ОКЕАНОЛОГИЯ, 2014, том 54, № 1, с. 22-37
= ФИЗИКА МОРЯ
УДК 551.463
ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ПРЕДРЕВЕРБЕРАЦИИ ПРИ ДАЛЬНЕМ РАСПРОСТРАНЕНИИ ВЗРЫВНЫХ СИГНАЛОВ
© 2014 г. Р. А. Вадов
Акустический институт им. Н.Н. Андреева, Москва е-таП: vadov@akin.ru Поступила в редакцию 24.09.2012 г.
В опытах по дальнему распространению взрывных сигналов, проводимых в различных регионах Мирового океана, исследователями неоднократно наблюдалась бистатическая поверхностная реверберация, которая не только сопровождала зондирующий (зеркально отраженный от морской поверхности) сигнал, но и предшествовала ему. Часть реверберации, предшествующая зондирующему сигналу, получила название "предреверберация". Теоретическое объяснение этому явлению в рамках идеализированной модели морской среды для условий приповерхностного звукового канала было дано в 1978 г. и только в начале 2000-х гг. была разработана методика расчета временной структуры предреверберации с учетом реальных условий распространения звука в океане. Серия расчетов, выполненных по этой методике для условий проведения двух опытов (приповерхностный звуковой канал и подводный звуковой канал при скорости звука у дна, превышающей ее значение у поверхности), привела к уточнению наших представлений о механизме формирования структуры предреверберационного сигнала. В статье, помимо краткого описания публикаций других авторов по теме, приводится описание методики расчета временной структуры предреверберационного сигнала, дается краткое описание условий проведения двух опытов, в которых наблюдалась предревер-берация, приводятся результаты анализа основных ее характеристик.
БОТ: 10.7868/80030157414010122
Бистатическая реверберация, обусловленная рассеянием звука на взволнованной поверхности океана, наблюдалась при проведении многих гидроакустических опытов. Наблюдалась она и при проведении опытов по дальнему распространению взрывных сигналов, когда расстояние между источником и приемником составляло десятки— сотни километров. Бистатическая поверхностная реверберация в этих опытах регистрировалась не только после, но и непосредственно перед приходом к приемнику зондирующего сигнала. Реверберация появлялась, плавно нарастая, перед приходом к приемнику первого сигнала четверки и исчезала, плавно спадая, после его прихода. При проведении таких опытов в отдельных случаях экспериментаторам на слух по нарастающему "гулу" удавалось предугадывать момент прихода взрывного сигнала к приемной системе. Эта часть реверберационного сигнала получила название "предреверберация". Предваряя приход к приемнику первого элементарного сигнала первой из регистрируемых на данном расстоянии от источника классической четверки сигналов, предреверберация являлась неким предвестником многолучевого взрывного сигнала.
Впервые на эту часть бистатической реверберации в конце 1960-х гг. обратил внимание Студе-ничник [8]. Считалось вполне естественным появление реверберационного сигнала вслед за пря-
мым сигналом и необычным — его появление перед приходом в точку приема основного, зеркально отраженного от поверхности прямого сигнала. На основе анализа экспериментальных данных, полученных им, констатировалось [8, 1] следующее:
— предреверберация наблюдается только в том случае, если сигнал распространяется по лучу, совершившему хотя бы один полный цикл около оси канала или отразившемуся не менее одного раза от поверхности океана (при распространении в приповерхностном канале);
— для сигнала, распространяющегося по граничному (касающемуся дна или нижней границы приповерхностного канала) лучу, предревербера-ция отсутствует;
— интенсивность предреверберации нарастает к моменту прихода основного сигнала и обычно превышает интенсивность реверберации (следующей за основным сигналом);
— относительный уровень предреверберации, а также ее длительность растут с увеличением расстояния.
В конце 1970-х гг. были произведены теоретические оценки положения предреверберацион-ного сигнала относительно сигнала, зеркально отраженного от поверхности океана, пояснявшие
механизм формирования поверхностной реверберации. Оценки проводились для идеализированного приповерхностного звукового канала (от поверхности до дна — положительный градиент скорости звука, равный гидростатическому) при расположении источника и приемника непосредственно у поверхности [1].
В рамках такой же модели идеализированного приповерхностного канала были сделаны оценки зависимости уровня предреверберации от времени [6] (закон нарастания уровня предреверберации близок к экспоненциальному), а также зависимости длительности поверхностной предревербера-ции от скорости ветра, частоты звука, расстояния от источника [5] (с увеличением этих факторов длительность предреверберации в зоне второго выхода лучей к поверхности уменьшается).
В монографии [2] кратко изложены основные результаты теоретических исследований, проведенных в рамках идеализированной модели. Помимо рассеяния звука на взволнованной поверхности к основным источникам предреверберации авторы монографии причисляют также рассеяние на неровностях дна и на неоднородностях водной толщи океана.
В работе [9] приводятся экспериментальные значения длительности предреверберации, оцененные по результатам одного из опытов, проведенных в северной части Тихого океана в условиях сформированного подводного звукового канала (при превышении скорости звука у дна над ее значением у поверхности на ~50 м/с) и ветрового волнения от 2—3 до 5—7 баллов. В этом опыте предреверберация регистрировалась при удалении от источника до 600 км. Основной вывод по материалам этой статьи — длительность предре-верберации увеличивается пропорционально расстоянию между источником и приемником.
Нами поверхностная предреверберация неоднократно наблюдалась экспериментально и регистрировалась в опытах по дальнему распространению взрывных сигналов как в условиях приповерхностного звукового канала (ППЗК), так и в условиях подводного звукового канала (ПЗК) при превышении значения скорости звука у дна над его значением у поверхности. Типичные сигналы классической четверки, зарегистрированной в одном из таких опытов на расстоянии около 100 км от источника, представлены на рис. 1. Перед ударной волной первого сигнала четверки хорошо просматривается предреверберационный сигнал, обусловленный рассеянием звука на взволнованной поверхности океана (в опыте степень ветрового волнения оценивалась в 4—6 баллов). Обратим внимание на тот факт, что предре-верберация при первом сигнале четверки не под-
1 с
Рис. 1. Временная структура взрывного сигнала (а), первой четверки сигналов (б) и первого сигнала четверки (в). Я = 102.5 км.
вержена влиянию реверберационной помехи, формируемой остальными ее сигналами, что особенно важно при экспериментальной оценке ее характеристик.
МЕТОДИКА РАСЧЕТА ВРЕМЕННОЙ СТРУКТУРЫ ПРЕДРЕВЕРБЕРАЦИИ
В начале 2000-х гг. была разработана методика расчета временной структуры предреверберации [3], обусловленной рассеянием звука на взволнованной поверхности, практически для любых реальных профилей изменения скорости звука с глубиной в условиях ППЗК, а также в условиях ПЗК при скорости звука у дна, превышающей ее значение у поверхности. Поясним суть разработанной методики на примере формирования поверхностной предреверберации, регистрируемой во второй зоне выхода лучей к приемнику.
При проведении расчетов, помимо зеркального отражения от поверхности океана, рассматриваются сигналы, рассеянные под углами, отличными от зеркального. Для формального описания угловой зависимости коэффициента рассеяния звука взволнованной поверхностью океана используется индикатриса рассеяния Бр(Д9, Дф), где Д9 — отклонение рассеянного сигнала от зеркального направления в вертикальной плоскости, Дф — отклонение рассеянного сигнала от зеркального направления в горизонтальной плоскости.
При Дф = 0° для расстояний от источника от 40 до 60 км с шагом ДЯ рассчитывается угол падения на поверхность и время распространения сигнала вдоль луча, вышедшего из источника и пришедшего к поверхности, совершив один рефракционный разворот на большой глубине. Расчет проводится дважды. Сначала источник располагается на горизонте подрыва зарядов взрывчатого вещества, затем — на глубине приемной системы. На первом этапе проводится расчет для прямого сигнала, распространяющегося от источника до касания взволнованной поверхности океана, на втором этапе — расчет для рассеянного на взволнованной поверхности сигнала, распространяющегося к приемнику (выполнение принципа взаимности сомнению не подвергается). Результаты первого и второго расчетов рассматриваются попарно для расстояний от источника, составляющих в сумме Я0 (расстояние от источника до приемника). Для каждой пары определяется суммарное время распространения (т1 + т2) и разность углов скольжения при контакте с поверхностью Д9 = (91 — 92), которая характеризует отклонение составляющей рассеянного сигнала от зеркального отражения.
Таким образом, для фиксированного расстояния Я0 и всего диапазона углов Д9 определяется время распространения соответствующей составляющей рассеянного поверхностью сигнала, а затем и время опережения прямого, зеркально отраженного от поверхности сигнала. По результатам выполненных расчетов для каждого взаимного расположения источника и приемника в пределах дистанций 80—120 км определяются также макси-
мальные значения разницы времен распространения рассеянного и прямого сигналов при различной ширине индикатрисы рассеяния в вертикальной плоскости.
Аналогичные расчеты проводятся для сигналов, отраженных не зеркально, при Дф отличных от 0° (Дф = 1°, 2°, 3о и т.д.). В этом случае при подборе пар дистанций, для которых выполнялись два промежуточных расчета, использовалось соотношение, связывающее длины двух боковых сторон треугольника (Я1 и Я2) с известным основанием (Я0) и углом при вершине (180о — Дф):
Я2 = [(Яс)2 - (Я1)28Ш2(Дф)Г - Я10С8(Дф).
В формировании предреверберационного сигнала, предшествующего сигналу, зеркально отраженному от поверхности и дважды развернувшемуся на большой глубине, участву
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.