bằng một số km

Hình 1.8 Sự hình thành vùng tối hình học khi tốc độ âm giảm đơn điệu theo độ sâu

Vùng tối hình học không phải là một vùng cường độ â bằng không Trong trường hợp tưởng biểu diễn trên hình 1.8, năng lượng âm xâm nhập vào vùng tối nhờ sự tán xạ Trong những trường hợp thực, các sóng âm bị ph

m lý

ản xạ từ đáy và bị tản mát bởi những bất đồng nhất ngẫu nhiê

Nó được quan sát thấy ở các biển nông và thềm

n của môi trường cũng tạo ra âm thanh của vùng tối

1.2.5 Truyền âm trong nước nông

Kiểu truyền âm này tương ứng với trường hợp khi mỗi tia âm từ nguồn đi được khoảng cách đủ dài bị phản xạ tại đáy Trắc diện điển hình được thể hiện trên hình 1.9a

đại dương, đặc biệt trong thời kỳ hè - thu, khi các lớp nước phía trên được nung nóng nhiều Sơ đồ tia lý tưởng được dẫn trên hình 1.9b Vì mỗi lần phản xạ từ đáy sẽ làm suy yếu sóng âm một cách đáng kể, nên truyền âm trên những khoảng cách lớn gắn liền với tổn thất lớn năng lượng âm

17 18

20

1.3 SỰ HẤP THỤ ÂM

ền trong Khi âm truy đại dương, một phần năng lượng âm liên tục bị

hấp thụ, tức bị chuyển hóa thành nhiệt Sự hấp thụ đó một phần do độ

nhớt trượt của chất lỏng Tuy nhiên, độ nhớt khối do một số quá trình

g đại dương là do sự tản mát các sóng âm bởi những bất đồng nhất

thuộc một kiểu khác Thông thường chỉ có thể đo được hiệu ứng tổng hợp

của hấp thụ và tản mát Hiệu ứng đó gọi là sự suy giảm âm Trên cơ sở

phân tích nhiều dữ liệu phòng thí nghiệm và thực nghiệm hiện trường,

Marsh và Schulkin [1.4] đã thu được công thức thực nghiệm sau đây cho

hệ số suy giảm trong nước biển tại các tần số trong khoảng giữa 3 kHz và

(

f

Bf f

f

f f SA

T T

2 2

2

1068

2 ⋅ −

= ,

1038

, 6 1520 273

109

Trong công thức (1.3.1), số hạng thứ nhất ở dấu ngoặc thứ nhất mô

tả sự hấp thụ do quá trình hồi phục của MgSO4, còn số hạng thứ hai tương ứng với sự hấp thụ nhớt Biểu thức ở dấu ngoặc thứ hai diễn tả sự hấp thụ phụ thuộc vào áp suất thủy tĩnh Tuy nhiên, mối phụ thuộc là tương đối yếu: cho tới độ sâu 4 km, biến thiên của nó không vượt quá 30

%

Tại những tần số thấp (100 Hz - 3 kHz), sự suy giảm âm được mô tả tốt hơn bằng công thức của Thorp [1.5]:

2 2 2

2

4100

441

110

f

f f

f

+

++

= ,

β (dB/km), (1.3.2)

với f là tần số âm (kHz) Cả hai số hạng đều có cấu trúc hồi phục điển

hình: số hạng thứ nhất (quan trọng nhất tại các tần số đang xét) mô tả sự hấp thụ rõ ràng là do quá trình hồi phục của axit boric H3BO3 (tần số hồi phục: 1 kHz); số hạng thứ hai mô tả quá trình hồi phục của MgSO4 (tần

số hồi phục: 65≈ kHz) Hệ số hấp thụ do quá trình hồi phục axit boric có

sự biến thiên địa lý rõ rệt liên quan tới giá trị độ pH khác nhau trong các đại d ơng [1.6] Sự phụ thuộc vào độ pH này đòi hỏi phải cải biên số hạng thứ nhất trong (1.3.2) bằng cách đưa ra một nhân tử bổ sung

ư

K phụ

19

thuộc độ pH Giá trị của K th

sự bi

giảm â

n số

ạ nào khác có trong

ạnh phát ra,

đại d

ay đổi trong các đại dương từ 0,5 đến 1,1

Lovett [1.7] đã phân tích ến thiên khu vực của quá trình hấp thụ âm

bởi axit boric

Theo (1.3.2) sự suy m tần số thấp là rất yếu Ví dụ, cường độ

âm suy giảm 10 lần tại tầ 100 Hz diễn ra trên khoảng cách 8333 km

Không có một loại bức x hể sánh được với các sóng âm tần

thấp khi truyền đường dài t đại dương Các sóng điện từ, kể cả những

sóng do các máy laser m bị hấp thụ hầu như hoàn toàn tại

khoảng cách nhỏ hơn 1 km

Hình 1.10 khái quát các dữ liệu thực nghiệm về sự phụ thuộc tần số

của hệ số suy giảm ở các ương Đại Tây Dương, Ấ Độ Dương, Thái

h Dương và các biển Địa Trung Hải và Hồng Hải [1.5] Các tính toá

o (1.3.1) đối với tần số trên 3 kHz với z=1240m và theo (1.3.2) đố

i dải tần 0,1 - 3 kHz cho hệ số suy giảm khá phù hợp với với thự

hiệm Tuy nhiên, ở khu vực thấp hơn 100 Hz, dữ liệu thực nghiệ

của độ lớn) Kibblewhite và Hampton

hiện có về sự hấp thụ tần thấp trong kênh âm ngầm, nhóm chúng

theo các khối nước và thu được những kết quả có lý trong phạm vi mỗi

nhóm Các khối nước đã được đặc tả bằng trắc diện tốc độ âm c (z) Kết

quả là, họ đã đề xuất một công thức như sau cho hệ số hấp thụ trong kênh

âm ngầm khu vực dưới 1 kHz:

2 1

2 2

01101

trong đó K là hệ số, nó tính đến sự biến thiên khu vực của các hiệu ứng

liên quan tới nguyên tố bo βS là hệ số suy giảm bổ sung, không phụ

thuộc tần số Giá trị của nó tùy thuộc vào loại khối nước và biến thiên từ

dù phân nhóm dữ liệu thực nghiệm theo khu vực đã cho

ý, nhưng những nguyên nhân vật lý dẫn tới sự suy giả

n nhân làm suy giảm tại băng tần này Tại các tần số bằng m

21 22

những tổn thất tán xạ liên quan tới thất thoát năng lượng âm từ kênh

âm ngầm là quan trọng Sự suy giảm do những tổn thất tán xạ tăng lên

theo chiều tần số giảm

1.4 SỰ BIẾN ĐỘNG CỦA ĐẠI DƯƠNG VÀ HỆ QUẢ CỦA NÓ TỚI

TRƯỜNG ÂM

Theo quan điểm âm học đại dương, thì những nhân tố sau đây rất

biến động: các hải lưu, sóng nội, rối quy mô nhỏ làm xáo động đặc điểm

phân tầng phương ngang của tốc độ âm và gây nên những thăng giáng

không gian và thời gian của âm được truyền đi

1.4.1 Các hải lưu quy mô lớn và các đới front

Biên giới của các hải lưu quy mô lớn, như Gulf Stream và Kurosyo,

là những đới front phân chia các khối nước với những đặc trưng vật lý rất

khác nhau Trong phạm vi các đới front đó nhiệt độ, độ muối, mật độ và

tốc độ âm chịu những biến động mạnh Ví dụ, ở biên phía bắc của Gulf

S a bắc của 35 oN) chênh nhiệt độ đạt tới 10 oC trên khoảng

cách 5 hải lý Biên phía nam là một front yếu - chênh nhiệt độ giữa các

khối nước của Gulf Stream và của biển Sargasso bằng khoảng 1 - 2 oC

Trên hình 1.11 dẫn ra kết quả nghiên cứu thực nghiệm về truyền âm

khoảng cách xa dọc tuyến

hía tây bắc Các

ược phát nổ tại độ

cách 600 - 900 km với hai máy nghe sâu đặt ở đáy gần Bermuđa

Các tín hiệu thu được phân tích trên các băng tần 1/3 khoảng tám với tâm

tại 50, 80 và 160 Hz Quan trắc trắc diện )c (z dọc theo đường truyền

được thực hiện gần như là đồng thời với thí nghiệm âm

n các biên phía nam và phía bắc của Gulf Stream

Có thể nhận ra sự biến đổi mạnh về mức âm (6 - 10 dB) gây nên bởi một

sự di dịch nhỏ vị trí nổ Phân tích lý thuyết cho thấy rằng những đặc điểm quan sát được của trường âm có thể giải thích là do sự biến đổi của trắc diện )(

Hình 1.11 cho thấy rằng các mức thu là thấp nhất khi những nguồn

ổ được phát nổ ở gần

z

c dọc theo đường truyền, cụ thể là do độ sâu của trục kênh âm đã tăng lên giữa khu vực nước lạnh sườn lục địa và nước ấm của biển Sargasso

Hình 1.11 Các mức cường độ âm (quy chuẩn theo lan truyền suy giảm và hình trụ) phụ thuộc vào khoảng cách, các băng tần 1/3 khoảng tám với tâm tại 50, 80 và 160 Hz, trường hợp truyền ngang qua Gulf Stream [1.9]; N và S là các biên phía bắc và nam của Gulf S

23 24

tream

1.4.2 Các xoáy synop (quy mô vừa)

Những cuộn xoáy lớn trong đại dương thường hay quan sát thấy ở gần những dòng biển tương phản mạnh như Gulf Stream và Kurosyo Các xoáy front có hình dạng của những vòng khuyên và được hình thành như

là hệ quả của các khúc uốn lớn bị tách ra khỏi dòng nước chính Gần đây,

các xoáy synop đã được phát hiện ở vùng khơi đại dương [1.10] Những

tham số của các xoáy synop biến thiên trong khoảng khá rộng: đường

kính của một xoáy 25 - 500 km, vận tốc nước trong xoáy 30 - 150 cm/s

và tốc độ di chuyển của tâm xoáy tới 10 cm/s

Trong vùng xoáy, tốc độ âm có c u trúc phức tạp Trên hình 1.12 thể

hiện phân bố của tốc độ âm trong mặt phẳng thẳng đứng cắt ngang qua

ột vòng khuyên xoáy thuận bị tách ra khỏi Gulf Stream Ở phần tâm củ

ng khuyên, ta thấy các đường đẳng tốc độ bị nâng cao lên khoảng 70

Kết quả là, građien thẳng đứng của tốc độ âm tăng đáng kể về phí

ủa vòng kuyên

Hình 1.12 Mặt cắt đường đẳng tốc độ âm trong

xoáy thuận bị tách ra khỏi Gulf Stream Các số gần

những đường cong chỉ tốc độ âm bằng m/s [1.11]

Hình 1.13 Mức cường độ âm phụ thuộc khoảng cách đối với một máy thu tại độ sâu 300 m Đường cong liền nét ứng với sơ đồ tia biển Sargasso và đường cong

Trên hình 1.13 thể hiện sự tổn thất đường truyền phụ thuộc khoảng

cách cho trường hợp truyền âm ngang qua nửa phía bắc của vòng khuyên

xoáy thuận ở hình 1.12 Dữ liệu đã được tính theo phép xấp xỉ tia đối với

một nguồn điểm đẳng hướng đặt ở tâm của vòng khuyên tại độ sâu 200

m Độ sâu máy thu là 300 m Tính toán tổn thất truyền đã có tính đến sự

mở rộng front sóng, sự hấp thụ trong nước 3 và sự thất thoát năng lượng

âm vào trong đáy Để so sánh, ở đây cũng dẫn ra sự tổn thất truyền đối

với điều kiệ n Sargasso ở bên ngoài vòng khuyên Khi âm truyền qua

vòng

n biể

khuyên xoáy thuận nhận thấy hai đặc điểm: thứ nhất, sự di chuyển

năng lượng từ kênh độ sâu giữa sang kênh âm ngầm sâu do sự khúc xạ

đặ ương đối nhỏ bên trong vòng khuyên xoáy

thuận Tại độ sâu 300 m, các vùng hội tụ thứ nhất và thứ hai bị di dịch

tuần tự 20 và 30 km Vậy vòng khu ên xoáy thuận tạo ra những nhiễu

đá

1.4.3 Sóng

trường tác độ i mật độ trung bình trong

m i trường Chúng có chu kỳ từ khoảng chục phút tới chu kỳ quán tính

đồ y rằng s truyền âm hiệu quả trong kênh âm ngầm sâu

(z m =1000m) tăng lên trong trường hợp này thậm hí nếu nguồn âm

được t tại một độ sâu t

y

ng kể trong trường âm

nội

Sóng nội gây nên những nhiễu động lớn về cường độ và pha của các

sóng âm Đó là những chuyển động kiểu sóng sinh ra khi các lực trọng

ng tới những biến đổi mật độ so vớ

ô

3 Sự hấp thụ lấy cho một tần số bằng 100 Hz

T (T =12giê/sinϕ,ϕ− vĩ độ) ên hình thăng giáng thời gian của biên độ ( a mghi được tại khoảng cách 1318 km trên đáy sườn lục địa gần Elcuthera, còn máy thu ở độ sâu 1723 m trên đáy gần Bermuđa

Tr 1.15 [1.12] biểu diễn các a) và pha (b) củ ột tín hiệu 367 Hz, Nguồn đặt ở độ sâu 527 m

Hình 1.15 (a) Thăng giáng biên độ và pha của tín hiệu 67 Hz

tại khoảng cách 1318 km [1.12]

phần áp

3

h 1.16 [1.13] biểu diễn phổ của các thăng giáng của c

suất trên các trục tọa độ Đêcac X và Y (mục 10.4) đố

220 Hz: phổ tốc độ pha (bên ái), phổ biên độiên độ (bên phải) Thí nghiệm được thực hiện

i với tín

Ber

o Dyson và nnk [1.14] phát triển sử dụng mô hình Garrett-Munk về sóng nội (chương 10) Thấy rằng, kết quả

ghiệm khá trùng hợp với nhau

của l

muđa Nguồn âm được neo đặt ở trục kênh âm ngầm, tại độ sâu 1100

m gần Bermuđa Tín hiệu được thu bằng máy nghe treo dưới tầu thả trôi tại các độ sâu 500, 1000 và 1500 m, cách nguồn khoảng 250 km Phổ tốc

độ pha giảm đơn điệu tại tốc độ giữa ω− 0, 5 và ω− 1 Các phổ của những máy nghe sâu hơn thì giảm có phần nhanh hơn Phổ biên độ giảm đơn điệu như ω− , 5 Các đường liền nét là kết quả lý thuyết dựa trên mô hình truyền âm đa đường ngẫu nhiên d

lý thuyết và dữ liệu thực n

27 28