מהירות קול, צפיפות ועכבה.
מהירות הקול formula_4 (התנועה האורכית של חזית גל הקול) ניתנת לחישוב על פי הנוסחה:
כאשר formula_6 היא תדירות הקול ו- formula_7 הוא אורך גל הקול.
מהירות זו שונה ממהירות החלקיקים formula_8 אשר מוגדרת כתנועת המולקולות בתווך הימי הנובעת ממקור קול וניתנת לחישוב על פי הנוסחה:
כאשר formula_4 היא מהירות הקול, formula_11 הוא הלחץ ו- formula_12 היא צפיפות הנוזל.
המכפלה של formula_13 ו- formula_12 מהנוסחה שלעיל ידועה כעכבה אקוסטית. ההספק האקוסטי (אנרגיה לשנייה) העובר ביחידת שטח ידוע כעוצמת הגל. עבור גל מישורי, העוצמה הממוצעת formula_15 ניתנת על ידי הנוסחה:
כאשר formula_17 הוא הלחץ האקוסטי ביחידות שורש ממוצע הריבועים.
הניגוד הגדול בין עכבת גל הקול באוויר לבין עכבת גל הקול במים (הבדל יחסי פי 3600) ובין מידת חספוס פני השטח באוויר ובמים מצביע על כך שבתדרים הקטנים מ-1kHz פני הים מתנהגים כמו מחזיר קול מושלם. מהירות הקול גבוהה פי 4.3 מהמהירות באוויר (ב-1kHz אורך גל הקול במים הוא בערך 1.5 מטר, לעומת זאת באותה התדירות אורך גל הקול באוויר הוא בערך 0.3 מטר) וההבדל היחסי בצפיפות הוא לערך פי 820.
בליעת גלי קול.
על פי משוואה (1) קיים יחס פרופורציוני הפוך בין תדר הקול לבין אורך הגל שלו (זאת בהנחה שמהירות הקול היא בדרך כלל קבועה או כמעט קבועה).
כאשר תדר הקול גבוה, אורך הגל הוא קטן ועל כן עוצמת הקול יורדת באופן מהיר עם המרחק וגל הקול נבלע במרחק קצר ממקורו.
לעומת זאת, כאשר תדר הקול נמוך, אורך הגל הוא גדול ולכן עוצמת הקול יורדת באופן איטי עם המרחק וגל הקול נבלע במרחק ארוך ממקורו.
מכאן נובע, כי בליעת גלי קול בתדר נמוך היא חלשה.
הגורם המרכזי להנחתת גלי הקול (היחלשות עוצמת הקול ובליעתו) במים מתוקים, ובתדר גבוה במי ים (מעל 100kHz) היא הצמיגות. גורם מרכזי נוסף לניחות האות בתדירויות נמוכות במי ים הוא רגיעה יונית, כאשר הדוגמאות הנפוצות הן:
גלי קול יכולים להיבלע גם על ידי הפסדים בגבולות הנוזל: קרוב לפני הים, ההפסדים יכולים להיגרם כתוצאה משכבת בועות או קרח ואילו בקרקעית הקול יכול לחדור לסחופת ולהיבלע.
פיזור והחזרת גלי קול.
אינטראקציות גבול.
גם פני הים וגם הקרקעית הם גבולות מחזירים ומפזרים.
פני הים.
שטח פני הים יכול לשמש כמחזיר מושלם עבור מטרות רבות. הבדל העכבות (בין המים לאוויר) בגבול זה הוא גדול כל כך שרק מעט אנרגיה יכולה לעבור אותו. גלי לחץ אקוסטיים מוחזרים מפני הים בפאזה הפוכה הנקראת לעיתים כ-"שינוי של פאי" או כ-"היפוך של 180 מעלות" ומיוצגת מתמטית ברכיב החזרה של מינוס 1.
בתדר גבוה (מעל 1kHz) או כאשר הים סוער, חלק מגל הקול מתפזר ונלקח בחשבון מתמטית על ידי רכיב החזרה שגודלו בערך מוחלט קטן מ-1. בדרך כלל רכיב ההחזרה ניתן על ידי הביטוי: formula_18, כאשר "h" הוא גובה גלי הים ביחידות שורש ממוצע הריבועים. גורם סיבוכיות נוסף הוא הרוח היוצרת בועות או מביאה דגים קרוב לפני הים. הבועות יכולות להיגרם גם כתוצאה מענן המיתמר ועולה כלפי מעלה הבולע חלק מהקול ומפזר אותו בחזרה.
קרקעית הים.
חוסר ההתאמה בין העכבות האקוסטיות של המים ושל הקרקעית הוא בדרך כלל קטן יותר מאשר זה הקיים בפני הים ועל כן הוא יותר מורכב. הפיזור וההחזרה תלויים בסוגי החומרים מהם עשויה הקרקעית ובעומק השכבות. תאוריות שונות פותחו על מנת לחזות את התפשטות גלי הקול בקרקעית.
התפשטות גלי קול.
התפשטות גלי הקול תלויה בהרבה גורמים. כיוון ההתפשטות מוגדר על ידי גרדיאנט מהירות הקול במים. הקול נע יותר לאט במים מתוקים מאשר במי ים. המהירות מוגדרת על ידי מודול הנפח של המים וצפיפות החומר. מודול הנפח מושפע מהטמפרטורה, ממסיסות המים (בדרך כלל מליחות) ומהלחץ (העומק). לעומת זאת השינוי בצפיפות החומר הוא קטן מאוד. מהירות הקול במים ניתנת לחישוב על פי הנוסחה הבאה:
כאשר c היא מהירות הקול במים ביחידות של מטר לשנייה, T היא הטמפרטורה במעלות צלזיוס, S היא המליחות (ריכוז מלח)|מליחות ביחידות של פרומיל ו-z הוא העומק (הלחץ) ביחידות של מטר.
מבנה התווך הימי.
הים מחולק ל-3 שכבות עומק:
שכבת הערבוב.
השכבה העליונה שבה מתערבבים המים שבפני השטח עם המים שבעומק הקרוב אליהם ונוצר מצב של שיווי משקל תרמי כך שהטמפרטורה קבועה בשכבה זו ומשתנה לפי עונות השנה (בין 13 מעלות צלזיוס בחורף עד 25 מעלות צלזיוס בקיץ בים התיכון). גודל שכבה זו משתנה בין קיץ לחורף (בים התיכון הוא נע בין 40 מ' בקיץ עד 180 מ' בחורף). מכיוון שבשכבה זו הטמפרטורה קבועה והעומק גדל – גרדיאנט מהירות הקול הוא חיובי.
שכבת התרמוקלינה.
השכבה האמצעית בין שכבת הערבוב לשכבת העומק. עקב הפרשי הטמפרטורות בין השכבות, גרדיאנט הטמפרטורה בשכבה זו בדרך כלל שלילי אך משתנה בין קיץ לחורף כאשר בחורף הגרדיאנט מגיע למצב קבוע. מכיוון שבשכבה זו הטמפרטורה קטנה והעומק גדל – גרדיאנט מהירות הקול הוא שלילי.
שכבת העומק.
השכבה התחתונה שבה הטמפרטורה קבועה לאורך כל השנה (13 מעלות צלזיוס בים התיכון). מכיוון שבשכבה זו הטמפרטורה קבועה והעומק גדל – גרדיאנט מהירות הקול הוא חיובי.
בדרך כלל המליחות קבועה לאורך אזורים שלמים ולכן formula_20.
לעומת זאת שינוי הטמפרטורה (formula_21) בשכבת התרמוקלינה גורם לשינוי במהירות הקול של formula_22(מטר לשנייה), ואילו השינוי בעומק (formula_23) גורם לשינוי במהירות הקול של formula_24 (מטר לשנייה).
מכיוון שהמהירות אינה קבועה, עבור כל נקודה במרחב הימי נוצרת החזרת ושבירת גל קול על ידי מעבר ממהירות נמוכה לגבוהה וההפך (תלוי בגרדיאנט מהירות הקול) לפי חוק סנל.
צורות התפשטות של גלי קול.
ישנן 4 צורות של התפשטות והובלה של גלי קול במים למרחקים עצומים דרך מוליך גלים טבעי:
מובל שטח.
עקב קיומו של גרדיאנט מהירות קול חיובי בשכבת הערבוב (שכבת השטח), קרן היוצאת ממקור קול (המוצב בשכבה זו) בזווית כלפי מטה, תישבר ותתעקם כלפי מעלה, עד הגעתה לנקודה מסוימת בשכבה המשמשת כמחזיר מושלם עקב שיקולי אנרגיה. כאשר הקרן חוזרת מאחר שהיא באה ממהירות גבוהה לנמוכה, היא שוב תישבר ותתעקם כלפי מעלה, עד הגעתה לפני הים המשמשים גם הם כמחזיר מושלם וכל התהליך מתחיל מחדש. בסופו של דבר, נוצר גל סינוסואידלי הנע בין פני הים לגבול השכבה. בקרן היוצאת בזווית כלפי מעלה מתרחש תהליך זהה אך הפוך.
הסיבה לקיומו של התהליך המתואר לעיל היא חוק סנל הנקרא גם "חוק הקרניים העצלות". לפי חוק זה, גל הקול כביכול "מעדיף" לנוע במהירות נמוכה מאשר במהירות גבוהה ולכן הקרן נשברת בזווית כלפי המהירות הנמוכה.
העובדה שרוב הקרניים היוצאות ממקור הקול נלכדות בשכבת הערבוב בתהליך שתואר לעיל יוצרת את מובל השטח, דהיינו מוליך גלים טבעי בשכבת השטח.
גודל המובל משתנה גדל בין הקיץ לחורף ולכן עיקר השימוש בו הוא בחורף.
מיעוט הקרניים היוצאות ממקור הקול אינן נלכדות במובל השטח והן משמשות ליצירת צורה נוספת של התפשטות גלי הקול - אזורי התכנסות ואזורי צל.
תעלת קול עמוקה.
בנקודה המפרידה בין שכבת התרמוקלינה לבין שכבת העומק ערך מהירות הקול מגיע למינימום. מאחר שגם מעל וגם מתחת לנקודה זו ישנו מעבר גלי קול ממהירות גבוהה לנמוכה מתרחש התהליך המתואר במובל שטח. לכן, נוצר בנקודה זו מובל עומק הנקרא גם תעלת קול עמוקה (ראו גם מוביל גלים).
מאחר שנקודה זו נמצאת בעומק רב, קשה למקם בה מקור קול עמיד.
למרות זאת, נעשה בה שימוש בחילוץ טייס מהתרסקות מטוס צבאי: הטייס משליך מכיסא המפלט מטען נפץ המחובר למד עומק ומתוכנת להתפוצץ בנקודה זו. קול הפיצוץ נשמע למרחק של עשרות קילומטרים וכך ניתן לגלות את מיקום הטייס.
אזורי התכנסות ואזורי צל.
מצב זה נוצר כאשר קרן היוצאת ממקור קול המוצב בשכבת הערבוב בזווית כלפי מטה לא נלכדת בשכבה זו וממשיכה לתוך שכבת התרמוקלינה.
עקב קיומו של גרדיאנט מהירות קול חיובי בשכבת הערבוב (שכבת השטח), הקרן בשלב הראשון תישבר ותתעקם כלפי מעלה.
בשלב השני עקב קיומו של גרדיאנט מהירות קול שלילי בשכבת התרמוקלינה הקרן שבירה|תישבר ותתעקם כלפי מטה.
בשלב השלישי כתוצאה מגרדיאנט מהירות הקול החיובי בשכבת העומק, הקרן שוב שבירה|תישבר ותתעקם כלפי מעלה עד הגעתה לנקודה מסוימת בשכבת העומק בה המשמשת כמחזיר מושלם עקב שיקולי אנרגיה.
כאשר הקרן חוזרת היא תתעקם שוב בהתאם למסלול שאותו עברה קודם עד הגעתה לפני הים המשמשים גם הם כמחזיר מושלם וכל התהליך מתחיל מחדש. בסופו של דבר, נוצר גל סינוסואידלי הנע בין פני הים לנקודה מסוימת בשכבת העומק.
הצטברות קרניים היוצאות בזוויות קרובות יוצרות 2 סוגים של אזורים:
בקיץ כאשר מובל השטח קטן או לא קיים, הדרך האלטרנטיבית להתפשטות גלי הקול היא דרך אזורי ההתכנסות.
בים התיכון בפני הים, נקודות ההתכנסות מצויות במרחק של כ-34 קילו יארד אחת מהשנייה.
דילוגי קרקעית.
כאשר עומק הנקודה האמורה לשמש כמחזיר מושלם עקב שיקולי אנרגיה בצורת התפשטות של אזורי התכנסות ואזורי צל נמצא מתחת לקרקעית, קרן הקול מוחזרת מהקרקעית ועוברת את המסלול המתואר לעיל עד לפני הים וחזרה. בדומה לאמור לעיל, נוצר גל סינוסואידלי אלא שהפעם הוא נע בין פני הים לבין הקרקעית ומושפע מהרכב הקרקעית, האם היא עשויה מחומרים מחזירים או לא.
הצטברות קרניים היוצאות בזוויות קרובות מטה או למעלה ומגיעות לקרקעית יוצרת צורת הולכת גל טבעית נוספת הנקראת דילוגי קרקעית – עקב הדילוג בין פני הים לבין הקרקעית.
מטבע הדברים התופעה נפוצה יותר במים רדודים מאשר במים עמוקים.
להלן דוגמה סכמטית להתפשטות גל קול בצורות שונות:
מידת לחץ הקול.