АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2008, том 54, № 1, с. 77-83
АКУСТИКА ОКЕАНА. ^^^^^^^^^^^^ ГИДРОАКУСТИКА
УДК 534.23
ОСОБЕННОСТИ ПРОНИКНОВЕНИЯ ЗВУКА В ХОЛОДНЫЙ ВИХРЬ САРГАССОВА МОРЯ
© 2008 г. А. В. Микрюков, О. Е. Попов
Акустический институт им. Н.Н. Андреева РАН 117036 Москва, ул. Шверника 4
E-mail: A_Mikr@rambler.ru Поступила в редакцию 20.12.06 г.
Проведен анализ результатов акустического эксперимента в Саргассовом море. Приемное судно располагалось в холодном вихре. Трасса протяженностью 120 км брала начало в теплых водах Сар-гассова моря и заканчивалась у приемного судна. В качестве широкополосного источника звука использовались заряды весом 2.8 кг, подрываемые на полном ходу судна на глубине 290 м. Интервал между подрывами составлял 2.5 км. Регистрация сигналов велась тремя одиночными гидрофонами, расположенными на глубинах 220, 600 и 1200 м. Основное внимание при обработке полученных результатов было обращено на изменчивость различных характеристик сигналов в четверках донных отражений различной кратности. Показано, что для определенных участков трассы наблюдается эффект, выражающийся в значительном уменьшении энергии этих сигналов (до 12 дБ на частотах выше 200 Гц). Диапазон расстояний, на которых имеет место уменьшение энергии сигналов различных кратностей отражения от дна, определяется одним и тем же диапазоном углов выхода сигналов из источника. Делается вывод, что это явление вызвано существованием области с высокими горизонтальными градиентами скорости звука при переходе от вод холодного вихря к теплым водам Саргассова моря и делается попытка воссоздания формы существующего фронтального раздела.
PACS: 43.30.Pc
Воды Саргассова моря представляют собой пример статистически однородных глубоководных водных масс [1]. Однако данная однородность систематически нарушается циклоническими и антициклоническими вихрями Гольфстрима. Как циклоны, так и антициклоны в первый период своего существования характеризуются температурным контрастом с окружающими водами Саргассова моря не только в слое главного термоклина, но и в верхнем слое, включая поверхность океана. Именно поэтому они так хорошо видны на спутниковых инфракрасных фотографиях. С течением времени, однако, поверхностный температурный контраст ослабевает и через несколько месяцев исчезает совсем, в то время как в слое главного термоклина может оставаться еще очень сильным. Синоптические вихри представляют интерес как для океанологов в плане изучения "океанской погоды", так и для акустиков. В последнем случае такие вихри с одной стороны вызывают дополнительные трудности при обработке и интерпретации звуковых сигналов, с другой - представляют самостоятельный объект изучения для его исследования акустическими методами. Тщательное изучение влияния вихрей на дальнее распространение звука берет начало в 80-х годах прошлого столетия. Исследу-
ется влияние вихря на угловой спектр интенсивности звука [2], динамику флуктуаций уровня и фазы звуковых сигналов [3], положение и форму зон освещенности и тени [4, 5]. Были предприняты попытки параметризовать вихри Гольфстрима, исходя из таких глобальных параметров как радиус вихря, максимальная скорость вращения, глубина проникновения, дрейфовая скорость его центра [6], что оказалось очень удобным в численных экспериментах для анализа различных параметров вихря на распространение звука.
Тем не менее, даже в настоящее время информация о глубинной структуре вихрей, простирающейся до максимальных глубин океана, остается весьма скудной. Авторами работы [7] предлагается схема акустического эксперимента для непрерывного длительного слежения за синоптической изменчивостью в некотором районе океана с целью детального изучения структуры проявляющихся в данном районе вихрей. Однако каких-либо экспериментальных работ по исследованию структуры вихря акустическими методами нами в литературе встречены не были.
Появление на акустической трассе вихря аналогично появлению некоторой фронтальной зоны на пути распространения звука. В зависимости
Скорость звука, м/с
Рис. 1. Профили скорости звука, полученные в Сар-
гассовом море.
от возраста вихря максимальный горизонтальный градиент скорости звука у такой фронтальной зоны может оказаться на той или иной глубине. Это обстоятельство весьма существенным образом скажется на условиях прохождения звука через такой вихрь. В связи с этим представляется весьма актуальным задача по разработке метода оперативного определения формы фронтального разреза, являющегося границей, разделяющей вихрь и окружающие его воды.
С целью реализации подобной задачи были обработаны данные акустического эксперимента в Саргассовом море.
Трасса протяженностью 120 км брала начало в теплых водах Саргассова моря и заканчивалась у приемного судна, лежащего в дрейфе в периферийной части холодного вихря. Использовались взрывные источники звука весом 2.8 кг, подрываемые на полном ходу судна на глубине 290 м. Интервал между подрывами составлял 2.5 км. Глубина воды вдоль трассы оставалась практически неизменной и составляла в среднем 5130 м. Регистрация сигналов велась тремя одиночными гидрофонами, расположенными на глубинах 220, 600 и 1200 м. Продолжительность опыта составила 3.5 часа.
Гидрологическое обеспечение акустических работ было, к сожалению, минимальным. На рис. 1 представлены профили скорости звука, полученные в точке приема сигналов (А) непосредственно перед началом опыта, а также на расстояниях 53 км (В), 78 км (С) и 134 км (Б) от приемного судна в течение 12 часов после проведения работ (жирные кривые). Сопоставляя эти профили с профилями, характерными для холодных вихрей
Рис. 2. Лучевая картина.
и вод собственно Саргассова моря, можно условно классифицировать их следующим образом: профиль А, полученный в приемной точке трассы, оказывается снятым в некоторой средней точке вихря, профили С и Б являются профилями Саргассова моря, а профиль В является переходным.
Из литературных данных известно, что средняя скорость перемещения вихрей в Саргассовом море составляет около 5 км/сутки [7]. Из этого следует, что от момента начала опыта и до завершения гидрологических промеров смещение вихря не могло превышать 2.5 км.
Из результатов наших предыдущих работ, посвященных анализу распространения звука в сильно неоднородных средах [8, 9], было установлено, что весьма чувствительным к резким изменениям поля скорости звука по трассе оказываются параметры сигналов донных отражений. В связи с этим первоначальное внимание при обработке результатов акустического опыта в Саргассовом море было обращено на изменчивость различных характеристик сигналов в четверках донных отражений различной кратности.
При обработке экспериментальных материалов весьма заметно проявился эффект уменьшения энергии отраженных от дна сигналов, пришедших в точку приема с определенных расстояний вдоль трассы. Данный эффект наблюдается для всех зарегистрированных кратностей отражения от дна на всех трех горизонтах приема. На рис. 2 приведены траектории сигналов, распространяющихся из источника (Б) в точку приема (Р) при однократном отражении от дна. Цифрами указана очередность их прихода в точку приема
34 км, 1 кр
96 км, 3 кр
0.5
Время, с
Рис. 3. Сигналы различной кратности отражения от дна. Частоты 200-500 Гц.
Интенсивность, дБ 90
80
70
60
50
40
30
100 120 Расстояние, км
Рис. 4. Зависимости изменения энергии с расстоянием для четверок отраженных от дна сигналов различной (от первой до третьей) кратности. Кривые скомпенсированы на цилиндрическое расхождение и разнесены по оси абсцисс на 10 дБ. Сплошные кривые: сигналы 1 и 3 (с точкой), штриховые кривые: сигналы 2 и 4 (с точкой).
по времени. Таким образом, при данной геометрии опыта первыми регистрируются сигналы, приходящие снизу, а затем вступает пара сигналов, приходящая в точку приема сверху. Наблюдаемый эффект проявляется следующим образом. Для всех кратностей отражения энергия каждого из четверки сигналов до определенного
расстояния от приемника остается практически неизменной (рис. 3, верхняя запись). Однако с некоторого расстояния уровни сигналов четных номеров (сигналов 2 и 4, вышедших вверх из источника) начинают резко уменьшаться (рис. 3, записи со второй по четвертую). Такие провалы имеют место при удалении от точки приема на ин-
Рис. 5. Зависимости изменения энергии от угла выхода для сигналов, вышедших вверх из источника. Сплошная жирная кривая - однократное отражение от дна, сплошная тонкая - двукратное и штриховая -трехкратное.
тервале расстояний 21-40 км для сигналов первой кратности отражения, на интервале 42-80 км для второй и на интервале 62-115 км для третьей. После провала, по мере приближения источника к точке приема, энергия в четверках сигналов вплоть до конечной точки трассы вновь выравнивается.
На рис. 4 представлены зависимости изменения энергии с расстоянием по каждому из четверки отраженных от дна сигналов различной (от первой до третьей) кратности. Кривые скомпенсированы на цилиндрическое расхождение и разнесены по оси абсцисс на 10 дБ. Диапазон рассматриваемых частот: 200-500 Гц. Результаты приведены для горизонта приема 600 м. Однако для двух других горизонтов (220 и 1200 м) ситуация оказывается аналогичной. Сплошные кривые описывают изменение энергии для сигналов, вышедших вниз из источника (траектории 1 и 3 на рис. 2), а штриховые - вверх (траектории 2 и 4). Видим, что сигналы, вышедшие вверх из источника в определенном диапазоне расстояний, начинают терять свою энергию. Уменьшение энергии для сигналов, вышедших вниз из источника наблюдаются в более узком интервале расстояний и оказываются вдвое меньшими.
Важно отметить, что интервалы расстояний, на которых наблюдается уменьшение энергии вышедших вверх из источника сигналов при различных кратностях отражения от дна, определяются одним и тем же диапазоном углов выхода из источника от 15 до 26 градусов. Максимальное уменьшение энергии при любой кратности отражения также остаются практически неизменными и составляют около 12 дБ для сигналов 2 и 4, а для сигналов 1 и 3 6 дБ (рис. 5).
Глубина, м
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.