ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2014, том 456, № 1, с. 106-110
= ОКЕАНОЛОГИЯ
УДК 551.465:551.463.2
ФЛУКТУАЦИИ ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ АКУСТИЧЕСКИМИ ШУМАМИ ОКЕАНА © 2014 г. В. И. Бабий, А. А. Родионов
Представлено академиком Р.И. Нигматулиным 31.10.2012 г. Поступило 22.04.2013 г.
БОТ: 10.7868/80869565214130155
В работе рассматривается влияние низкочастотного акустического шума океана на флуктуации гидрофизических полей морской среды. Получены оценки спектральных уровней флуктуаций полей температуры, скорости звука, электропроводности, показателя преломления света, обусловленных собственными шумами океана в диапазоне от 0.1 до 100 Гц. Учет этих дополнительных флуктуаций важен при анализе физической природы гидрофизических процессов, разработке методов их регистрации и выделения, создании новых морских измерительных комплексов.
В системе наук о Земле гидротермодинамика и гидроакустика являются составными взаимосвязанными разделами океанологии [1]. В традиционных схемах научных и прикладных исследований в гидроакустике гидротермодинамические процессы в океане учитывают при описании канала распространения акустических волн. При этом гидродинамическое устройство океана рассматривают как фон для распространения звуковых волн. В более общем случае возможна передача энергии от акустических мод процессов к гидротермодинамическим и наоборот [2, 3]. Вместе с тем вопрос о фоновой акустической модуляции естественных гидрофизических полей в океане остается открытым. Поэтому представляет теоретический и практический интерес оценка уровней флуктуаций параметров гидротермодинамического состояния морской среды, обусловленных подводными акустическими шумами океана, которые определяют минимальные уровни этих флуктуаций [4—6]. Для получения таких оценок условно рассмотрим композицию двух моделей морской среды [1]:
первая — модель безмолвного (не шумящего) океана, описываемого уравнениями гидротермо-
Морской гидрофизический институт Национальной академии наук Украины, Севастополь Санкт-Петербургский филиал Института океанологии им. П.П. Ширшова Российской Академии наук
динамики несжимаемой жидкости, где отсутствуют звуковые поля;
вторая — модель шумящего океана, описываемого волновыми уравнениями сжимаемой жидкости.
В реальных условиях все гидротермодинамические процессы в океане протекают на фоне акустических процессов (шумов). Источники звуковых полей океана подразделяют на источники естественного и искусственного происхождения, находящиеся как в толще вод, так и на границах (дно, поверхность, берега). Сведения о подводных акустических шумах океана различной природы в широком диапазоне частот изложены в работах [7—11].
В высокочастотной области спектра (более нескольких сотен килогерц) повсеместно преобладают объемные тепловые молекулярные акустические шумы [7]. Их интенсивность определяется только абсолютной термодинамической температурой среды. С одной стороны, тепловые шумы естественным образом ограничивают пороговую чувствительность гидрофизических и гидроакустических средств измерения, а с другой, позволяют решать обратные задачи пассивной акустической теплолокации (термометрии) [12].
В низкочастотной области спектра (менее 100 Гц) интенсивность подводных акустических шумов резко возрастает [8—11], что вызывает низкочастотную модуляцию гидрофизических полей [4, 6]. Этот эффект приводит, наряду с естественными гидротермодинамическими флуктуациями параметров гидрофизических полей (согласно первой модели), к дополнительным флуктуациям параметров состояния морской среды (согласно второй модели). При этом минимальный уровень флуктуаций параметров состояния морской среды не может быть меньше уровня флуктуаций, определяемого собственными акустическими шумами океана. Оценим количественно спектры и дисперсии этих флуктуаций для некоторых параметров гидротермодинамического состояния морской среды.
В рамках бинарной модели морской воды как двухкомпонентного раствора (чистая дистиллированная вода + квазиоднородная соль) любой скалярный параметр X ее термодинамического состояния является функцией трех первичных гидрологических параметров: температуры Т, солености S и давления P: X = X (Т, S, P). Поскольку теоретический вывод уравнения состояния морской воды отсутствует, эти функциональные зависимости получают эмпирически и постоянно уточняют (см., например, новое международное термодинамическое уравнение состояния морской воды TEOS-IO (UNESCO)).
При исследовании малых флуктуаций dX гидрофизических полей можно использовать линеаризованные уравнения состояния, поскольку dX ■ X. Поэтому при оценках флуктуаций параметра Х ограничимся первыми производными соответствующих уравнений:
dX = dXdT + dXdS + dXdP, dT dS dP
где частные производные являются функциями
средних значений параметров T, S, P.
В акустической волне малой амплитуды процесс протекает адиабатически. Следовательно, для таких волн, полагая dS = 0, можно записать следующее выражение временных флуктуаций параметра Х:
dx (t) = dTdT (t) + dPdP (t) =
01 dP
Х(0 через спектр звукового давления Бр( /) акустических шумов океана:
дХ\
dPa (t),
среднее значение которого равно нулю;
((х) (дт) (1)
\дР!т\dPJs,п_ где Ра(1) — звуковое давление в акустической волне,
(-) -
\dPls ,ц
адиабатический барический градиент температуры; п — энтропия, I — время.
Выражение в квадратных скобках в (1) есть
АХ к ,
производная — , необходимая для расчета флук-
АРа
туаций параметра Х по звуковому давлению Ра(1).
Заметим, что производная |—) входит во все
\dPls ,ц
выражения для вычисления флуктуаций любого параметра термодинамического состояния от Ра(1). Она равна нулю, когда коэффициент температурного расширения равен нулю и адиабатическая сжимаемость равна изотермической [4].
Оценим вклад во флуктуации параметра Х, обусловленный акустическими шумами океана. Полагая, что элемент объема морской среды озвучивается суперпозицией звуковых волн, приходящих с различных направлений, легко выразить спектр временных флуктуаций параметра
Sх (f) =
2
dPa
Sp (f).
(2)
Располагая спектром Бх( /) и интегрируя его в заданной полосе частот (/1, /2), находим дисперсию флуктуаций а X и среднее квадратическое отклонение стх гидрофизического параметра Х согласно выражению
/2 ( АУ \ 2 /2 а 1(/у, /2) = I" = [ Бр(/)А/. (3)
/1 У а} /1
Здесь, например, при измерениях частота /1 ——,
Tn
fo
N
частота /2 < ^, где Тм — продолжительность реализации (выборки), /0 — частота дискретизации. Как правило, частота/ составляет единицы—десятки, а в некоторых случаях и сотни герц. Поэтому всегда выполняется условие /1 ^ /2.
Из выражений (1)—(3) следует, что для расчета указанных выше флуктуаций параметров состояния и их статистических характеристик необходимо знание спектров подводных акустических шумов и частных производных — адиабатических барических градиентов соответствующих параметров термодинамического состояния морской среды.
В табл. 1 приведены абсолютные и относительные значения адиабатических барических градиентов параметров температуры Т, скорости звука С, удельной электрической проводимости х, показателя преломления света п, плотности р морской воды при Б = 35 епс (единиц практической солености) [4, 6]. Эти оценки барических градиентов нужны для вычисления эквивалентных флуктуаций параметров состояния, расчета спектров и дисперсий этих флуктуаций согласно выражениям (1)—(3), а также для ранжирования влияния акустических шумов на гидрофизические поля. Наряду со скоростью звука адиабатические барические градиенты термодинамических параметров состояния морской среды — это звенья цепи, связывающей гидроакустику и гидрофизику [1, 6].
На рис. 1 в одинаковом масштабе изображены экспериментально полученные обобщенные спектры звукового давления шумов океана в низкочастотной области по данным работы [10]. Точками и мелкими штрихами на рисунке выделены области изменчивости уровня шума, вертикальной штриховкой (рис. 1б) обозначена область линейчатого спектра шума, обусловленного излучением судовых движителей. Наблюдаемые максимумы на
Таблица 1. Барические градиенты некоторых параметров состояния морской воды
Параметр Абсолютное значение Относительное значение, 10 10 Па 1
Температура Т, К = (0.3-1.8) • 10-8 К/Па Т-1 — = 0.1-0.6 Р
Скорость звука С, м/с ^ = 1.7 • 10-6 м/(с • Па) дР С-1 ^ = 10-12 Р
Электропроводность х, См/м = 1 • 10-7 См/(м • Па) Х-1 & = 8-12 Р
Показатель преломления п дп = 1.3 • 10-10 (Па)-1 дР -1 дп , п 1 — « 1 Р
Плотность р, кг/м3 = 4.4 • 10-7 кг/(м3 • Па) р-1 & - 4.3 Р
частотах десятки герц вызваны шумами судовых механизмов.
Приведенные графики 1—3 - это усредненные (интегральные) шумы дальнего судоходства, приходящие в точку наблюдения с обширных акваторий. В инфранизкочастотном диапазоне от 0.1 до 1 Гц существенный вклад в акустический шум океана вносят сейсмические шумы Земли, спектральная плотность которых возрастает с уменьшением частоты [7—11]. Наблюдаемые в этом диапазоне максимумы на спектрах акустических шумов океана обусловлены фильтрующими свойствами океанского волновода, не пропускающего звуковые колебания ниже граничной частоты. Так, для модели двухслойной среды (вода—дно) наибольшая граничная длина звуковой волны, соответствующая наинизшей моде, определяется приблизительно выражением
^ гр = 4Н
1 -
С
С
л2'
д/
0.5
где Н - глубина океана, С - скорость звука в воде, Сд — скорость звука в дне [10]. Штриховой кривой на рис. 1б обозначен спектр подледного шума в море Бофорта. Спектры акустических шумов представлены в децибелах (дБ) относительно уровня 1 (мкПа)2/Гц. Эти спектры пересчитаны в спектры флуктуаций параметров состояния морской среды Т, С, х, п согласно выражению (2) посредством барических градиентов, приведенных в табл. 1. На рисунке слева от графиков нанесены шкалы эквивалентных спектральных плотностей флуктуаций для непосредственно измеряемых гидрофизических параметров Т, С, х, п.
Как видно, наибольшее влияние акустический шум оказывает на гидрофизические поля скорости звука С и удельной электрической проводимости х (см. также относительные б
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.