научная статья по теме ИНТЕРФЕРЕНЦИОННАЯ СТРУКТУРА НИЗКОЧАСТОТНЫХ РЕВЕРБЕРАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ В МЕЛКОМ МОРЕ Физика

Текст научной статьи на тему «ИНТЕРФЕРЕНЦИОННАЯ СТРУКТУРА НИЗКОЧАСТОТНЫХ РЕВЕРБЕРАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ В МЕЛКОМ МОРЕ»

АКУСТИКА ОКЕНА. ГИДРОАКУСТИКА

534.87

ИНТЕРФЕРЕНЦИОННАЯ СТРУКТУРА НИЗКОЧАСТОТНЫХ РЕВЕРБЕРАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ В МЕЛКОМ МОРЕ

© 2015 г. А. А. Луньков

Научный центр волновых исследований Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН

119991 Москва, ул. Вавилова 38

E-mail: landr2004@mail.ru Поступила в редакцию 22.12.2014 г.

С помощью численного моделирования проведен анализ интерференционной структуры рассеянного дном звукового поля, формируемого широкополосным точечным источником в мелком море в зимних и летних условиях. Рассеянные сигналы принимались с заданного направления в месте расположения излучателя и подвергались преобразованию Фурье со скользящим окном. Продемонстрирована возможность оценки интерференционного инварианта по сигналам обратного рассеяния при обработке распределений интенсивности звука в широких пределах по частоте и расстоянию до рассеивающей площадки. Предложена методика восстановления двумерного поля внутренних волн по вариациям интерференционной картины реверберационных сигналов. Проиллюстрировано влияние ветровых поверхностных волн на степень контрастности интерференционных полос.

Ключевые слова: акустика мелкого моря, реверберация, интерференционный инвариант, ветровое волнение, внутренние волны.

DOI: 10.7868/S0320791915040061

АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2015, том 61, № 5, с. 596-604

УДК

1. ВВЕДЕНИЕ

Для дальнего дистанционного зондирования мелководных акваторий, типичных для океанского шельфа, удобно использовать низкочастотные (до нескольких сотен герц) акустические волны, так как только они могут распространяться под водой на большие расстояния. Обычно для мониторинга пространственно-временной изменчивости больших акваторий требуются значительные мощности, а именно использование множества разнесенных в пространстве приемных и передающих элементов, как, например, в классических схемах томографии [1]. Результаты последних исследований в области пассивной томографии позволяют надеяться на упрощение реализации томографических схем [2], однако здесь критическим моментом является время накопления сигнала, которое может превышать характерное время устойчивости морской среды. В связи с этим разработка физических основ для более оперативного, но в то же время не сильно уступающего в информативности метода дистанционного зондирования представляется актуальной задачей. Базовой идеей метода, предлагаемого в настоящей работе, является анализ интерференционной картины сигналов обратного рассеяния (реверберации), приходящих с различных расстояний и направлений относительно точечного источника звука. Отметим, что для большинства условий, кроме случая приповерхностного звукового канала, реверберация обусловлена рассеянием звука на неровностях дна. На низких частотах (до 500 Гц) и при умеренном ветре коэффициент обратного рассея-

ния от дна, как правило, на 10—30 дБ больше, чем аналогичное значение для водной поверхности [3]. Обзор теоретических и экспериментальных исследований по оценке этого коэффициента приведен в статье [4].

Сейчас большая часть исследований в подводной акустике сосредоточена на мелководных районах [3] (шельфовые зоны, крупные озера, водохранилища и т.д.), которые играют очень важную роль в обеспечении жизнедеятельности человека. Одним из наиболее значимых гидродинамических процессов в таких акваториях в летний период, когда имеется выраженная плотностная стратификация по глубине (пикноклин), являются внутренние волны. Они играют ключевую роль в перемешивании водных слоев, переносе биомассы и сточных вод, влияя таким образом на климат и экологическую обстановку прибрежных зон, и их мониторинг — это, несомненно, важная задача. В дополнение к традиционным точечным измерениям параметров внутренних волн с использованием цепочек термисторов, дистанционные акустические методы, в том числе основанные на регистрации сигналов обратного рассеяния, могут помочь в определении усредненных пространственных характеристик внутренних волн на больших расстояниях.

Известны работы [5, 6], в которых в натурном эксперименте в глубоком океане демонстрируются возможности применения сигналов обратного рассеяния от донного рельефа и морской фауны для визуализации миграций огромных косяков рыб на расстояниях в несколько десятков кило-

метров от системы излучатель—приемник. В статье [7] подобные сигналы используются для дистанционной оценки неровностей дна в прибрежной зоне на площади до 104 км2.

В указанных выше трудах авторы при анализе ре-верберационных сигналов ограничиваются рассмотрением их средней интенсивности [5—7], однако в последнее время все большее внимание уделяется когерентным свойствам таких сигналов [8—12]. Как было показано в работах [11, 12], в распределении интенсивности донной реверберации при изображении на плоскости "время прихода—частота" проявляется интерференционная картина звукового поля, аналогичная той, которая имеет место для интенсивности прямого сигнала в координатах "расстояние— частота" и которая может быть описана с помощью интерференционного инварианта, введенного С.Д. Чупровым [13]. Вместе с тем, наличие гидродинамических неоднородностей приводит к вариации со временем интерференционной структуры звукового поля, а именно к ее смещениям по частоте [14], что в свою очередь может быть использовано для мониторинга этих неоднородностей.

В общем случае вариации интерференционной картины рассеянного поля будут зависеть от направления, с которого принимается сигнал. Возможность селектирования реверберационных сигналов, приходящих с различных направлений, за счет формирования диаграммы направленности в горизонтальной плоскости была продемонстрирована в натурном эксперименте [7, 11]. Однако использование линейной скалярной приемной антенны приводило

1

к неопределенности "правый—левый борт" . Выходом из сложившейся ситуации могло бы служить применение векторно-скалярных антенн [15], регистрирующих помимо акустического давления две горизонтальные компоненты колебательной скорости. В этом случае зеркальный лепесток в диаграмме направленности оказался бы в значительной степени подавленным. Отметим, что строгое математическое описание алгоритма выделения приходящих с различных направлений реверберационных сигналов при помощи векторно-скалярных антенн выходит за рамки настоящей статьи, и автор ограничивается рассмотрением только полей звукового давления.

При выборе длины приемной антенны необходимо учитывать поперечный радиус когерентности звукового поля. Как было показано в экспериментальных работах В. Кери [16] и Дж. Линча [17], в мелком море этот радиус в среднем равен 30 к (к — длина звуковой волны) и слабо зависит от расстояния до источника.

Целью настоящей работы является изучение с помощью численных экспериментов особенностей формируемой вдоль заданного направления интерференционной картины рассеянного дном звуково-

го поля в зимних и летних условиях при наличии гидродинамических неоднородностей, а также оценка возможности восстановления параметров внутренних волн по вариациям этой картины.

2. МОДОВОЕ ОПИСАНИЕ СИГНАЛОВ ОБРАТНОГО РАССЕЯНИЯ

В качестве акустический модели мелкого моря рассмотрим волновод постоянной глубины Н. Введем цилиндрическую систему координат (г, ф, г), начало которой находится на верхней границе волновода, а ось г направлена вертикально вниз. Скорость звука с(г, ф, г) в общем случае зависит от всех трех переменных. Источник звука расположен на оси г на глубине г и излучает сигналы в полосе частот от/1 до/2. Центр приемной горизонтальной антенны, с помощью которой осуществляется выделение приходящих с различных направлений рассеянных сигналов, находится на той же оси на глубине гг. Длина антенны выбирается равной 10 к (к — длина волны, отвечающая средней излучаемой частоте), что значительно меньше среднего поперечного радиуса когерентности звукового поля — 30 к. Угловое разрешение у такой антенны, если пользоваться оценкой для свободного пространства, равно 8ф ~ к/Ь « 6°, а приближение дальней зоны справедливо для расстояний гйг > 2Ь}\к = 200 к (для частоты 200 Гц гГаг > 1500 м). Будем также считать, что характеристики волновода в диапазоне углов 8ф слабо зависят от ф.

Не теряя общности, зафиксируем некоторое направление ф0, с которого мы выделяем ревербера-ционный сигнал, и перейдем к решению двумерной задачи в координатах (г, г), пользуясь приближением несвязных азимутов (Ы х 2Б), как это было сделано в [11]. Передаточная функция неоднородного волновода между источником звука, установленным на глубине £_,, и элементарной рассеивающей площадкой, находящейся на расстоянии г (г > к) в направлении ф0, может быть представлена в виде суммы нормальных волн (мод) [3]:

м (ш)

Z(ю, г; г,) = X Ст(ю, г; г,)у т(о>, г, Н) х

т=1

ехр

( г

> / г')с1г'

I

V о

(1)

14т(Ы, гУг'

м(ш)

1 Вообще говоря, вместо направленного приема можно использовать и направленное излучение.

( г 4

= X Ат(&, г, Н; г,)ехр / гУг' т=1 V о у

Здесь ю = 2п/ — круговая частота, и 2,т = дт + + /у т/ 2 — собственные функции (волноводные мо-

о

ды) и собственные значения (постоянные распространения) задачи Штурма—Лиувилля, М(ю) — общее число энергонесущих мод на частоте ю. Модальные коэффициенты возбуждения Ст определяются из решения системы дифференциальных уравнений (зависимость от частоты ю для краткости опущена)

^Т1 = ~ о") + 'ё vnm(r')Cn(r') x

dr 2 ^

n=1

( r \

j"(#n(r") - qm(r"))dr"

x exp

V 0

m = 1, M

с начальными условиями Ст (0) = у), vnm — коэффициенты межмодового взаимодействия.

При расчете передаточной функции волновода с поверхностными волнами разложение (1) обычно ведется по модам невозмущенного волновода, т.е.

¥т(г, г) = у°то) и £ qm(г'W = г, а коэффициенты взаимодействия имеют вид

1 д^т д^!

v nm(r ) = Z sw(r)

2^

q qn д

z=0

д z

z=0

(2)

m=1 m'=1

( r

x exp

rj"((Ю r') + im'(®, rfjdr'

V 0

9т = шссоъ^т1к(И)) — угол скольжения бриллюэновского луча, соответствующего т-й моде, к(И) = ю/ с(И) — волновое число вблизи дна.

Интегрируя выражение (2) по всем рассеивающим площадкам, находящимся на различных расстояниях г, и выполняя обратное преобразование

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»