Подводная акустика рассматривает распространение звуковых волн в водной среде, что имеет важнейшее значение для исследований океана, гидролокации, связи под водой и мониторинга состояния окружающей среды. Вода по своим акустическим свойствам существенно отличается от воздуха: скорость звука в воде выше, затухание ниже, а дальность распространения колебаний может достигать сотен и тысяч километров.
Скорость звука в воде определяется следующими факторами:
Для морской воды скорость звука в среднем составляет около 1500 м/с, тогда как в воздухе — всего ~340 м/с. В результате звуковые волны в воде распространяются быстрее и могут переносить информацию на большие расстояния.
При переходе звуковой волны из одного слоя воды в другой, отличающихся плотностью и скоростью звука, происходит частичное отражение и преломление. Это свойство используется в гидролокации и сейсмоакустике для определения структуры морского дна и подводных объектов.
Акустический импеданс среды определяется произведением плотности воды на скорость звука. Различие импедансов на границе раздела сред приводит к отражению и рассеянию волн. Например:
Затухание звуковых волн в океане обусловлено комплексом физических процессов:
Поглощение сильно зависит от частоты. Для низкочастотных волн (десятки герц) потери минимальны, что позволяет использовать их для дальних гидроакустических наблюдений. Высокочастотные волны (десятки килогерц) быстро затухают, но дают высокое пространственное разрешение при эхолокации.
Важнейшее явление подводной акустики связано с существованием природного звукового канала (SOFAR-канала). На определённых глубинах в океане температура и давление создают минимум скорости звука, где волны многократно преломляются и остаются «пойманными» в канале.
Океаническая акустическая среда характеризуется высоким уровнем фонового шума. Основные его источники:
Спектр подводного шума крайне разнообразен: низкие частоты (<100 Гц) связаны с судоходством и сейсмикой, средние (100 Гц – 10 кГц) — с природными процессами, высокие (>10 кГц) — преимущественно биологического происхождения.
Физические основы подводной акустики легли в основу множества практических методов:
Гидролокация (сонар) — активный метод, основанный на излучении акустического сигнала и приёме эхо. Используется для:
Пассивная акустика — регистрация фоновых звуков без излучения сигналов. Позволяет обнаруживать суда по шуму двигателей, следить за миграцией морских животных, исследовать акустический климат океана.
Акустическая томография океана — метод изучения структуры водной толщи по скорости распространения звука. С помощью сетей гидрофонов можно восстановить распределение температуры и солёности в больших масштабах.
Шумовое загрязнение океанов становится значимым фактором воздействия на экосистемы. Морские млекопитающие, такие как киты и дельфины, зависят от звуковой коммуникации, а повышение антропогенного шума может приводить к дезориентации и изменению миграционных маршрутов.
Современная экология океана учитывает акустические факторы наряду с химическими и биологическими. Создаются международные программы мониторинга подводного шума, а также методы снижения акустического воздействия судоходства и промышленности.
Современные направления подводной акустики связаны с развитием:
Таким образом, подводная акустика является не только фундаментальной областью физики, но и ключевым инструментом в решении экологических, инженерных и оборонных задач.