АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2014, том 60, № 4, с. 384-394
АКУСТИКА ОКЕАНА. ГИДРОАКУСТИКА
УДК 534.232
РАСПРОСТРАНЕНИЕ НИЗКОЧАСТОТНЫХ ВОЛН ЧЕРЕЗ МЫС ШУЛЬЦА
© 2014 г. А. Н. Рутенко, Д. C. Манульчев
Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН 690041 Владивосток, ул. Балтийская 43 E-mail: rutenko@poi.dvo.ru Поступила в редакцию 29.11.2013 г.
Приведены результаты натурных и численных исследований особенностей распространения низкочастотных импульсных и тональных сейсмоакустических сигналов на трассах, пересекающих м. Шульца. Измерения были проведены с помощью цифровых радиогидроакустических буев, импульсного пневмоизлучателя, свешиваемого с борта катера и резонансного сейсмоизлучателя электромагнитного типа, установленного на берегу в б. Витязь Японского моря.
Ключевые слова: неоднородный геоакустический волновод, акустические и сейсмические волны на шельфе, моделирование распространения звука на шельфе.
DOI: 10.7868/S0320791914040170
ВВЕДЕНИЕ
Известно, что во время проведения в море сей-сморазведочных исследований [1—3] или строительных работ [4, 5], сопровождаемых забиванием фундаментных свай [6], генерируются сейсмо-акустические сигналы, распространяющиеся в виде волн разного типа, формирующих на шельфе антропогенные акустические сигналы, которые могут оказать воздействие на морских животных [7, 8]. Следовательно, производственная деятельность людей на шельфе, а также результаты теоретических и экспериментальных работ [9, 10], обосновывают актуальность изучения особенностей и потерь при распространении низкочастотных волн, генерируемых не только в море, но и на берегу. Кроме того, особый интерес представляет распространение их через сухопутные участки — мыс или полуостров, отделяющие бухты и заливы от морского шельфа. В работе [10] представлены результаты исследований распространения низкочастотных акустических и сейсмических волн на шельфе Японского моря в районе п-ва Гамова. Натурные измерения были проведены с помощью автономной вертикальной акустико-гидрофизической измерительной системы "Моллюск-07" [10], заякоренного цифрового радиогидроакустического буя (ЦРБ) [12], низкочастотного резонансного излучателя электромагнитного типа [11] и импульсного пневмоизлучателя [13], свешиваемых с борта судна, и резонансного сейсмоизлучателя [14], установленного на берегу. В этих экспериментах "Моллюск-07" и ЦРБ устанавливались в б. Витязь, а низкочастотные тональные сигналы генерировались на берегу или в море, причем некоторые трассы их распростране-
ния имели сухопутные участки, например, пересекали м. Шульца, отделяющий б. Витязь от Японского моря.
На берегу измерения проводились с помощью гидрофона, установленного в пластиковой 5-литровой бутыли с водой, закопанной в песок, и геофона типа А0515, обеспечивающего измерение вертикальной компоненты ускорения в частотном диапазоне 0.1—100 Гц. Спектральный анализ результатов этих измерений показал отношения сигнал/шум, достаточные для построения корректных оценок, которые использовались при численном моделировании с помощью программы RAMS [16]. В модельных геоакустических волноводах при задании скорости распространения продольных волн в дне мы ориентировались на экспериментальное значение скорости распространения низкочастотного акустического импульса через мыс, ограничивающий б. Витязь с севера. В результате было получено хорошее согласие модельных данных с результатами измерений.
В данной работе приводятся результаты анализа натурных и численных экспериментов, проведенных в том же районе шельфа Японского моря, но с применением модернизированного импульсного излучателя [13], сейсмоизлучателя [14] и трех ЦРБ. В этих экспериментах решались следующие задачи — оценка влияния сухопутного участка на потери при распространении сейсмо-акустических сигналов, получение экспериментальных оценок скорости распространения низкочастотных акустических импульсов, через м. Шульца, проверка принципа взаимности между приемом и излучением на акустической трассе,
Рис. 1. Карта района исследований с указанием точек излучения и приема низкочастотных и сейсмоакустических сигналов.
пересекающей м. Шульца, адекватность численного моделирования натурным измерениям.
МЕТОДИКА И АППАРАТУРА
Стационарные измерения вариаций акустического давления у дна (~25 см) проводились в частотном диапазоне 2—2000 Гц с помощью гидрофонов типа Ги-50 двух ЦРБ [11, 12]. Акустический низкочастотный импульсный сигнал генерировался пневмоизлучателем [13], свешиваемым с борта дрейфующего катера, а тональные сигналы генерировались сейсмоизлучателем [14], установленным на берегу в б. Витязь. На рис. 1 приведена карта района с указанием шести точек излучения: СИ, т. 1—т. 5 и двух точек приема: ЦРБ-1 и ЦРБ-2.
Опорные акустические измерения проводились с помощью гидрофона ЦРБ, опускаемого с борта катера на глубину 10 м на удалении ~18 м от пневмоизлучателя. Цифровые радиотелеметрические каналы от двух ЦРБ, установленных в море, и одного ЦРБ, расположенного на излучающем катере, принимались на береговом посту и обеспечили синхронный ввод в ЭВМ [15] измеряемых акустических сигналов, их визуализацию и последующий спектральный и взаимный корреляционный анализ. Это позволило оценить относительные потери и скорости распространения низкочастотных сигналов в сложных неоднородных геоакустических волноводах с сухопутными
участками. В табл. 1 приведены протяженности трасс распространения.
Для исследования потерь при распространении в море низкочастотных (24—30 Гц) колебаний, генерируемых на суше, в ТОИ ДВО РАН был разработан и изготовлен специальный резонансный излучатель электромагнитного типа [14]. В обсуждаемом эксперименте сейсмоизлучатель (СИ) был установлен на песчаном берегу б. Витязь вблизи уреза воды (рис. 1). Акустические измерения проводились с помощью гидрофонов, прошедших метрологическую поверку, и откалибро-ванных цифровых измерительно-регистрационных средств. На рисунках приводятся графики
Таблица 1. Название геоакустических трасс и их параметры
Название трассы распространения Общая протяженность, в метрах Протяженность сухопутного участка в метрах
СИ - ЦРБ-1 1040
СИ - ЦРБ-2 1080 450
т. 1 - ЦРБ-2 1830 590
т. 2 -ЦРБ-1 1870 590
т. 3 - ЦРБ-2 1240 560
т. 4 - ЦРБ-1 1210 307
т. 4 - ЦРБ-2 3020 820
т. 5 - ЦРБ-2 2700
0 0.1 0.2 0.3 t, c 20 26 37 51 71 108 177 289 472 773 1368
/, Гц
/, Гц
Рис. 2. Акустические импульсы и их спектры, измеренные: на расстоянии «18 м от пневмоизлучателя, расположенного на горизонте 8 м в т. 5 (а), (б); на расстоянии 2700 м, измеренного с помощью ЦРБ-2, (в), (г). Спектры акустических сигналов соответствующие временным интервалам 1 и 2 (г).
вариаций акустического давления p(t) в паскалях, а графики спектров G ( f ) — в децибелах относительно 1 мкПа2/Гц. При оценке спектра измеренного акустического импульса применялось сглаживание по девяти частотам. Таким образом, все оценки спектров импульсных сигналов, представленные в этой статье, имеют 18 степеней свободы. Соответственно, для доверительной вероятности 90% истинное значение спектральной плотности находится в интервале от —2 до +3 дБ [17].
Для генерирования низкочастотных акустических импульсов применялся пневмоизлучатель [13]. Рассмотрим возможности применения данного пневмоизлучателя для исследований особенностей распространения низкочастотных сигналов на шельфе. На рис. 2 представлены акустические сигналы и их спектры, которые были измерены на дистанции ~18 м с помощью опорного гидрофона и у дна на расстоянии 2700 м гидрофоном ЦРБ-2. Данный импульс был излучен в т. 5 на горизонте 8 м. Из рис. 1 видно, что акустическая трасса т. 5-ЦРБ-2, проходящая вдоль южного обрывистого скалистого берега м. Шульца на расстоянии 300 м, практически имеет постоянную глубину 32 м.
Как следует из рис. 2а, 2б, длительность генерируемого акустического импульса составляет ~0.2 с, а его амплитуда достигала 430 Па. В его спектре G(f) хорошо выражены два пика на частотах ~52 и ~108 Гц. Значения спектральной плотности начинают резко уменьшаться на частотах больше 170 Гц. Принятый акустический сигнал можно представить в виде двух импульсов, соответствующих временным интервалам, показанным на рис. 2в. На рис. 2г приведены графики G (f), соответствующие вариациям p(t), измеренным на этих интервалах.
Из рис. 2в видно, что энергия высокочастотных колебаний хорошо выражена на первом интервале. На графиках G(f) (кривая 1) значения главных максимумов спектральной плотности на частотах 52 и 160 Гц примерно равны (рис. 2г). На зависимости G(f) (кривая 2) пик на частоте 160 Гц отсутствует, однако он еще заметен на частоте 108 Гц, но по сравнению с кривой 1 значение G (f) на этой частоте уменьшилось на 5 дБ. Практически не изменилось значение G(f) на частоте 52 Гц, что, по-видимому, связано с отражениями от обрывистого южного берега м. Шульца (рис. 1).
G/),
95 90 85 80 75 70 65 60
дБ
ЦРБ-1 ЦРБ-2
20 23 28 35 42 50 60 71 84 105 136
177
/, Гц
Gf), ДБ
100 95 90 85 80 75 70 65
20 23 30 37 46 57 70 86 112 153
209 284 /, Гц
Рис. 3. Спектры импульсных акустических сигналов, излученных на глубине 8 ми распространившихся вдоль акустических трасс т. 1-ЦРБ-2 и т. 2-ЦРБ-1.
Рис. 4. Спектр импульсного акустического сигнала, распространившегося вдоль трассы т. 3-ЦРБ-2.
Данная береговая линия характеризуется обрывистым скалистым берегом до глубины 22—25 м, а затем простирается наклонное песчаное дно, и на расстоянии 200 м от берега глубина достигает 30 м. Наверное, пространственные неоднородности скалистого берега под водой более эффективно отражают звук с частотой 52 Гц (длина волны X~ 27 м) и рассеивают энергию звука с частотой 160 Гц (X « 9 м).
На основании результатов работы [10] и выполненных измерений (рис. 2) можно констатировать, что данная модификация пневмоизлучателя [13] в сочетании с цифровыми радиогидроакустическими буями позволяет провести исследования распространения низкочастотных акустических сигналов в неоднородных геоакустических волноводах с сухопутными участками. Для численных расчетов распространения тональных сигналов
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.