X, км
Скорость звука, км/с
Рис. 1. Профиль изменения скорости звука с глубиной, зарегистрированный при проведении зимнего эксперимента по распространению взрывных сигналов в северо-западной части Тихого океана.
ного раза от поверхности океана (при распространении в приповерхностном канале);
- для сигнала, распространяющегося по граничному (касающемуся дна или нижней границы приповерхностного канала) лучу, "предревербе-рация" отсутствует;
- интенсивность "предреверберации" нарастает к моменту прихода основного сигнала и обычно превышает интенсивность реверберации (следующей за основным сигналом);
- относительный уровень "предреверберации", а также ее продолжительность растет с увеличением расстояния.
В конце 70-х гг. были произведены теоретические оценки положения сигнала "предреверберации" относительно прямого сигнала для идеализированного приповерхностного звукового канала (положительный градиент скорости звука от поверхности до дна, равный гидростатическому) при расположении источника и приемника непосредственно у поверхности [7]. Теоретически было получено соотношение, определяющее время опережения "предреверберации" (обусловленной рассеянием звука на взволнованной поверхности океана) относительно прямого (зеркально отраженного от поверхности)сигнала.
Вопрос о временных соотношениях, формируемых между прямым и реверберационным сигналом в реальных гидрологических условиях при дальнем распространении, представляет несомненный интерес. Анализу этих соотношений и посвящена данная работа.
Рассмотрим результаты одного из экспериментов, проведенных в зимних (декабрь месяц) условиях в глубоководном районе (глубина места ~5500 м) северо-западной части Тихого океана. Благодаря осенне-зимнему охлаждению приповерхностных вод в регионе сформировался приповерхностный звуковой канал. Профиль изменения скорости звука с глубиной, зарегистрированный при проведении опыта, представлен на рис. 1. Во время проведения опыта скорость ветра достигала 8-10 м/с, его направление относительно трассы распространения составляло ~45°. Волнение оценивалось в 3-4 балла. В качестве источника звука использовались малые заряды ВВ -детонаторы гидростатического действия. Подрывы осуществлялись на глубине 150 м. Прием взрывных сигналов производился на ненаправленные системы, расположенные на горизонтах 20, 100 и 500 м. Полоса частот при приеме, регистрации и преобразовании сигналов из аналоговой в цифровую форму составляла 50-2500 Гц. На рис. 2 приведены сигналы классической четверки, пришедшие первыми к приемной системе на расстоянии 98 км от источника.
Уместно будет напомнить, что взрывной сигнал, принятый в полосе частот от 10-20 Гц до 1-2 кГц с дистанции 10-20 км и более в условиях однолучевого распространения, представляет собой во временной области два кратковременных (длительностью <1 мс) импульса, равных по величине, одного и того же знака (ударная волна и первая пульсация газового пузыря). Расстояние между ними соответствует периоду первой пульсации газового пузыря (период пульсации в данном опыте составил около 18 мс). В условиях многолучевого приема каждому лучу во временной структуре взрывного сигнала соответствует своя пара таких импульсов. На рис. 2 галочками (знаком "V") сверху помечена ударная волна в каждом из принятых элементарных (однолучевых) сигналов. Соответствующие им импульсы первой пульсации пузыря следуют за ударной волной с 18-миллисекундным интервалом.
Элементарные сигналы четверки, принятой и зарегистрированной в данном опыте на расстоянии 98 км от источника, различаются траекториями их распространения от источника к приемнику. Лучевая картинка, поясняющая их различия, представлена на рис. 3. Первым к приемнику приходит сигнал, распространяющийся вдоль лучевой траектории, касающейся поверхности лишь один раз (на расстоянии от источника ~50 км). Затем приходят два сигнала - каждый из них дважды коснувшийся поверхности: один раз вблизи от источника или приемника и один раз на расстоянии от них ~50 км. Последним приходит сигнал, коснувшийся поверхности трижды (по разу у источника и у приемника, а также на расстоянии от них ~50 км). В зависимости от горизонта приема
300 мс
Рис. 2. Фрагменты временной структуры взрывного сигнала (первая четверка элементарных сигналов), принятого и зарегистрированного на расстоянии 98 км от источника. Глубины приема: 500 м (1), 100 м (2) и 20 м (3). Глубина подрыва заряда 150 м.
эти сигналы лучше или хуже разделяются между собой. Лучше разделяются при расположении приемного гидрофона на глубине 500 м, хуже разделяются пары сигналов при расположении гидрофона на глубине 100 м (второй и третий сигнал в четверке) и на горизонте 20 м (первый и второй, а также третий и четвертый).
Пришедший первым в точку приема сигнал дважды развернулся (рефрагировал) на большой глубине (3300-3500 м) и только один раз отразился от поверхности океана. На всех горизонтах приема перед ним зарегистрирован нарастающий во времени шумовой фон. После прихода прямого сигнала этот фон снижается. Заметное его снижение хорошо просматривается на раздельных парах элементарных сигналов, принятых на горизонте 20 м.
Используя материалы этого же эксперимента, нетрудно показать, что шумовой фон обусловлен рассеянием звука на взволнованной поверхности океана. Для этого достаточно проанализировать запись первой четверки элементарных сигналов, принятых на расстоянии 52 км от источника (см. рис. 4). На этой дистанции первым к приемнику приходит сигнал, развернувшийся (рефрагиро-ванный) на большой глубине всего лишь один раз и ни разу не коснувшийся поверхности. Никакого более или менее заметного шумового фона, ни предшествующего сигналу, ни последующего за ним, не наблюдается. В то же время за каждым из трех остальных элементарных сигналов четверки следует плавно спадающий во времени шумовой (реверберационный) фон. Обращает на себя внимание, что вопреки выводам, сделанным в работах [3, 4], никакого нарастающего шумового фо-
3
R, км
0 100
Рис. 3. Лучевая картинка, поясняющая пути распространения сигналов первой четверки от источника к приемнику, расположенному на глубине 100 м, на расстоянии 98 км от него. Глубина подрыва заряда 150 м.
на перед каждым из этих сигналов также не наблюдается. Три последних сигнала в этой четверке в отличие от первого имели: второй и третий по одному, четвертый - два отражения от взволнованной поверхности океана.
В чем причина такого различия в характере реверберационного (рассеянного на поверхности) сигнала, зарегистрированного на расстоянии 52 и 98 км от источника?
Для ответа на этот вопрос была проведена серия расчетов. Расчеты элементов звукового поля
проводились в лучевом приближении в предположении горизонтальной слоистости океана по программе В.П. Тебякина [8].
Полагая вполне приемлемым следование реверберационного сигнала непосредственно за прямым (реверберационный сигнал, формируемый за счет рассеяния на участках поверхности, расположенных в непосредственной близости к источнику или приемнику приходит в точку приема с запаздыванием относительно прямого сигнала), основное внимание мы обратили на объяснение реверберационного сигнала, предшествующего прямому сигналу. Такой сигнал наблюдался на расстоянии 98 км и отсутствовал на расстоянии 52 км от источника.
Для описания угловой зависимости коэффициента рассеяния мы воспользовались такой характеристикой, как индикатриса рассеяния звука [9, 10, 11]: Ор(ДО, ф), где ДО - отклонение рассеянного сигнала от зеркального направления в вертикальной плоскости, ф - отклонение в горизонтальной плоскости.
При расчетах помимо зеркального отражения от поверхности океана рассматривались сигналы, отраженные (рассеянные) под углами, отличными от зеркального в пределах изменений значений ДО от -4° до +4° при ф = 0°. Для того чтобы реверберационный сигнал сопутствовал сигналу, зеркально отраженному от поверхности, необходима засветка поверхности океана прямыми сигналами, аналогичными (по конфигурации траектории распространения) основному сигналу. Естественно, в формировании реверберационного сигнала участвует поверхность океана, соот-
V
Рис. 4. Фрагменты временной структуры взрывного сигнала (первая четверка элементарных сигналов), принятого и зарегистрированного на расстоянии 52 км от источника. Глубина подрыва заряда 150 м. Глубина расположения приемника 100 м.
Таблица 1. Результаты расчета времен распространения сигнала, отразившегося не зеркально от поверхности океана (ф = const = 0). Расстояние между источником и приемником 98 км
Гл. ист. = 150 м, гл. пр. = 0 м Гл. ист. = 100 м, гл. пр. = 0 м Результирующие:
R1, км 01, град т1, с R2, км 02, „рад Т2, с Д0, град т1+ т2,с Дт, мс
40 13.9889 27.1541 58 18.8024 39.0337 -4.8135 66.1878 65.9
41 14.4167 27.8213 57 18.5422 38.3818 -4.1255 66.2031 50.6
42 14.8279 28.4873 56 18.2830 37.7289 -3.4551 66.2162 37.5
43 15.2164 29.1520 55 18.0253 37.0748 -2.8089 66.2268 26.9
44 15.5909 29.8155 54 17.7693 36.4197 -2.1784 66.2352 18.5
45 15.7790 30.4780 53 17.5144 35.7639 -1.7354 66.2419 11.8
46 15.9300 31.1400 52 17.2617 35.1073 -1.3317 66.2473 6.4
47 16.1248 31.8016 51 17.0124 34.4497 -0.8876 66.2513 2.4
48 16.3419 32.4623 50 16.7684 34.7910 -0.4265 66.2533 0.4
49 16.5722 33.1222 49 16.3304 33.1315 +0.0418 66.2537 0.0
50 16.8106 33.7816 48 16.3013 32.4715 +0.5093 66.2531 0.6
51 17.0550 34.4401 47 16.0868 31.8106 +0.9682 66.2507 3.0
52 17.3042 35.0975 46 15.8973 31.1488 + 1.4096 66.2463 7.4
53 17.5567 35.7540 45 15.7597 30.4868 + 1.7970 66.2408 12.9
54 17.8111 36.4097 44 15.5197 29.8241 +2.2914 66.2338 19.9
55 18.0666 37.0647 43 15.1408 29.1604 +2.9258 66.2251 28.6
56 18.3239 37.7186 42 14.7460 28.4954 +3.5779 66.2140 39.7
57 18.5826 38.3714 41 14.3249 27.8292 +4.2577 66.2006 53.1
58 18.8422 39.0231 40 13.8445 27.1617 +4.9977 66.1848 68.9
ветствующая довольно протяженному участку трассы, расположенному между корреспондирующими точками. Рассчитывались угол падения на поверхность и время распространения сигнала вдоль луча, выпущенного из источника и пришедшего к поверхности (
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.