АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2007, том 53, № 3, с. 400-409
УДК 534.87
ДАЛЬНЯЯ РЕВЕРБЕРАЦИЯ В СЛУЧАЙНО-НЕОДНОРОДНОМ МЕЛКОМ МОРЕ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ СФОКУСИРОВАННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
© 2007 г. С. А. Пересёлков, В. Г. Петников*
Воронежский государственный университет 394006 Воронеж, Университетская пл. 1 E-mail: pereselkov@yandex.ru *Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН 119991 Москва, ул. Вавилова 38 E-mail: petniko@kapella.gpi.ru Поступила в редакцию 06.09.06 г.
В рамках численного эксперимента исследованы особенности донной низкочастотной реверберации в случайно-неоднородном мелком море при использовании вертикальных излучающих антенн, фокусирующих акустическое поле на различных расстояниях от морского дна. Предполагалось, что основным источником флуктуаций скорости звука в среде являются фоновые внутренние волны. Для фокусировки поля использовалось обращение волнового фронта акустических волн от пробного источника, помещенного в точку фокусировки. Показано, что уровень реверберации во многом определяется присутствием внутренних волн и может изменяться на 5-20 дБ при удалении точки фокусировки от морского дна на расстояние H/2, где H - глубина волновода.
PACS: 43.30.Vh, 43.30.Gv, 43.30.Hw
ВВЕДЕНИЕ
Говоря о будущем акустики океана, как одном из разделов современной физики, академик Л.М. Бреховских еще в 1987 г. [1] отметил следующие возможные направления ее развития:
• изучение особенностей распространения акустических волн в океане на все более низких частотах до десятков герц;
• исследование проблем распространения звука на мелководном морском шельфе;
• разработка различных методов решения обратной задачи по акустическому мониторингу (акустической томографии) морской среды.
Последующие годы полностью подтвердили справедливость научного предвидения Л.М. Бреховских. Одной из актуальных проблем стали исследования низкочастотной донной реверберации на морском шельфе применительно к задачам крупномасштабного акустического мониторинга. Этой проблеме посвящена и настоящая статья.
Для управления реверберацией в работе [2] предложено использовать сфокусированное излучение, т.е. локализовать звуковое поле на различных расстояниях от морского дна и таким образом влиять на интенсивность обратного рассеяния звука. (Фокусировка производится с помощью верти-
кальной линейной антенны, перегораживающей большую часть акустического волновода.) В частности, в этой работе продемонстрировано, что за счет фокусировки в центр волновода удается уменьшить уровень рассеянных сигналов на 5 дБ при расстояниях до рассеивающей площадки морского дна (или, что то же самое, до точки фокусировки) 4.7 км. Частота звука составляла 3.5 кГц. Однако возможности управления реверберацией существенным образом зависят от параметров акустического волновода, частоты и расстояния до рассеивающей площадки. В первую очередь такая зависимость связана с затуханием звука, изменяющим количество энергонесущих волноводных мод, а следовательно, и качество фокусировки.
Под параметрами волновода здесь понимается и пространственное распределение поля скорости звука в морской воде, которое в силу присутствия фоновых внутренних волн (ВВ) носит случайный характер и меняется с течением времени. Последнее обстоятельство особым образом влияет на возможность управления донной реверберацией по следующим причинам:
Во-первых, при исследовании реверберации с помощью совмещенных линейных излучающих и приемных антенн рассеянный звуковой сигнал приходит с разных направлений. В присутствии случайного поля ВВ мгновенные характеристики
волновода вдоль этих направлении различаются между собоИ даже в случае, если мы имеем дело с изотропным полем ВВ. С другоИ стороны, если для фокусировки звука мы используем обращение во времени сигнала от пробного точечного источника [3], то фокусировка осуществляется лишь только вдоль одного из этих направлении. Это кардинальным образом изменяет ситуацию по отношению к регулярному волноводу без случайных неоднородностеИ, характеристики которого, по нашему предположению, не зависят от направления в горизонтальной плоскости и, следовательно, фокусировка имеет место для всех направлении.
Во-вторых, на практике распределение звукового поля1 по апертуре вертикальной антенны, необходимое для его фокусировки на разноИ глубине, может определяться в один момент времени, а эксперименты, связанные с реверберацией, могут осуществляться в другоИ момент. При этом разница во времени может достигать нескольких часов, в течение которых параметры фокусировки из-за наличия ВВ ухудшаются.
Заметим здесь также, что интенсивность фоновых ВВ на морском шельфе существенным образом зависит как от раИона исследованиИ, так и от времени года.
В данноИ работе в рамках численного эксперимента рассмотрена дальняя (10-30 км) низкочастотная (230 Гц) донная реверберация при использовании сфокусированного излучения. Расчеты выполнены для мелководноИ акватории, харак-терноИ для Атлантического шельфа США в летнее время, когда фоновые ВВ выражены особенно ярко. Получены оценки уменьшения уровня реверберации при перемещении точки фокусировки от морского дна к середине волновода.
ОСНОВНЫЕ СООТНОШЕНИЯ
Для моделирования донноИ реверберации использовалось модовое описание звукового поля [4, 5]. Фокусировка осуществлялась за счет обращения волнового фронта звуковоИ волны от пробного источника, помещенного в точку пред-полагаемоИ фокусировки [3].
Рассматривался волновод постоянноИ глубины Н. Начало отсчета цилиндрическоИ системы координат находилось на верхнеИ поверхности волновода. Горизонтальная ось - г, угол - ф, вертикальная ось - г (направлена вниз). Элементы линеИноИ приемоизлучающеИ антенны имели ко-
ординаты (0, гу),у = 1, ..., J. Приемоизлучающая антенна излучала импульсныИ сигнал длительности т и была настроена на фокусировку в точку (г0, ф0, г0). В предположении узкополосного сигнала, все параметры падающего и рассеянного по-леИ рассматривались только для одноИ централь-ноИ частоты /0.
Комплексная амплитуда акустического поля антенны в момент времени Т в произвольноИ точке волновода с координатами (г, ф, Н) имеет вид:
м (г)
р(г, ф, г, Т) = У Ст(г,ф, Т)-ргтехр(iqmг) =
4Чтг
т
м
(1)
= У Рт (г, ф, г Т),
где ут(г) и = qm + г'ут/2 - собственная функция и постоянная распространения т-И моды; - число энергонесущих мод, Ст - коэффициент, определяемый решением системы уравнениИ на дистанции от антенны г' = 0 до рассеивающеИ площадки дна г' = г [6]:
*Ст(г', ф, Т) = 1тС ( . ф Т) + ----7Ст(г,ф, Т) +
м
(2)
+ i У^„т(г\ ф, Т)Сп(г\ ф, Т)ехр(i(qn - qm)г')
с коэффициентами взаимодеИствия мод \пт и начальными условиями:
Ст = ехр (Ы4)х
J
х УЛрС^* (0, фо, г у, Т )у т (г у),
(3)
у = 1
^(0, ф0, г, Т) - принимаемое в точке (0, гу) поле пробного точечного источника единичноИ мощности, расположенного в точке фокусировки (г0, г0, ф0) (знак "*" означает комплексное сопряжение):
w (0, фо, г,, Т) = = УС (0, фо, Т )^)г)ехр (Ы/4) ехр (iqmГо); (4)
т = 1
1т' 0
Коэффициенты Ст также определяются решением системы (2), но на дистанции от г' = г до г' = 0, в момент времени Тис другими начальными условиями:
1 Здесь и далее под термином звуковое поле имеется в виду его комплексная амплитуда.
Ст = л/р0С0 ехр (Ы/4)Ут (г0),
(5)
т
п = 1
V = [= 1(0, г,)|2 ] 1 - коэффициент, определяемый из условия: Ж0 = у. = 1 Ж у, Ж0 и Ж, = 1Жо|^(0,
гу)|2 - мощность всей антенны и ее элемента номера у соответственно; Pj, р0 и с, с0 - плотность и скорость звука на глубинах zj и г0; М - число мод.
В соответствии с (1) звуковое поле, падающее на рассеивающую площадку морского дна с координатами (г, ф, Н) равнор(г, ф, Н, Т) = ^Мрт (г, ф, Н, Т).
Коэффициенты взаимодействия мод рассчитывались с помощью следующего соотношения:
Vпт(Г, Ф, Т) =
(k2/2 vqnqm)|Ц(r\ z, Ф, T)y„(z(z)dz
(6)
лось, что коэффициент обратного рассеяния mb подчиняется закону Ламберта mb = g2 sin 0'n sin 0sc, где 0'n и 0sc - угол скольжения падающей и рассеянной звуковой волны соответственно, g - параметр, характеризующий отражающие свойства рассеивающей поверхности. 5) Величина T характеризует временную зависимость параметров звукового канала, слабо меняющихся за время распространения звука до рассеивающей площадки дна и обратно до антенны.
Комплексную амплитуду реверберационного сигнала psc(T, zj), принимаемого со всех направлений на элементе приемоизлучающей антенны (0, zj) в момент времени T, удобно представить как функцию расстояния r до озвученной площадки. При выдвинутых выше предположениях, имеем [4, 5]:
где 1 (г', г, ф, Т) - случайные возмущения показателя преломления п (г', ф, г, Т) водной среды ~ 2 ~ 2 ~
(п (г', ф, г, Т) = п0 (г) + 1 (г', ф, г, Т). В случае, когда
случайные возмущения связаны с ВВ, значения | определяются величиной вертикальных смещений жидкости £(г', ф, г, Т). |1 = -2QN2(z)Z(г', ф, г, Т), где Q = 2.4 с2/м, Ы(г) - частота плавучести. Методика моделирования случайных колебаний жидкости в поле ВВ £(г', ф, г, Т) при известном спектре этих колебаний изложена в работе [7].
Реверберация рассчитывалась при следующих условиях: 1) Межмодовая дисперсия не учитывалась, групповые и фазовые скорости всех мод предполагались равными одной величине с. (Следует отметить, что в мелком море на дистанции в несколько десятков километров межмодовая дисперсия обычно хорошо заметна. Однако она может быть компенсирована на некотором интервале дистанций вблизи точки фокусировки при соответствующей обработке как излучаемого, так и принимаемого реверберационного сигнала. Для этой цели необходимо применять не обращение волнового фронта волны, а близкую к ней операцию обращения сигнала во времени [8, 9].) 2) Длительность излучаемого сигнала т мала, и поперечный размер озвученной площадки ёг = ст/2 много меньше периода интерференционных биений падающего поля. 3) Вся озвученная площадка, имеющая форму кольца с радиусом г и толщиной ёг, разбивалась на элементарные площадки (сектора кругового кольца с угловым размером Дф, в пределах которого падающее на площадку звуковое поле считалось постоянным). Направление на элементарную рассеива
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.