АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2007, том 53, № 3, с. 313-328
УДК 551.463
ОТКРЫТИЕ ПОДВОДНОГО ЗВУКОВОГО КАНАЛА, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, РЕГИОНАЛЬНЫЕ РАЗЛИЧИЯ
© 2007 г. Р. Ä. Вадов
Акустический институт им. Н.Н. Андреева РАН 117036 Москва, ул. Шверника 4
E-mail: vadov@akin.ru Поступила в редакцию 04.09.06 г.
Более полувека прошло после открытия подводного звукового канала. За это время в различных регионах Мирового океана Акустическим институтом было поставлено несколько десятков опытов по дальнему распространению взрывных сигналов. Проводились исследования частотной зависимости затухания звука в морской среде, исследования особенностей формирования структуры звукового поля в подводном канале. При совместном анализе полученных экспериментальных данных выявлены существенные региональные различия во временной структуре поля. При проведении исследований экспериментаторам пришлось столкнуться с рядом явлений, потребовавшим их объяснения и дополнительной теоретической проработки. К таким явлениям следует отнести повышенное затухание низкочастотного звука в морской среде, спектроанализирующие свойства Черноморского подводного звукового канала, возникновение реверберационного предвестника - "предреверберации", отличие от 90° фазового (не зависящего от частоты) сдвига между сигналами классической четверки, различающимися количеством касаний каустики, расщепление отдельных сигналов четверок - превращение этих четверок (при удалении от взрывного источника) в группы практически не разделяющихся сигналов. Приводятся наиболее интересные результаты проведенных исследований.
PACS: 43.30.-k, 43.30.Es, 43.30.Gv, 43.30.Xm
В 1946 г. при проведении гидроакустических исследований в Японском море было открыто "сверхдальнее" распространение взрывных сигналов. Спадание уровня звукового поля с расстоянием в опытах, проведенных советскими физиками, происходило заметно слабее сферического закона [1]. Теоретически обнаруженное "аномальное" явление было объяснено Леонидом Максимовичем Бреховских специфическими гидрологическими условиями, формирующимися в морях и океанах, - подводным звуковым каналом (ПЗК). Для понимания обнаруженного явления им последовательно были рассмотрены особенности распространения звука в слое жидкости с постоянным градиентом скорости звука [2], а затем - в подводном звуковом канале с профилем изменения скорости звука с глубиной, близким к реальному [3]. При этом ему удалось объяснить не только слабое (по сравнению со сферическим законом) спадание уровня звукового поля с дистанцией, но и наблюдаемое в эксперименте различие формы взрывных сигналов, принятых на малом расстоянии от источника и на значительном удалении (несколько десятков-сотен км) от него. В результате последующих глубоких теоретических исследований к началу 1956 г. Л.М. Бреховских была подготовлена к публикации, а в
1957 г. была издана монография "Волны в слоистых средах" [4]. В монографии, как в волновом, так и в лучевом приближении были рассмотрены и изложены основные закономерности формирования звуковых и электромагнитных полей в горизонтально-слоистых средах, в том числе и в подводном звуковом канале. Эта монография стала настольной книгой как российских, так и зарубежных ученых-гидроакустиков.
За открытие подводного звукового канала Леонид Максимович в 1951 г. был удостоен Сталинской премии первой степени. В 1978 г. за открытие в области акустики, не потерявшее своей актуальности по прошествии более 20 лет, он был награжден золотой медалью лорда Релея, высшей международной наградой для ученых-акустиков.
В 1948 г. появилась публикация Ивинга и Вор-целя [5], из которой следует, что американские исследователи в середине 40-х годов столкнулись с аналогичным явлением "сверхдальнего" распространения взрывных сигналов при проведении опытов в Атлантическом океане.
Открытие подводного звукового канала и "сверхдальнего" распространения звука в океане дало мощный толчок развитию гидроакустики как у нас, так и за рубежом, послужило основой
для формирования нового направления в науке -акустики океана. В течение последующих пятидесяти лет как нашими, так и зарубежными учеными опыты по дальнему распространению звука проводились неоднократно в различных регионах Мирового океана. В научных журналах 60-70-х годов регулярно публиковались материалы опытов, проведенных зарубежными исследователями. Аналогичные исследования в Советском Союзе проводились не менее интенсивно, хотя в печати освещались довольно скупо. Не менее половины всех опытов по дальнему распространению взрывных сигналов в океане составили опыты, проведенные с участием сотрудников Акустического института. Внимание экспериментаторов при проведении этих опытов было сконцентрировано на изучении основных закономерностей формирования тонкой структуры звукового поля в ПЗК, на исследовании низкочастотного затухания (поглощения) звука в океане.
ИССЛЕДОВАНИЕ НИЗКОЧАСТОТНОГО ЗАТУХАНИЯ ЗВУКА
В 60-80-х годов одной из главных задач, стоящих перед исследователями при проведении опытов по дальнему распространению взрывных сигналов в различных регионах Мирового океана, являлось исследование затухания звука в морской среде на низких частотах.
К началу 60-х годов по материалам лабораторных исследований, проведенных в Акустическом институте с учетом результатов аналогичных исследований, проведенных зарубежными учеными, было предложено полуэмпирическое соотношение для расчета коэффициента поглощения звука в морской воде на высоких частотах (>5-10 кГц) [6]:
в =
1М§80.
/
( // /гМ%Ъ04 ) + ( /гМф0 //)
к/2
(1)
где /гмё8о4 = 1.125 X 10(9 - 2038/Т), кГц, А
МБ804 -
= 62.55Т X 106, дБ/кмкГц, К = 1.42 X 108 X X 101240/т дБ/км кГц2, Т - температура, °К, - соленость, %0.
Первый член в этом выражении описывает релаксационное поглощение, связанное с сернокислым магнием, второй - поглощение, связанное со структурной релаксацией молекул воды, и классическое поглощение (по Стоксу и Кирхгофу), общие как для морской, так и для пресной воды.
Открытие океанического подводного звукового канала позволило расширить частотный диапазон исследований, перейти от лабораторных к натурным измерениям затухания звука в морской среде. Существенно увеличилась измерительная
база (до сотен-тысяч км). Диапазон исследуемых частот сместился в область десятков-тысяч Гц.
При размещении источника и приемника у оси ПЗК на некотором удалении от источника спадание уровня звукового поля в горизонтально-слоистом океане, обусловленное геометрическим расхождением, происходит по цилиндрическому закону. На низких частотах в морской среде помимо поглощения в отдельных случаях заметную роль в формировании закона спадания уровня звукового поля играет рассеяние звука на неоднороднос-тях среды. Для учета этих "суммарных" потерь (поглощение + рассеяние) было введено понятие затухания звука.
При проведении экспериментальных исследований затухания низкочастотного (ниже 5 кГц) звука в океане регистрировался спад уровня звукового поля в ПЗК при расположении источника и приемника у его оси. Коэффициент затухания определялся по отклонению экспериментально полученного закона спадания от цилиндрического. Такая методика вполне оправдана при проведении измерений на частотах 1-5 кГц. Для определения коэффициента затухания на этих частотах вполне достаточна 100-150-километровая трасса распространения. Морская среда в этом случае (за исключением районов смешения разнородных вод) может рассматриваться как горизонтально-слоистая, закон геометрического расхождения звукового поля в канале - цилиндрическим. На частотах ниже 0.5-1.0 кГц, где для оценки значений коэффициента затухания требуются трассы протяженностью 500-1000 км и более, задача определения затухания усложняется. Приходится более строго подходить к выбору трасс распространения. Горизонтальная слоистость морской среды при таких протяженностях зачастую нарушается, профиль изменения скорости звука с глубиной с(г) вдоль такой трассы нередко претерпевает заметные трансформации, что приводит к отличию закона геометрического расхождения звукового поля в канале от цилиндрического. Это отличие в отдельных случаях достигает 7-12 дБ на 1000 км [7]. Оно связано с перераспределением звуковой энергии по глубине. Эти отклонения могут рассматриваться как систематическая ошибка в определении затухания. Однако исключить ее непросто. Казалось бы, достаточно рассчитать звуковое поле с учетом переменных вдоль трассы распространения гидрологических условий и определить коэффициент затухания по отклонению экспериментального спада звукового поля не от цилиндрического закона, а от расчетного. К сожалению, экспериментатор, как правило, не обладает достаточной информацией о пространственной изменчивости поля скорости звука, тем более на момент проведения опыта. Обычно на 1000-километровой трассе проводится 5-7 гидрологических станций до или после проведения аку-
стического эксперимента. По результатам таких замеров можно судить лишь о степени изменчивости профиля с(г) по трассе, о характере возможных отклонений геометрического расхождения уровня звукового поля от цилиндрического закона. Для исключения такой систематической ошибки в определении коэффициента затухания экспериментаторами в отдельных случаях применялся "дифференциальный" метод. Этот метод предполагает использование широкополосного сигнала. Закон геометрического расхождения, отличный от цилиндрического, исключается рассмотрением спадов уровня звукового поля на разных частотах, приведенных к спаду на некоторой "реперной" частоте /0. В результате "дифференциального" метода фактически определяются превышения коэффициента затухания на отдельных частотах относительно его значения на "реперной" частоте/0. Переход к абсолютным значениям коэффициента затухания возможен при допущении достаточно монотонной зависимости коэффициента затухания от частоты, стремящегося к нулевому значению при / = 0. Такой метод применялся в работах [8, 9 и др.].
При проведении исследований затухания звука на частотах ниже 1-2 кГц предпочтение отдавалось взрывным источникам звука. В большинстве опы
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.