Распространение и рассеяние низкочастотного звука на морском шельфе (15.07.2011)

Автор: Кацнельсон Борис Григорьевич

, заменяющей модальную интенсивность имеем уравнение

. Из уравнений диффузионного типа (7) получено, в частности, обобщение усредненных законов спадания в мелководном волноводе с учетом случайных неоднородностей, вызывающих взаимодействие мод. Получены законы изменения модальной и полной интенсивности, а также когерентности излучения по мере распространения звукового сигнала.

), определяющей число распространяющихся мод, показан на рис.3.

, соответствующих вкладу двух конкурирующих механизмов – уменьшению числа мод за счет потерь и увеличению их за счет случайных неоднородностей – имеет место сложный характер перераспределения энергии по модам и, соответственно, различное поведение поля при распространении. В частности, имеет место сглаживание глубинной интерференционной структуры поля по мере распространения (п.3.5).

, соответствующую дискретному спектру:

константа, определяемая их интенсивностью.

, как функция частоты и показателя преломления в дне, показано, что с ростом частоты роль непрерывного спектра возрастает (см. напр. Рис..4).

Рис. 4. Частотная зависимость относительного вклада дискретного спектра

???????

щения и рассеяния на случайных неоднородностях, будем иметь различную направленность шумового поля в вертикальной плоскости (рис.5)

Рис.5. Зависимость интенсивности шума от угла скольжения (, (0 – угол полного внутреннего отражения

. Расчет подтверждает указанное соответствие между данными зависимостями.

В Главе 5 рассматривается теория рассеяния звука на локализованной неоднородности в мелководном волноводе.

В параграфе 5.1 на основе интегрального представления выводятся выражения

на падающее и рассеянное, которое в интегральной форме имеет вид:

, (10)

определяется мощностью источника.

В работе получены формулы, определяющие рассеянное поле, как сумму по волноводным модам, коэффициенты разложения в свою очередь выражаются

есть амплитуда рассеяния неоднородности (рассеивателя) в пустом пространстве. Отметим, что (11) получено вне рамок приближения ВКБ и справедливо для любого соотношения между длиной волны и размерами неоднородности поля скорости звука в волноводе. Приведены условия применимости (11). Например, для частот ~ 100-200 Гц и максимально возможных градиентов скорости звука и глубин ~ 70м максимальные поперечные размеры рассеивателя составляют ~ 10 м. Для некоторых моделей неоднородностей (шара, сфероида), известны аналитические выражения для амплитуды рассеяния в этом случае можно построить точное рассеянное поле в волноводе. В п.5.2 это сделано для жесткого сфероида.

В параграфе 5.3 аппарат интегральных уравнений и функции Грина использован для построения рассеянного поля неоднородности (объекта), расположенного вблизи границы волновода. Показано, что рассеянное поле выражается (подобно (11)) через амплитуду рассеяния на системе неоднородность + изображение от близкой границы. Для модели волновода построено рассеянное поле и проанализировано, каким образом происходит взаимодействие между полем, отраженным от близкой границы, и рассеянным полем.

= 90(, 75( и 60(. Верхний горизонтальный ряд рисунков соответствует глубине приёма 5 м, средний – 20 м и нижний - 40 м.

В параграфе 5.4 развитый аппарат использован для определения поля, рассеянного биологическим объектом (морским млекопитающим), и проведена оценка возможности акустического мониторинга китообразных в шельфовой зоне. В качестве модели использовался мягкий сфероид с размерами 5-25 м (продольный) и 1-3 м (поперечный). Возмущение звукового поля на частоте 300 Гц показано на рис.6. Показано, что несмотря на малый размер объектов и возможную малую мощность излучателя, специальные средства обработки позволяют регистрировать рассеянные сигналы.

В главе 6 работы рассмотрено влияние мезомасштабных неоднородностей (нелинейных внутренних волн, температурного фронта) на распространение звука в мелком море. Нелинейные внутренние волны (НВВ) на шельфе являются одним из наиболее часто встречающихся видов возмущений [10] и причиной флуктуаций звука, при этом наиболее характерными чертами этих возмущений является их пространственная анизотропия и нестационарность. В зависимости от взаимной ориентации акустической трассы и направления движения НВВ играют роль различные механизмы взаимодействия НВВ и звукового поля. Данные особенности могут быть показаны на диаграмме (рис.7), предложенной автором (п.6.1). Источник расположен в начале координат на горизонтальной плоскости, фронты НВВ параллельны оси Х, радиус-вектор, определяющий направление акустической трассы, может находиться в одном из обозначенных секторов. Сектор HF соответствует горизонтальной фокусировке/ дефокусировке, как причине флуктуаций, амплитуда которых может достигать ~ 10 дБ и более. В секторе HR имеет место заметная горизонтальная рефракция, AD – область адиабатических вариаций поля и сектор MC соответствует области, где доминирует взаимодействие мод. Конкретные значения углов перечисленных секторов зависят от ситуации.

волновой фронт внутренних волн

Рис.7. Диаграмма для определения механизмов флуктуаций

. Теория данного раздела подтверждается результатами эксперимента SW06 (схема на рис.8). В частности обработаны и проанализированы результаты измерений на двух акустических трассах, образованных одним источником ВЧ сигналов (2-10 кГц, судно Knorr) и одиночными гидрофонами SHRU1 и SHRU2 почти одновременно принимающими одни и те же сигналы. Эти трассы составляют разные углы с фронтом пакета НВВ, зарегистрированного в данном районе между 15:31 и 17:14 GMT (Время по Гринвичу).

. Показаны три положения НВВ для 15:31, 16:20 и 17:14 GMT. SW - термисторные цепочки.

в спектре.

Другим эффектом, ответственным за флуктуации звука, является горизонтальная рефракция, (п.6.4) проявляющаяся при ориентации акустической трассы под малым углом к фронтам НВВ. В параграфе 6.4 рассмотрены временные флуктуации глубинной зависимости интенсивности сигнала, обусловленные горизонтальной рефракции (эффекты типа фокусировки/дефокусировки излучения в горизонтальной плоскости, предсказанные в работе автора. На основе развитой в гл.1 теории в данной главе проведены расчеты флуктуаций звука, как для модельной ситуации, соответствующей условиям Японского моря, так и по реальным данным эксперимента SWARM’95 [5] и SW06[7]. Указанным эффектом объясняются перечисленные ниже особенности флуктуаций, измеренные в экспериментах [5,6] на трассах длиной 15-20 км:

частота флуктуаций ~ 4-5 циклов в час, что соответствует частоте Брента-Вяйсяля;

синхронность по глубине (увеличение и уменьшение интенсивности имеет место примерно одновременно на всех глубинах).

Характерной является также частотная и модальная зависимости вариаций интенсивности, характеризуемых, например, индексом мерцания (scintillation index, SI).:

, (12)

- добавка к показателю преломления для вертикальной моды l, обуслов-

- угол фронта возмущений с трассой.

Как развитие эксперимента SWARM’95 был поставлен эксперимент SW06 [7], в частности для изучений распространения звука в различных направлениях в присутствие НВВ. В нем акустические измерения сопровождались детальными измерениями параметров среды в большой области в течение длительного времени. Здесь автором получено экспериментальное подтверждение теории фокусировки/дефокусировки в горизонтальной плоскости ( п.6.4).

В п.6.5 в работе рассматривается эффект рефракции (отражения) звуковых сигналов от температурного фронта или переднего фронта НВВ. В этом случае в некоторых областях мы можем наблюдать интерференцию между «прямым» и отраженным от фронта сигналами, определяющую весьма специфическую картину пространственно-временной изменчивости поля. Помимо чисто научного интереса, интерференционные измерения могут дать практические методы измерений параметров мезомасштабных возмущений (скорость и направление движения, положение и величину температурного скачка). Ниже показан пример измерения в SW06 и теоретического анализа нестационарной картины при регистрации отраженного сигнала от переднего фронта движущегося пакета НВВ.

На рис.10 показаны времена прихода первых 6 мод ЛЧМ сигналов (длительность ~ 2 сек, частота 300 Гц, полоса 30 Гц, расстояние примерно 22 км). Видно, что для 4 и 5 мод имеются вторые сигналы, начинающиеся примерно в 21:34, причем время запаздывания (первоначально ~ 0.1 сек ) уменьшается в течение 3-4 минут. Интерпретация данного эксперимента приведена схематически на рис.11, где показаны три положения движущегося фронта НВВ (построенных по данным термисторных цепочек 17 августа, обозначенных SW на рис.8) и соответствующие горизонтальные лучи для 4-й моды. Видно, что примерно в 21:34 появляется второй сигнал в точке приема R, по мере движения траектории соответствующих лучей сближаются и в 21:37 имеет место почти одновременный приход лучей. Отметим, что появление именно 4-й моды соответствует

Рис. 10. Экспериментальные диаграммы интенсивности и времени прихода прямого и отраженного сигналов для первых шести мод (номера на рисунке) в промежутке 21:30-21:37, 17 августа 2006 г. Расстояние между приемником и источником ~ 22 км.

Рис.11. Картины горизонтальных лучей для 4-й моды для трех моментов времени (указаны сверху).1- «прямой» луч, попадающий в приемник, 2 –«отраженный» луч, А- совпадение двух лучей . Положение и форма НВВ показаны на левых панелях


загрузка...