Výstup počítačového modelu podvodního akustického šíření ve zjednodušeném oceánském prostředí.
Podvodní akustika je studium šíření zvuku ve vodě a interakce mechanických vln, které tvoří zvuk s vodou a jejími hranicemi. Voda může být v oceánu, jezeře nebo nádrži. Typické frekvence spojené s podvodní akustikou jsou mezi 10 Hz a 1 MHz. Šíření zvuku v oceánu při frekvencích nižších než 10 Hz obvykle není možné bez proniknutí hluboko do mořského dna, zatímco frekvence nad 1 MHz se používají jen zřídka, protože se absorbují velmi rychle. Podvodní akustika je někdy známá jako hydroakustika.
Oblast podmořské akustiky úzce souvisí s řadou dalších oblastí akustického studia, včetně sonaru, transdukce, zpracování akustického signálu, bioakustiky a fyzikální akustiky.
Podvodní zvuk byl pravděpodobně využíván mořskými živočichy po miliony let. Věda o podvodní akustice začala v roce 1490, kdy Leonardo Da Vinci napsal:
V roce 1687 napsal Isaac Newton své Matematické principy přírodní filozofie, které zahrnovaly první matematické zpracování zvuku. Další významný krok ve vývoji podmořské akustiky učinili [[Jean-Daniel Colladon, švýcarský fyzik, a Charles Sturm, francouzský matematik. V roce 1826 na Ženevském jezeře změřili dobu, která uplynula mezi zábleskem světla a zvukem podmořského lodního zvonu, který byl slyšet pomocí podvodní naslouchací houkačky. Naměřili rychlost zvuku 1435 metrů za sekundu na vzdálenost 17 kilometrů, což poskytlo první kvantitativní měření rychlosti zvuku ve vodě. Výsledek, který získali, se pohyboval přibližně v rozmezí 2 % v současnosti uznávaných hodnot. V roce 1877 napsal Lord Rayleigh Teorii zvuku a založil moderní akustickou teorii.
Potopení Titanicu v roce 1912 a začátek první světové války poskytly impuls pro další vlnu pokroku v podmořské akustice. Byly vyvinuty protiponorkové odposlouchávací systémy. V letech 1912 až 1914 byla v Evropě a USA udělena řada echolokačních patentů, které vyvrcholily v roce 1914 echorangerem Reginalda A. Průkopnické práce během této doby prováděl ve Francii Paul Langevin a v Británii A B Wood a spol. Vývoj aktivního ASDIC i pasivního sonaru (SOund Navigation And Ranging) pokračoval rychle během války, poháněn prvním velkým nasazením ponorek. Další pokrok v podmořské akustice zahrnoval vývoj akustických min.
V roce 1919 byla publikována první vědecká práce o podmořské akustice , která teoreticky popisuje lom zvukových paprsků produkovaných teplotními a slanostními gradienty v oceánu. Předpovědi rozsahu práce byly experimentálně ověřeny měřením ztrát při přenosu.
V následujících dvou desetiletích došlo k rozvoji několika aplikací podmořské akustiky. Fathometer neboli hloubkoměr byl vyvinut komerčně během 20. let 20. století. Původně přírodní materiály byly použity pro snímače, ale ve 30. letech 20. století sonarové systémy obsahující piezoelektrické snímače vyrobené ze syntetických materiálů byly použity pro pasivní odposlouchávací systémy a pro systémy s aktivním dosahem ozvěny. Tyto systémy byly za druhé světové války s dobrým účinkem používány jak ponorkami, tak protiponorkovými plavidly. Bylo dosaženo mnoha pokroků v podmořské akustice, které byly shrnuty později v sérii Physics of Sound in the Sea, publikované v roce 1946.
Po druhé světové válce byl vývoj sonarových systémů poháněn především studenou válkou, což vedlo k pokroku v teoretickém a praktickém pochopení podvodní akustiky, podporované počítačovými technikami.
Zvuková vlna šířící se pod vodou se skládá ze střídavých kompresí a rarefací vody. Tyto komprese a rarefakce jsou detekovány přijímačem, například lidským uchem nebo hydrofonem, jako změny tlaku. Tyto vlny mohou být vytvořeny člověkem nebo přirozeně.
Rychlost zvuku, hustota a impedance
Rychlost zvuku (tj., podélný pohyb wavefronts) souvisí s frekvencí a vlnovou délkou vlny o .
To se liší od rychlosti částic , který odkazuje na pohyb molekul v médiu v důsledku zvuku, a vztahuje rovině vlně tlak na hustotu kapaliny a rychlost zvuku o .
Součin a z výše uvedeného vzorce je známý jako charakteristická akustická impedance. Akustický výkon (energie za sekundu) plochy průsečíkové jednotky je známý jako intenzita vlny a pro rovinnou vlnu je průměrná intenzita dána , Kde je kořenový střední čtvercový akustický tlak.
Při 1 kHz je vlnová délka asi 1,5 m. Někdy se používá termín „rychlost zvuku“, ale to je nesprávné, protože veličina je skalár.
Velký impedanční kontrast mezi vzduchem a vodou (poměr je asi 3600) a měřítko drsnosti povrchu znamená, že mořská hladina se chová jako téměř dokonalý odrazník zvuku při frekvencích pod 1 kHz. Rychlost zvuku ve vodě je vyšší než ve vzduchu 4,4krát a poměr hustoty je asi 820.
Absorpce nízkofrekvenčního zvuku je slabá. (viz Technické příručky – Výpočet absorpce zvuku v mořské vodě pro on-line kalkulačku). Hlavní příčinou útlumu zvuku ve sladké vodě a při vysoké frekvenci v mořské vodě (nad 100 kHz) je viskozita. Významné další příspěvky při nižší frekvenci v mořské vodě jsou spojeny s iontovou relaxací kyseliny borité (až do c. 10 kHz) a síranu hořečnatého (až do c. 100 kHz) .
Zvuk může být absorbován ztrátami na hranicích tekutin. Poblíž hladiny moře může docházet ke ztrátám v bublinové vrstvě nebo v ledu, zatímco na dně může zvuk pronikat do sedimentu a být absorbován.
Odraz a rozptyl zvuku
Vodní plocha i dno jsou odrazem a rozptýlením hranic.
Pro mnoho účelů lze hladinu moře-vzduch považovat za dokonalý reflektor. Kontrast impedance je tak velký, že jen málo energie je schopno tuto hranici překročit. Akustické tlakové vlny odrážené od mořské hladiny zažívají ve fázi obrácení, často uváděné buď jako „změna fáze pí“ nebo „změna fáze 180 stupňů“. To je matematicky vyjádřeno přiřazením koeficientu odrazu minus 1 místo plus 1 mořské hladině.
Při vysoké frekvenci (nad asi 1 kHz) nebo když je moře rozbouřené, je část dopadajícího zvuku rozptýlena, a to je zohledněno přiřazením koeficientu odrazu, jehož velikost je menší než jedna. Například, blízko k normálnímu výskytu, se koeficient odrazu stává , kde h je rms výška vlny.
Další komplikací je přítomnost bublin vytvářených větrem nebo ryb v blízkosti mořské hladiny. Bubliny mohou také tvořit chocholy, které pohlcují část dopadajícího a rozptýleného zvuku a samy rozptylují část zvuku.
Nesoulad akustické impedance mezi vodou a dnem je obecně mnohem menší než na povrchu a je složitější. Závisí na typech materiálu dna a hloubce vrstev. Pro předpovídání šíření zvuku na dně byly v tomto případě vypracovány teorie, například Biotem a Buckinghamem.
Odraz zvuku u cíle, jehož rozměry jsou ve srovnání s akustickou vlnovou délkou velké, závisí na jeho velikosti a tvaru, jakož i na impedanci cíle ve vztahu k impedanci vody. Pro cílovou pevnost různých jednoduchých tvarů byly vyvinuty vzorce jako funkce úhlu dopadu zvuku. Složitější tvary lze aproximovat kombinací těchto jednoduchých tvarů.
Podvodní akustické šíření závisí na mnoha faktorech. Směr šíření zvuku je určen gradienty rychlosti zvuku ve vodě. V moři jsou vertikální gradienty obecně mnohem větší než horizontální. Tyto skutečnosti v kombinaci s tendencí ke zvyšování rychlosti zvuku se zvyšující se hloubkou v důsledku zvyšujícího se tlaku v hlubokém moři obracejí gradient rychlosti zvuku v termoklíně a vytvářejí efektivní vlnovod v hloubce odpovídající minimální rychlosti zvuku. Profil rychlosti zvuku může způsobit oblasti s nízkou intenzitou zvuku nazývané „stínové zóny“ a oblasti s vysokou intenzitou nazývané „kaustika“. Ty lze nalézt pomocí metod sledování paprskem.
Alternativní definice je možná z hlediska tlaku místo intenzity, udávající , kde je RMS akustický tlak v dalekém poli projektoru, škálovaný na standardní vzdálenost 1 m, a je RMS tlak v poloze přijímače.
Šíření zvuku vodou je popsáno vlnovou rovnicí s vhodnými okrajovými podmínkami. Pro zjednodušení výpočtů šíření byla vyvinuta řada modelů. Tyto modely zahrnují teorii paprsků, řešení normálních režimů a zjednodušení parabolických rovnic vlnové rovnice. Každá sada řešení je obecně platná a výpočetně efektivní v omezeném frekvenčním a rozsahovém režimu a může zahrnovat i další limity. Teorie paprsků je vhodnější v krátkém dosahu a vysoké frekvenci, zatímco ostatní řešení fungují lépe v dlouhém dosahu a nízké frekvenci. Z měření, která jsou užitečnými aproximacemi, byly také odvozeny různé empirické a analytické vzorce.
Přechodné zvuky mají za následek rozpadající se pozadí, které může mít mnohem větší trvání než původní přechodný signál. Příčinou tohoto pozadí, známého jako dozvuk, je částečně rozptyl od hrubých hranic a částečně rozptyl od ryb a jiných biotů. Aby byl akustický signál snadno detekován, musí překročit úroveň dozvuku i úroveň hluku pozadí.
Pokud se podvodní objekt pohybuje vzhledem k podvodnímu přijímači, frekvence přijímaného zvuku je odlišná od frekvence zvuku vyzařovaného (nebo odraženého) objektem. Tato změna frekvence je známá jako Dopplerův posun. Posun lze pozorovat v aktivních sonarových systémech, zejména v těch úzkopásmových, protože frekvence vysílače je známá a lze vypočítat relativní pohyb mezi sonarem a objektem. Někdy může být známá i frekvence vyzařovaného hluku (tón), v takovém případě lze stejný výpočet provést pro pasivní sonar. U aktivních systémů je změna frekvence 0,69 Hz na uzel na kHz a poloviční u pasivních systémů, protože šíření je pouze jedním ze způsobů. Posun odpovídá zvýšení frekvence pro blížící se cíl.
Zvuk ve vodě se měří pomocí hydrofonu, což je podvodní ekvivalent mikrofonu. Hydrofon měří kolísání tlaku a ty jsou obvykle převedeny na hladinu akustického tlaku (SPL), což je logaritmické měření středního čtvercového akustického tlaku.
Měření se obvykle uvádějí v jedné ze tří forem :-
Přibližné hodnoty pro sladkou a mořskou vodu při atmosférickém tlaku jsou 1450 a 1500 m/s pro rychlost zvuku a 1000 a 1030 kg/m³ pro hustotu. Rychlost zvuku ve vodě se zvyšuje se zvyšujícím se tlakem, teplotou a slaností. On-line kalkulačky naleznete na Technických příručkách – Rychlost zvuku v mořské vodě a Technických příručkách – Rychlost zvuku v čisté vodě.
Bylo provedeno mnoho měření zvukové absorpce v jezerech a oceánu
(viz Technické příručky – Výpočet zvukové absorpce v mořské vodě pro on-line kalkulačku).
Bylo provedeno mnoho měření mořské hladiny, dna a hlasitosti dozvuku. Z toho byly někdy odvozeny empirické modely. Běžně používaný výraz pro pásmo 0,4 až 6,4 kHz je od Chapmana a Harrise. Zjistilo se, že sinusové vlnění se šíří ve frekvenci v důsledku pohybu povrchu. Pro dozvuk dna se často přibližně uplatňuje Lambertův zákon, například viz Mackenzie. Objemové dozvuky se obvykle vyskytují hlavně ve vrstvách, které mění hloubku s denní dobou, např. viz Marshall a Chapman . Podpovrch ledu může vyvolat silné dozvuky, když je hrubý, viz např. Milne .
Ztráta dna byla změřena jako funkce úhlu zrnění pro mnoho frekvencí v různých místech, například pro ty, které provedl US Marine Geophysical Survey . Ztráta závisí na rychlosti zvuku ve dně (která je ovlivněna přechody a vrstvením) a na drsnosti. Byly vytvořeny grafy pro ztrátu, kterou lze za určitých okolností očekávat.
Srovnání s hladinami zvuku šířeného vzduchem
Nejnižší slyšitelná hodnota SPL pro lidského potápěče s normálním sluchem je asi 67 dB re 1 μPa, přičemž největší citlivost se vyskytuje při frekvencích kolem 1 kHz . Delfíni a jiné ozubené velryby jsou proslulí svou akutní citlivostí sluchu, zejména ve frekvenčním rozsahu 5 až 50 kHz . Několik druhů má v tomto frekvenčním rozsahu sluchové prahy mezi 30 a 50 dB re 1 μPa. Například sluchový práh kosatky se vyskytuje při akustickém tlaku RMS 0,02 mPa (a frekvenci 15 kHz), což odpovídá SPL prahu 26 dB re 1 μPa. Pro srovnání nejcitlivější rybou je ryba voják, jejíž práh je 0,32 mPa (50 dB re 1 μPa) při 1,3 kHz, zatímco humr má sluchový práh 1,3 Pa při 70 Hz (122 dB re 1 μPa).
Vysoká hladina podmořského zvuku představuje potenciální nebezpečí pro mořské a obojživelné živočichy i pro lidské potápěče. Pokyny pro expozici lidských potápěčů a mořských savců podmořskému zvuku uvádí projekt SOLMAR podmořského výzkumného střediska NATO. U lidských potápěčů vystavených SPL nad 154 dB re 1 μPa ve frekvenčním pásmu 0,6 až 2,5 kHz jsou hlášeny změny jejich srdeční frekvence nebo frekvence dýchání. Averze potápěčů k nízkofrekvenčnímu zvuku je závislá na hladině akustického tlaku a středové frekvenci.
Vzhledem k jeho vynikajícím vlastnostem šíření se podvodní zvuk používá jako nástroj k podpoře studia mořského života, od mikroplanktonu až po plejtváka modrého. Ozvučníky se často používají k poskytování údajů o hojnosti, distribuci a chování mořského života. Ozvučníky, označované také jako hydroakustika, se také používají pro lokalizaci ryb, jejich množství, velikost a biomasu.