АКУСТИКА ОКЕАНА. ГИДРОАКУСТИКА
УДК 534.86:534.322.3:534.83:534.23
ОСОБЕННОСТИ ПОВЕДЕНИЯ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ ВЕРТИКАЛЬНО РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ПРИЕМНЫХ СИСТЕМ ПРИ НАЛИЧИИ ПОДВОДНЫХ ТЕЧЕНИЙ
© 2014 г. |В. А. Гордиенко*, В. Н. Некрасов**, Н. В. Краснописцев**
*Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Физический факультет, 119991 Москва, Ленинские горы E-mail: vgord@list.ru **ФГУП ВНИИ Физико-технических и радиотехнических измерений, 141570 Московская область, Солнечногорский район, п/о Менделеево E-mail: lab21@vniiftri.ru Поступила в редакцию 04.04.2013 г.
Рассматриваются особенности поведения протяженных вертикально распределенных приемных систем (ВРПС) применительно к использованию для целей низкочастотной томографии океана, которые в наиболее распространенном варианте исполнения представляют собой конструкции, состоящие из кабель-троса длиной до нескольких сотен метров с размещенными на нем приемными модулями, буя и якоря, обеспечивающих заданное пространственное положение системы. Обсуждаются результаты экспериментов с использованием ВРПС длиной 32 и 128 м в акватории Белого моря. Воздействие подводных течений на такую ВРПС приводит к временной изменчивости пространственного ее положения относительно вертикали, проходящей через якорную систему. Кроме того, возникают вибрации на элементах системы, особенно на кабель-тросе, передающиеся на гидрофоны и приводящие к образованию псевдозвукового сигнала, который при определенных условиях может значительно превышать уровень фонового шума акватории. Данные факты существенно снижают эффективность применения ВРПС и ограничивают частотный диапазон измерений снизу. Анализ экспериментальных данных, полученных с помощью приемных систем этого типа в различных местах Мирового океана на разных глубинах и при различной гидрологической обстановке, обнаруживает некоторое сходство в характере псевдозвукового сигнала, регистрируемого ВРПС. Сходство результатов разных экспериментов говорит о существовании общего механизма образования вибраций и наведения псевдозвука. Определение такого механизма может указать путь к устранению этих нежелательных явлений и расширению частотного диапазона ВРПС в инфразву-ковую область.
Ключевые слова: томография океана, акустические антенны, вертикально распределенные приемные системы, протяженные гидроакустические приемные системы, гидроакустика, векторно-фазо-вые методы, комбинированный приемный модуль, векторный приемник, вибрационные помехи, гидродинамический шум, псевдозвук обтекания.
Б01: 10.7868/80320791914020075
1. ВВЕДЕНИЕ
Акустическая томография океана в настоящее время рассматривается как основной метод получения информации о структуре, временной и пространственной изменчивости больших (порядка сотен и тысяч километров) акваторий мирового океана, а сама проблема мониторинга больших регионов мирового океана является по-прежнему крайне актуальной. Один из ее аспектов — низкочастотная томография океана. Как известно, в воде только низкочастотные сигналы в состоянии распространяться без существенного затухания на большие расстояния. Поэтому для решения обратных задач томографии приходится использовать достаточно протяженные антенные
решетки. Но в этом случае возникают проблемы, связанные с наличием течений и других природных явлений в толще океана, включая их пространственную неустойчивость во времени.
В данной работе описываются результаты экспериментов с вертикально распределенными приемными системами (ВРПС) длиной 32 и 128 м. Эксперимент проводился в Кандалакшском заливе Белого моря, отличающегося наличием достаточно изменчивых течений. Глубина в точке постановки составляла 260 м. Длительность записи, как правило, определялась промежутком времени, в течение которого приливные течения изменялись от максимальных до минимальных значений скорости.
Рис. 1. Схема постоянных поверхностных течений (слева): цифры — средние скорости течения, уз. [1], и линии постоянной глубины (справа).
м. Канин Нос
Архангельск
2. ОСОБЕННОСТИ ГИДРОЛОГИИ БЕЛОГО МОРЯ
Гидрологический режим Белого моря определяется его географическим положением, ветрами, характером водообмена с Баренцевым морем, сильными приливными течениями, речным стоком и изрезанностью береговой линии [1]. Географическое положение моря обусловливает низкую температуру воды, которая почти половину года в поверхностном слое бывает ниже нуля. Устойчивые ветры от N и НЕ летом и от 8 и SW зимой оказывают значительное влияние на течения и волнение. Колебания уровня Белого моря связаны, в основном, с приливными и сгонно-нагонными явлениями, речным стоком и другими, менее важными факторами. В Кандалакшском заливе, где проводились эксперименты, обсуждаемые в данной работе, средняя величина прилива возрастает от 1.5 м у входа в залив до 2.5 м в его вершине. Время падения уровня на 1.5—2.2 ч больше времени его роста. Сгоны и нагоны воды, вызываемые ветром, наиболее выражены в вершинах суживающихся заливов, зависят от направления, скорости, силы и продолжительности действия ветра и составляют 0.5—0.9 м при средней продолжительности около 80 ч.
Глубинные профили и схема постоянных поверхностных течений представлены на рис. 1. Кандалакшский залив (Кандалакшская губа) — самый глубоководный район Белого моря. Вблизи одной из впадин глубиной до 330 м и были установлены на глубине 260 м антенны. Скорость постоянных течений в Кандалакшском заливе невелика и колеблется в среднем от 0.2 до 0.6 узла.
Приливные течения почти такие же слабые — в среднем, около 0.3 узла.
3. МЕТОДИКА И ОБОРУДОВАНИЕ
Используемые нами ВРПС были изготовлены в наиболее распространенном для таких целей варианте исполнения и конструктивно представляли собой кабель-трос диаметром 17 мм, на котором с установленным шагом расположены посадочные места под первичные преобразователи. Гидрофон (или акселерометр) размещался в посадочных местах, расположенных перпендикулярно оси кабель-троса. Верхним концом антенна крепилась к бую, на нижнем устанавливался автономный размыкатель, к которому на стальной проволоке длиной 80 м был привязан груз. Для эксперимента использовались две антенны длиной 32 и 128 м.
В неэквидистантную антенну длиной 32 м устанавливались гидрофоны и однокомпонент-ные акселерометры так, что расстояние между акселерометром и ближайшим гидрофоном составляло 2 м (рис. 2а). Вертикальное положение системы обеспечивалось буем с положительной плавучестью (в снаряженном виде) около 60 кг. Буй представлял собой титановую сферу диаметром 95 см, внутри которой размещались регистрирующая аппаратура, аккумуляторные батареи и вспомогательное оборудование. На крышке сферы была установлена еще одна пара гидрофон-акселерометр для сравнения с находящимися в антенне. Для защищенности от псевдозвуковой помехи гидрофонов при различных вариан-
тах их установки были смоделированы также следующие варианты закрепления на носителе (рис. 2а): жесткое закрепление гидрофона на корпусе станции внизу в обтекателе из редкой ткани, натянутой на проволочный каркас (3), на штанге длиной около 1.5 м (4), на поплавке (5), имеющем положительную плавучесть около 1 кг и соединенном с корпусом станции кабелем длиной 7 м.
Антенна длиной 128 м конструктивно ничем не отличалась от антенны длиной 32 м, кроме количества приемных элементов, длины и шага между элементами (рис. 2б). Гидрофон 1 размещался на глубине 84 м, далее с шагом 16 м шли гидрофоны 2-8, так что последний, восьмой, находился на глубине 196 м.
Для усиления сигналов гидрофонов и акселерометров использовались многоканальные усилители с амплитудно-частотными характеристиками, обеспечивающими регистрацию сигнала в диапазоне частот 1—2500 Гц с большим динамическим диапазоном. Усиленные сигналы записывались цифровой многоканальной системой сбора и регистрации данных (МСС) и параллельно на магнитный регистратор. Длина непрерывной записи составляла 30 мин, после чего следовал перерыв в 20—25 мин и запись возобновлялась. Для хранения измерительной информации использовался жесткий магнитный диск емкостью 2 Гб. Запись аналогового сигнала на магнитный регистратор велась непрерывно. Для последующего анализа полученные данные были отфильтрованы цифровым способом и прореживались до частоты дискретизации 25 Гц с использованием алгоритмов, описанных в [2, 3]. Во время эксперимента на море стоял штиль.
Одновременно с измерениями уровней шума производилась регистрация вектора скорости течений при помощи векторно-интегрирующих измерителей течений "Поток-2М" разработки ОКБ океанологической техники РАН. Измерители работали как в составе инженерно-технологического стенда, выполненного на базе автономной донной станции, так и непосредственно с борта обеспечивающего судна в режиме зондирования. Измеритель "Поток-2М" представляет собой автономное устройство, предназначенное для длительной регистрации и осреднения меридиональной и широтной составляющих горизонтальной компоненты вектора скорости течений. Кроме этого, в составе измерителя имелся канал измерения и регистрации температуры среды. На рис. 3 приведены примеры записей модуля вектора скорости течений, его направления и температуры, характерные для измерений, выполненных с антеннами длиной 32 и 128 м.
Рис. 2. Размещение звукоприемников на антеннах 32 м (а) и 128 м (б): 1 — гидрофон; 2 — акселерометр; 3 — гидрофон в обтекателе; 4 — гидрофон на штанге; 5 — гидрофон на поплавке.
4. ПСЕВДОЗВУКОВЫЕ ШУМЫ ВЕРТИКАЛЬНО РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ПРИЕМНЫХ СИСТЕМ, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ ВИБРАЦИЯМИ ЭЛЕМЕНТОВ
КОНСТРУКЦИИ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ПОДВОДНЫХ ТЕЧЕНИЙ
4.1. Механизм возбуждения колебаний
Воздействие подводных течений на ВРПС данной конструкции приводит к возникновению вибраций на элементах системы, особенно на кабель-тросе. Эти вибрации передаются на гидрофоны и приводят к образованию псевдозвукового сигнала, который при определенных условиях может значительно превышать уровень фонового шума акватории [4]. Данный факт существенно снижает эффективность применения ВРПС и ограничивает частотный диапазон измерений снизу.
Типичным для всех экспериментов, описываемых в литературе, я
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.