АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2008, том 54, № 4, с. 599-606
АКУСТИКА ОКЕАНА, ^^^^^^^^^^^^^^ ГИДРОАКУСТИКА
УДК 534.231
СТАТИСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОТОКОВ ЭНЕРГИИ ДИНАМИЧЕСКОГО ШУМА ОКЕАНА В ПОЛОСЕ ЧАСТОТ 400-700 Гц
© 2008 г. В. А. Щуров, А. С. Ляшков, Е. С. Ткаченко
Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичёва ДВО РАН 690041 Владивосток, ул. Балтийская, 43 E-mail: shchurov@poi.dvo.ru Поступила в редакцию 24.10.06 г.
Представлены оценки среднего и дисперсии азимутального и полярного углов вектора потока энергии подводного динамического шума глубокого открытого океана в диапазоне частот 400-700 Гц при двух значениях скорости приводного ветра 6 и 12 м/с. Исследования проводились на глубине 500 м при помощи свободнодрейфующей комбинированной телеметрической системы. Оценки средних значений горизонтальных и вертикальных углов вектора потока энергии и их дисперсий приведены при различных конечных временах усреднения. Найдено конечное предельное время усреднения, равное 60 с. Установлено, что существует связь между направлением приводного ветра и направлением распространения горизонтального потока энергии динамического шума; предполагается, что механизм генерации горизонтальной компоненты вектора среднего потока энергии динамического шума связан с процессами рассеяния первичного поля шума на взволнованной поверхности океана.
PACS: 43.30.Nb, 43.50.Cb
ВВЕДЕНИЕ
Анизотропия подводного окружающего шума глубокого открытого океана является предметом многочисленных экспериментальных и теоретических исследований (см. напр. [1, 2]). Однако работ, в которых обсуждались бы характеристики реальной анизотропии океана, немного. В особенности это касается горизонтальной анизотропии динамического шума [2]. К настоящему времени, по сравнению со временем написания работ [1-3], ситуация в данной области осталась практически прежней. Сложность проведения данных измерений с помощью протяженных горизонтальных антенн является одним из основных препятствий данных исследований. Измерения с помощью одиночных комбинированных приемников дают информацию о движении акустической энергии в данной точке океанического волновода, что может дополнить наши представления об анизотропии окружающего шума в океане. Метод измерения с помощью комбинированного приемника широко используется в различных задачах современной подводной акустики [4-11]. В данной работе с помощью комбинированных систем проведены исследования частотной зависи-
>
мости вектора интенсивности I (/) при различных временах наблюдения в полосе частот 400-700 Гц.
Полоса частот 400-700 Гц была выбрана по следующим причинам. Из спектра вертикальной
компоненты функции когерентности у2РУ (/) следует, что максимум спектра динамического шума
находится в полосе частот 400-700 Гц, положение и величина которого зависит от скорости ветра, времени его действия и направления [4]. Присутствие в данной части спектра шумов другой природы в настоящем эксперименте исключено.
Исследования были проведены в глубоком открытом океане при помощи телеметрической свободнодрейфующей комбинированной измерительной системы в полосе частот 6-800 Гц. Глубина места - 3600 м. Ось подводного звукового канала находится на глубине 1200 м. Скорость звука у поверхности больше скорости звука у дна. Измерения проводились на глубине 500 м. Скорость ветра за время эксперимента в течение двух суток медленно росла от 2-3 м/с до 12 м/с, при этом его направление изменилось на 30°. Во время проведения эксперимента наблюдалась ясная ветреная погода.
ОБРАБОТКА ДАННЫХ
Интуитивно ясно, что усредненный вектор потока энергии динамического шума зависит от скорости ветра и состояния поверхностного волнения. Поэтому для того, чтобы исследовать процесс формирования потока энергии шума, усреднение проводились при различных временах усреднения, характерных времени поверхностного волнения. Полученные в результате усредненные данные являлись случайными величинами со своими функциями плотности распределения вероятности. Цифровая обработка эксперимен-
Таблица 1
Д/, Гц 400-450 450-500 500-550 550-600 600-650 650-700
То, с <ф>1 ах(ф) <ф>2 а2(ф) <ф>3 аэ(ф) <ф>4 а4(ф) <ф>5 а5(ф) <ф>6 а6(ф)
1 -12.0 76.0 -7.9 75.7 -4.6 75.5 -0.9 77.0 1.0 76.7 3.4 78.5
3 -18.4 54.2 -15.6 52.9 -7.9 53.4 -0.2 56.0 -0.6 55.3 0.4 58.5
5 -21.0 42.5 -17.9 40.6 -9.1 42.4 -1.3 45.1 -1.6 44.9 -1.4 47.0
10 -22.8 32.3 -18.7 32.6 -9.7 35.0 -2.6 37.9 -3.4 41.5 -2.2 43.7
20 -24.7 19.5 -20.3 18.7 -12.2 18.2 -3.3 21.0 -4.2 19.6 -4.0 22.2
30 -25.6 16.2 -20.8 14.6 -12.6 14.3 -3.9 16.9 -4.7 15.4 -4.2 17.9
60 -26.9 11.4 -20.8 10.2 -13.3 9.7 -4.4 12.5 -5.7 10.1 -4.4 12.3
тальных данных включает в себя следующие операции.
В результате комбинированных натурных измерений имеем временные реализации четырех синхронизированных компонент акустического поля: р(г), Ух(0, Уу(0, У(). Длительность отдельных реализаций может достигать 3-4 часа. Естественно, что в течение данного времени сила и направление ветра, а также поверхностное волнение могут претерпевать существенную эволюцию.
Из массива данных выбирались четырехком-понентные синхронизированные реализации р( Ух(0, Уу(0, Уг(0 соответствующие устойчивому состоянию величины и направления приводного ветра и поверхностного волнения. В режиме экспоненциального усреднения вычисляются взаимные спектры Spyx (/, Т0), Spyy (/, Т0), Spyz (/, Т0) и
автоспектры давления Sp2 (/, Т0), где Т0 = 1, 3, 5, 10,
20, 30, 60 с - времена экспоненциального усреднения спектров, полоса анализа 1 Гц. Постоянно текущие значения (при данном Т0) взаимных спектров представляют собой спектральные плотности ортогональных компонент вектора интенсивности окружающего подводного шума. Выбранный диапазон частот 400-700 Гц разбивается на полосы по 4 Гц, в которых вычислялись азимутальный и полярный углы ф( /, Т0) и 6( /, Т0), определяющие направление вектора плотности потока энергии шума:
И^ру (/, То)
ф(/ •То) = ^Ке*/ •
0(/• То) =
1
[Ке^(/• То) + Ке^ру(/, То)]2
агс^ -
ReSpyz(/• То)
где Ке - знак реальной части взаимного спектра.
Угол ф( /, Т0) отсчитывается от положительного направления оси х, угол 6(/, Т0) - от оси г. Оси
х и у комбинированного приемника принадлежат горизонтальной плоскости (ось х совпадает с направлением приводного ветра). Ось г направлена вертикально от поверхности ко дну океана.
Данные для ф( /, Т0) и 6( /, Т0) распределялись по шести частотным полосам А/1 = 400-450 Гц; Д/2 = = 450-500 Гц; Д/3 = 500-550 Гц; Д/4 = 550-600 Гц; Д/5 = 600-650 Гц; Д/6 = 650-700 Гц. Из массива ф( /, Т0) и 6( /, Т0) строились гистограммы плотности вероятности р« [ф(Т0)] и р« [0(Т0)], для всех частотных полос г = 1-6.
Далее определялись средние значения <ф(Т0)>«, <6(Т0)>« и среднеквадратичные отклонения ±а«[ф(Т0)], ±а« [6(Т0)]. Время накопления гистограмм для всех времен усреднения составляет 300 с. При построении гистограмм карман для углов ф(Т0) и 6(Т0) был равен 3°.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИИ
На рис. 1 приведены гистограммы плотности вероятности р1(ф) и р1(6) для Т0 = 1, 3, 5, 10, 60 с в полосе частот Д/1 = 400-450 Гц для скорости ветра 6 м/с. Гистограммы рис. 1а, 1в получены для одной и той же временной реализации. Как следует из рис. 1, вид кривой гистограммы зависит от Т0. Гистограммы для Т0 = 20, 30 с на рис. 1 не приведены, поскольку их кривые незначительно отличаются от гистограммы для Т0 = 60 с. При Т0 > 60 с гистограммы совпадают с кривой 5.
В табл. 1 и 2 представлены средние значения и среднеквадратичные отклонения <ф>«, а« (ф) и <6>«, сг (6) для всех Т0 и всех частотных полос г = 1-6. На рис. 2 представлены зависимости средних значений (ф>; и (6>; от времени усреднения Т0 для г = 1-6. Значения (ф>г и (6>; взяты из табл. 1 и 2. На рис. 2 приведены в виде сплошные кривых аппроксимирующие функции: <фг(Тд)> ~ 1/7Т), <6«(Тэ)> ~ 1/Тд. Аппроксимирующие функции среднеквадратиче-
ских отклонений: а«(ф) ~ 1/, а«(6) ~ 1/\[То.
Р1(ф) 0.040
-180 Р1(б)
0.08 г
-90
45
90
180 ф, град
90
135
180 0, град
Рис. 1. Гистограммы плотности вероятности р1(ф) и р1(0). Полоса частот 400-450 Гц; время накопления гистограмм 300 с. Времена усреднения: кривая 1 - 1 с, 2 - 3 с, 3 - 5 с, 4 - 10 с, 5 - 60 с. Скорость ветра 6 м/с.
0
0
Из рис. 1, 2 и табл. 1, 2 следует, что средние значения углов ф, 0 и их среднеквадратичные отклонения (ф), аг- (ф), (0), аг- (0) стремятся к своим предельным значениям с ростом Т0. Причем, если (ф) и (0)- стремятся к некоторому своему предельному значению различному для различных I, то предельные значения аг- (ф) и аг- (0) при Т0 = 60 с незначительно отличаются для всех Разность для всех <5{ (0) составляет ~3°, для всех аг- (0) также ~3°.
Поскольку средние значения и среднеквадратиче-ское отклонение стремятся к предельным значениям, то и кривые гистограмм плотности вероятности стремятся к предельной кривой распределения с временем усреднения Т0 = 60 с. Начиная с Т0 = 20 с, они уже неотличимы при Т0 = 20, 30, 60 с.
По условиям эксперимента, направление оси х комбинированного приемника совпадает с направлением генеральной скорости ветра. Из рис. 2а
Таблица 2
А/, Гц 400-450 450-500 500-550 550- 600 600- 650 650- 700
т^ с 0)1 ^1(6) <6)2 °2(6) <6)3 °3(6) <6)4 °4(6) <6)5 05(6) <6)6 06(6)
1 55.8 25.5 53.8 25.4 52.7 25.1 52.5 25.5 53.7 26.2 56.1 28.9
3 43.2 18.6 40.8 18.0 39.6 17.0 38.4 17.2 39.7 17.3 41.3 19.9
5 40.1 16.1 37.8 15.3 36.3 14.3 34.8 14.5 36.0 14.6 36.8 16.4
10 38.3 14.2 36.5 13.4 34.8 12.8 33.9 12.9 34.7 13.6 34.5 14.6
20 37.1 10.7 34.6 9.4 32.7 8.3 30.6 9.3 31.6 9.3 31.3 9.3
30 36.7 9.5 34.2 8.2 32.4 6.9 30.1 8.2 31.0 8.1 30.6 7.9
60 36.4 7.5 33.3 6.5 32.2 5.0 29.4 6.7 30.6 6.3 29.9 5.8
можно сделать вывод, что все направления потоков энергии шума в горизонтальной плоскости для частотных полос А/ (I = 1-6) находятся в некотором ограниченном секторе углов и "отстают" от направления скорости ветра. Наименьшее от-
<фХ, град
Рис. 2. Зависимость средних значений <ф)- и <6)- от времени усреднения: а - азимутального угла; б - полярного угла. Обозначения частотных полос А/: О -1, Д - 2, □ - 3, + - 4, х
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.