АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2007, том 53, № 4, с. 574-579
АКУСТИКА ОКЕАНА. ГИДРОАКУСТИКА
УДК 534.23
ИЗМЕНЧИВОСТЬ ЭНЕРГИИ ДОННЫХ ОТРАЖЕНИЙ КАК ИНДИКАТОР ПЕРЕСЕЧЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОЙ ТРАССОЙ
ФРОНТАЛЬНОЙ ЗОНЫ
© 2007 г. А. В. Микрюков, О. Е. Попов
Акустический институт им. Н.Н. Андреева РАН 117036 Москва, ул. Шверника, 4
E-mail: po5791@aport.ru Поступила в редакцию 22.12.2005 г.
Выявлена значительная индивидуальная изменчивость энергии четверки сигналов двукратного отражения от дна при пересечении акустической трассой фронтальной зоны Гольфстрима. На экспериментальных кривых наблюдается локальное увеличение энергии отдельных сигналов, отраженных от дна, более чем в два раза. Как показали результаты численного моделирования, местоположение и величина наблюдаемых максимумов энергии оказываются весьма чувствительными к положению границ фронтальной зоны, ее горизонтальной и вертикальной протяженности, величине горизонтальных градиентов. Делается вывод о возможности использования наблюдаемого явления в качестве индикатора положения фронтальной зоны, а также для оценки ее параметров.
PACS: 43.30Pc
При обработке данных морских акустических экспериментов на трассах, пересекающих фронтальные зоны, весьма важно знать точное местоположение границ фронтальной зоны. Получить эту информацию во время эксперимента прямыми методами удается далеко не всегда. В первую очередь это вызвано тем, что фронтальные зоны в океане представляют собой один из ярких примеров нестабильности динамических характеристик водной среды. Их параметры - положение, ширина, углы наклонов фронтальных разделов, профили горизонтальных градиентов - могут претерпевать значительные изменения даже в относительно короткие отрезки времени [1]. Оценка границ фронтальных зон, осуществляемая с помощью спутниковых данных на основе резкого изменения поверхностной температуры, часто может и не совпадать с границей подповерхностного фронта [2]. Проводимые параллельно с акустическим экспериментом измерения с помощью буксировки на различных глубинах датчиков температуры и солености удается выполнить в нужном объеме далеко не всегда. В связи с этим важно выявить надежные признаки пересечения границы фронтальной зоны в параметрах самих акустических сигналов, которые могут проявляться в резком изменении частотно-временной и энергетической структуры сигналов. Самым сложным при поиске этих признаков является установление причины, вызвавшей изменение структуры сигналов, на фоне множества факторов влияющих на распространение звука в реаль-
ных волноводах. Решение этой задачи позволит не только уточнить модель среды при обработке данных конкретного эксперимента, но и пополнит арсенал акустических методов мониторинга океанической среды.
Попытка использования акустического метода для контроля положения фронтальной зоны была предпринята в работе [3], посвященной анализу результатов эксперимента во фронтальной зоне Гольфстрима.
Повторим описание условий проведения эксперимента. Приемное судно с одиночным гидрофоном на глубине 1200 м, лежало в дрейфе в области холодных склоновых вод, характерных для северного или левого края Гольфстрима. Излучающее судно, двигаясь со скоростью ~30 км/ч в юго-восточном направлении, производило через каждые 2.5 км подрывы зарядов весом 2.8 кг на глубине 290 м. На основе анализа поверхностной температуры предполагалось, что конечная точка трассы протяженностью 120 км будет располагаться непосредственно над областью "теплого ядра" Гольфстрима. Глубина океана незначительно менялась вдоль трассы от 4.8 км в точке приема до 5.05 км в конечной точке трассы.
В работе [3] было предложено использовать в качестве индикатора области больших горизонтальных градиентов скорости звука, характерных для фронтальной зоны, поведение временных задержек между сигналами одинаковой кратности отражения от дна. Данный метод позволил доста-
точно надежно показать, что зафиксированное в опыте положение резкого изменения поверхностной температуры на трассе существенным образом не совпадает с границей наклонного подповерхностного фронта Гольфстрима.
В ходе дальнейшей обработки экспериментальных материалов данного опыта был продолжен поиск изменений параметров сигналов, которые могли бы служить надежными индикаторами наличия больших горизонтальных градиентов скорости звука при пересечении акустической трассой фронтальной зоны. В частности, была выявлена сильная изменчивость энергии сигналов, отраженных от дна.
На рис. 1 представлены траектории лучей, соответствующие четвертке сигналов, пришедших в точку приема после двукратного отражения от дна. Заметим, что в дальнейшем при расчетах мы, используя принцип взаимности, будем предполагать, что имеем дело не с движущимся источником, а с буксируемым на глубине 290 м приемником, удаляющимся от зафиксированного на глубине 1200 м источника. Последовательность времен приходов сигналов в рассматриваемом семействе лучей с двукратным отражением от дна при такой геометрии корреспондирующих точек распределена следующим образом. Первым в точку приема приходит сигнал, вышедший из источника вниз и пришедший в точку приема снизу (сигнал 1, соответственно луч 1). Вторым будет приходить сигнал, вышедший также как и первый вниз, но пришедший в точку приема сверху (сигнал 2). Третьим и четвертым придут сигналы, вышедшие из источника вверх и испытавшие по сравнению с сигналом 1 дополнительное отражение от поверхности в окрестности источника (сигнал 3) и дополнительное отражение от поверхности, как в окрестности источника, так и приемника (сигнал 4).
На рис. 2 показаны зарегистрированные в эксперименте сигналы донного отражения второй кратности в частотном диапазоне 50-1000 Гц для глубины приема 1200 м и диапазона расстояний 73-95 км (время прихода первого сигнала принято за ноль). Сигналы пронумерованы согласно указанной выше очередности их времен прихода в точку приема. Как видим, сигналы надежно разрешаются во времени, что позволило оценить энергию каждого из них при изменении расстояния от 35 до 107 км. Обращает на себя внимание резкое уменьшение амплитуд регистрируемых сигналов на расстояниях более 89 км.
На рис. 3 представлена зависимость энергии этих сигналов от расстояния между источником и приемником звука. Помимо резкого уменьшения уровней энергии практически в десять раз начи-
Рис. 1. Траектории двукратно отразившихся от дна лучей в неоднородном волноводе. Глубина источника -1200 м, приемника - 290 м. Цифры на рисунке указывают последовательность времен прихода сигналов, распространяющихся вдоль данных траекторий, в точку приема.
ная с расстояния ~89 км, на несколько меньших расстояниях наблюдается хорошо различимое локальное увеличение энергии отдельных приходов более чем в два раза. Это увеличение энергии невозможно объяснить ни изменением рельефа, поскольку глубина по трассе менялась незначительно, ни горизонтальной неоднородностью акустических свойств дна.
С целью объяснения наблюдаемого эффекта было проведено моделирование распространения звука в волноводе с фронтальной зоной с помощью лучевой программы для двумернонеодно-родных сред. Детальной съемки гидрофизических полей во время проведения опыта не проводилось, так что подробных данных о структуре фронтальной зоны в нашем распоряжении не имелось. Основываясь на результатах работы [1] и ряда предварительных расчетов, было решено остановиться на самой простой модели среды. В начале трассы предполагалось наличие плоскослоистого участка протяженностью 46 км с профилем скорости звука склоновых вод, измеренного в начальной точке трассы. Сама фронтальная зона моделировалась как 11-ти километровая область с линейным изменением скорости звука от профиля скорости звука склоновых вод к профилю скорости звука более теплых и соленых вод, измеренного непосредственно в водах Гольфстрима. Профили скорости звука склоновых вод и вод Гольфстрима приведены на рис. 4.
На рис. 5 представлены графики зависимости факторов фокусировок лучей для донного отражения второй кратности от расстояния для плоскослоистой среды с профилем скорости звука
Расстояние, км
73.0
75.8 78.5 81.3
84.1
86.9 89.7 92.5
95.2
--------^^^г^/Ч/Ч^^^—-----
----■——
---———---Г^у^^^ --
--—----
0.5
Время, с
Рис. 2. Зарегистрированные в эксперименте для горизонта приема 1200 м сигналы донного отражения второй кратности. Диапазон частот 50-1000 Гц. За нулевой момент времени принято время прихода первого сигнала.
склоновых вод (жирная штриховая линия, соответствующая изменению фактора фокусировки для луча 1) и для выбранной модели среды с фронтальной зоной. Видим, что в случае одно-
Энергия, линейные ед 1.6
60 70 80 90 100 110
Расстояние, км
Рис. 3. Зависимость энергии сигналов донного отражения второй кратности от расстояния. Цифры на рисунке указывают ход кривых для соответствующих номеров сигналов.
родного по трассе волновода фактор фокусировки плавно уменьшается по мере роста расстояния. Во втором случае, при наличии фронтальной зоны, изменение факторов фокусировки с расстоянием приобретает гораздо более сложный характер, качественно во многом аналогичный ходу экспериментальных кривых на рис. 3.
Глубина, м 0
500 1000 1500 2000 2500
3000
1480 1490 1500 1510 1520 1530 1540
Скорость звука, м/с
Рис. 4. Профили скорости звука для склоновых вод (1) и теплых вод Гольфстрима (2).
0
Фактор фокусировки 8
100 105 110 Расстояние, км
Рис. 5. Изменение факторов фокусировки лучей, соответствующих донным отражениям второй кратности, в зависимости от расстояния для выбранной модели среды с фронтальной зоной. Жирной штриховой линией для луча 1 в плоскослоистом волноводе с профилем скорости звука для склоновых вод.
Кривые зависимости факторов фокусировки лучей от расстояния, начиная с границы фронтальной зоны (46 км) и до появления заметных максимумов перед началом спада кривых, лежит несколько выше аналогичной кривой для плоскослоистого волновода. Это объясняется тем, что для этих расстояний факторы фокусировки лучей, выходящих из источника под крутыми углами и, не касаясь фронтальной зоны, проходящих ниже ее, оказ
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.