АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2008, том 54, № 2, с. 272-282
АКУСТИКА ОКЕАНА, ^^^^^^^^^^^^ ГИДРОАКУСТИКА
УДК 537.12
СТРУКТУРА ЗВУКОВОГО ПОЛЯ В ЗОНАХ КОНВЕРГЕНЦИИ В ТРОПИЧЕСКОЙ ЧАСТИ ТИХОГО ОКЕАНА
© 2008 г. Л. В. Швачко
Акустический институт им Н.Н. Андреева 117036 Москва, ул. Шверника 4
E-mail:galkin@akin.ru Поступила в редакцию 20.12.06 г.
Приводятся результаты экспериментального исследования угловой и энергетической структуры звукового поля в первых двух зонах конвергенции в тропическом районе Тихого океана, расположенном к юго-западу от Гавайских островов. Опыт проводился при излучении непрерывного псевдошумового сигнала в третьоктавных полосах с центральными частотами 1.25 кГц и 3.15 кГц при расположении корреспондирующих точек под слоем скачка на глубине 250 м. Экспериментальные результаты сопоставлены с расчетами, проведенными в рамках лучевой модели. Несоответствия экспериментальных и расчетных результатов, наблюдаемые при входе в первую зону конвергенции, сравнены с аналогичными параметрами, полученными ранее для условий тропических зон Атлантического и Индийского океанов. Особенности детальной энергетической структуры поля сопоставлены с параметрами внутренних волн, регистрируемых во время проведения акустических измерений.
PACS: 43.30.Ft
Многолетние исследования, проводившиеся Акустическим институтом в различных районах Мирового океана, позволили получить достаточно большой материал для анализа полученной в экспериментах структуры поля и сопоставления ее с расчетами в интересах разработки адекватной модели волновода и повышения надежности гидроакустического прогноза. Преимущество этого ансамбля данных состояло в том, что его основная часть была получена в опытах, проводимых по одной и той же методике и с использованием одного и того же излучающего и приемно-регистрирующего комплексов. Однако не все регионы были исследованы с одинаковой подробностью. Одним из таких регионов, где практически не проводилось исследований, была центральная часть Тихого океана. В данной работе будут приведены результаты исследований угловой и энергетической структуры звукового поля в тропическом районе Тихого океана, расположенном к юго-западу от Гавайских островов. Опыт проводился на судах "Академик Николай Андреев" и "Академик Борис Константинов" осенью 1989 года по той же общепринятой методике, изложенной, например, в работах [1-3] и с использованием того же измерительного комплекса аппаратуры. С точки зрения гидрологических условий район проведения исследований был достаточно стабильным. Он характеризовался тропическим профилем скорости звука С(г) с большим и плавным слоем скачка, существующем в диапазоне
глубин от 80 м до 450-500 м, и осью канала, расположенной на глубине 850 м. Опыт проводился при глубинах излучения и приема 250 м, т.е. практически в середине слоя скачка. Профиль скорости звука и лучевая картина для условий проведения опыта представлены на рис. 1. Видно, что пространственное распределение звукового поля соответствует классической картине распространения звука в одноосевом глубоководном канале тропического типа с чередованием зон конвергенции и зон тени.
Опыт по исследованию структуры звукового поля проводился в два этапа. На обоих этапах приемное судно "Академик Николай Андреев" лежало в дрейфе с выпущенной вертикальной 40-метровой антенной, осуществляющей как ненаправленный прием сигналов на любой из гидрофонов антенны, так и остронаправленный прием в вертикальной плоскости с помощью приемно-из-мерительного шумопеленгационного комплекса, позволяющего измерять угловые спектры сигналов в вертикальной плоскости в диапазоне углов прихода ±20° с разрешающей способностью ~2°. На первом этапе опыта проводилась экспресс-съемка характеристик звукового поля с помощью буксируемой судном "Академик Борис Константинов" на глубине 250 м со скоростью ~6-7 узлов системы, производящей непрерывное псевдошумовое излучение в диапазоне частот 2.5-4.0 кГц с центральной частотой / = 3.15 кГц. Такие измерения позволили получить распределения энергети-
с, м/с 1500 1540 км
25
50
75
100
125 г, км
Рис. 1. Лучевая картина для условий проведения опыта. Глубина источника 250 м.
ческой и угловой структуры поля по дистанции за короткий промежуток времени при практически неизменных гидрологических условиях. На втором этапе опыта для более детального исследования поля на отдельных участках использовалось медленное изменение расстояния между корреспондирующими точками за счет движения против дрейфа излучающего судна с работающей на заданной глубине системой. В этом случае использовалось мощное ненаправленное в диапазоне водных лучей непрерывное псевдошумовое излучение в диапазоне частот 0.5-2.0 с центральной частотой / = 1.25 кГц. На обоих этапах опыта во время измерений проводился ежеминутный контроль дистанции между точками излучения и приема (а не между судами) с помощью специально разработанного акустического комплекса, работающего в системе единого времени [4].
Результаты исследования энергетической и угловой структуры звукового поля, полученные на первом этапе опыта на дистанциях, соответствующих первой зоне конвергенции, приведены соответственно на рис. 2а и рис. 26. На первом из них, где представлена зависимость от расстояния интенсивности поля при ненаправленном приеме /(г), по оси абсцисс отложено расстояние г в км, по оси ординат - интенсивность / в дБ, причем за 0 дБ принят уровень сигнала на расстоянии 1 км при его распространении согласно сферическому закону. Сплошная кривая соответствует результатам измерений /(г), пунктирная - результатам расчета, горизонтальная штриховая линия на уровне / = -57дБ - уровню помех в данном диапа-
зоне частот, а штрих-пунктирная - сферическому закону с учетом пространственного затухания, равного 0.15 дБ/км для частоты 3.15 кГц по формуле в = 0.028/3/2 дБ/км, где / в кГц. Как следует из данных рис. 2а, вход в первую зону конвергенции для сигналов с / = 3.15 кГц характеризуется достаточно резким ростом уровня интенсивности или аномалии распространения А(г), определяемой как отличие уровня /(г) от уровня сферического затухания с учетом пространственного затухания. Так, если устойчивое пересечение зависимостью /(г) уровня нулевой аномалии (А = 0) наблюдается на расстоянии 48.8 км, то своего максимального значения в каустике /(г) достигает уже на дистанции 49.44 км, при этом уровень аномалии распространения равен А = ~+23 дБ. Такой высокий уровень интенсивности сигнала с резкими перепадами в значениях (до ~12 дБ) наблюдается до дистанций ~51.5 км, а затем идет его постепенное уменьшение до расстояний ~60 км, где величина аномалии распространения становится нулевой. Экспериментальные результаты сопоставлялись с расчетными, проведенными на основе лучевой модели звукового поля. Расчетная кривая /(г) по своему характеру похожа на экспериментальную, однако смещена по дистанции дальше от источника излучения. Согласно расчету начало зоны конвергенции находится на расстоянии 50.5 км. Поэтому величина несоответствия в определении начала зоны конвергенции по эксперименту и расчету АгА = 0 составляет значение + 1.7 км, если отсчет в эксперименте брать по
/, дБ -10
-20 -30
-40 -50 -60
(а)
48
50
52
54
56
58
а, град
(б)
+
20100-10 -20
и
48
50
52
60
г, км
г, км
Рис. 2. Структура поля, полученная в эксперименте в первой зоне конвергенции, / = 3.15 кГц. а - энергетическая, б - угловая.
уровню нулевой аномалии, или А гА^х = +1.1 км,
если начало зоны конвергенции определяется максимальным уровнем интенсивности в каустике.
Угловая структура сигнала с / = 3.15 кГц, приведенная на рис. 26, представляет собой фрагмент записи последовательности углов прихода сигнала, записанная на механическом регистраторе разверток его угловых спектров, входящего в шу-мопеленгационный комплекс аппаратуры. На этом графике, как и на всех последующих, где будут представлены зависимости углов прихода сигнала от расстояния а(г), по оси абсцисс отложено расстояние г в км, а по оси ординат - угол прихода сигнала а в градусах, причем знак "+" соответствует приходу сигнала в точку приема сверху, а знак "-" - приходу снизу. Приведенный фрагмент относится к диапазону расстояний от 48 км до 53 км, т.е. к началу входа в первую зону конвергенции. На рисунке видно, что достаточно хаотическая угловая структура поля, регистрируемая в зоне тени в диапазоне углов ±(5-20)°, начиная с расстояния ~48.8 км, превращается в структуру с углами прихода от -5° до +5°, регистрируемую в самом начале зоны. Далее с ростом расстояния
она постепенно переходит в структуру, состоящую из двух групп лучей с увеличивающимися значениями углов прихода вплоть до а~ = ±(9-10)°. Угловая структура поля, приведенная на рис. 26, дает представление только о качественной картине зависимости а(г), которой целесообразно пользоваться только в экспресс-съемках поля. Более точная, подробная угловая структура поля была получена на втором этапе опыта для сигналов с / = 1.25 кГц при медленном проходе первой и второй зон конвергннции. Результаты этих исследований, а также сопоставление их с расчетными зависимостями а(г) приведены на рис. 3а и рис. 3в соответственно для первой и второй зон конвергенции. На графиках сплошными кривыми представлены расчетные зависимости, а точками - результаты эксперимента. В некоторых случаях при неразрешенном сплошном угловом спектре сигналов экспериментальные результаты представлены вертикальными отрезками прямых в соответствующем диапазоне углов прихода. Из графиков следует, что в обеих зонах конвергенции зависимости углов прихода от расстояния характеризуются однотипными плавны-
г, км
а, град (б)
Т-) о о ■Г") о оо о о О о о о о о
1Г-) О т О ГО о о о ГО оо о
00 00 00 сК сК сКсК сК О о о о
■Г")
г, км
г, км
Рис. 3. Угловая структура звукового поля, / = 1.25 кГц. а - первая зона конвергенции.
б - последовательность угловых спектров при входе в первую зону. в - вторая зона конвергенции.
ми кривыми с изменением углов прихода от нулевых в начале зоны до ^ = ~±10° в конце зон на р
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.