CC BY
37
Чусов Андрей Александрович
Дальневосточный государственный технический университет (ДВПИ им. Куйбышева). E-mail: [email protected].
690108, г. Владивосток, ул. Артековская, д. 3, кв. 19.
Тел.. +79147315896.
.
Chusov Andrey Alexandrovich
The Far Eastern National Technical University.
E-mail: [email protected].
3-19, Artekovskaya Sreet, Vladivostok, 690108, Russia.
Phone: +79147315896.
Postgraduate Student.
УДК 534.222
Б.А. Сальников, E.H. Сальникова, Л.Г. Стаценко, С.Ю. Кулик
ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ПОДВОДНЫХ АКВАТОРИЙ НАПРАВЛЕННЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ЗВУКА*
Целью работы является анализ взаимодействия акустических полей подсветки в многолучевых подводных волноводах со случайно-анизотропными и локальными неоднородностями поля скорости звука (ПСЗ). Показано, что при произвольном выборе величины углового раскрыва источника приёмной системой, состоящей из одной вертикальной экви-
( ), -ном волноводе (ПВ) на фоне изменяющейся стохастичности ПСЗ. В работе обоснована принципиальная возможность выбора угла раскрыва излучающей системы, позволяющего определить наличие линз в ПВ одной ВЭАР.
Случайно-неоднородные подводные волноводы; стохастическое моделирование; антропогенные нарушения поля скорости звука.
B.A. Salnikov, E.N. Salnikova, L.G. Statsenko, S.Y. Kulik
ECOLOGICAL MONITORING OF UNDERWATER AREAS OF DIRECTED
SOUND SOURES
The given paper's purpose is analysis of interaction of acoustic fields lightings in multi-ray underwater waveguides with random anisotropic and local inhomogeneities of sound velocity fields (SVF). It is shown that when a receiving system containing of one vertical equidistant antenna array (VEAA) arbitrary chooses an aperture angle value of source it is impossible to determine presence of lenses in underwater waveguides (UW) against changing stochasticity of sound velocity fields (SVF). The possibility in principle to choose such aperture angle value of source system which enables to determine lenses presence in UW with one VEAA is proven in the paper.
Randomly inhomogeneous underwater waveguides; stochastic modeling; human disturbance sound speed field.
Исследование влияния океанических неоднородностей на звуковые поля подсветки водной среды - фундаментальная проблема акустики океана. Реальная мор-
* Работа выполнена при поддержке федеральной целевой программы «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» мероприятие 1.2.2 «Проведение научных исследований научными группами под руководством кандидатов наук» (Гос. контракт № 2524 от 20.11.09 г.).
ская среда является комбинацией детерминированных и стохастических структур. Тонкоструктурная стратификация во многом определяет процессы тепломассопе-реноса как в вертикальном, так и горизонтальном направлениях. Антропогенные факторы могут, с одной стороны, деформировать или разрушать её, с другой сто, . стратификации важен как в климатологическом и экологическом отношениях, так и для систем подводного наблюдения за антропогенными нарушениями поля скорости звука [1].
С развитием математических методов расчёта и технических средств исследования распространения звука в реальной океанической среде, а также с появлением мощных компьютеров пришло понимание о необходимости районирования подводных акваторий не только по средним вертикальным распределениям скорости звука, но и по характеристикам тонкоструктурной стратификации [2, 3]. Наибольшую актуальность эта проблема приобретает при выборе мест расположения систем подводного мониторинга различного назначения.
Основная идея косвенных методов районирования подводных акваторий по уровню неоднородности тонкой структуры - случайной компоненты поля скорости звука - заключается в том, что по результатам натурного акустического эксперимента по дальнему распространению определяется режим стохастичности гидрофизических параметров водной среды. Вертикальные распределения акустического поля (ВРАП), полученные в натурном эксперименте, или некоторые характеристики, рассчитанные с использованием экспериментальных ВРАП, сравниваются с расчётной базой данных, для определения соответствия экспериментальных функции ВРАП одному из режимов стохастичности (слабые флуктуации, сильные
).
В [4] приведена физико-математическая модель распространения звука в - ( ), -ном решении уравнения лучевых траекторий в переменном поле скорости звука, полученного непосредственно из принципа Ферма. Для моделирования стохастичности параметров водной среды использован метод Монте-Карло. Результаты численных экспериментов по моделированию распространения звука в СНПВ показали, что по виду и степени искажений вертикальных распределений акустического поля существует принципиальная возможность классификации подводных волноводов по уровню случайной компоненты поля скорости звука. Угол раскрыва источника соответствовал режиму однолучевого приема для детерминированной модели вертикального распределения скорости звука (ВРСЗ) на дискретных вертикальных разрезах, за исключением дальностей в районах заворота
( ).
результаты были получены и для случая многолучевого приёма. Здесь следует отметить, что термины «однолучевой» и «многолучевой» приёмы имеют смысл лишь для детерминированной модели ВРСЗ и используются лишь для того, чтобы указать на исходные параметры численного эксперимента, а именно на величину углового раскрыва источника излучения [5]. В реальных подводных волноводах всегда присутствует случайная компонента поля скорости звука, приём .
Основная трудность районирования подводных акваторий по уровню случайной компоненты поля скорости звука по степени изменения вида функций ВРАП заключается в том, что эти изменения зависят не только от уровня случайной компоненты поля скорости звука ДС“(х,7), но и от расстояния между источни-
ком и приёмной системой, а также от вида вертикального профиля детерминированной компоненты поля скорости звука. На рис. 1 приведены функции ВРАП на границах 4ВЗК на дальностях 103 км (координата границы между центрами ЗНЗК и 4ВЗК) и 116 км (координата границы между центрами 4ВЗК и 4НЗК) в зависимости от уровня ДС“(х,г) для различных угловых размеров источника. Источник расположен на глубине 1700 м, ось подводного звукового канала на глубине 1000 м. Поле рассчитывалось по лучевой программе [4], количество экспериментов для каждого варианта равно 1000.
На рисунках по оси ординат отложена глубина г = Дг-п - текущая координата глубины, Дг = 50 м - интервал усреднения акустического поля по глубине, п = 1^40 -
( ).
Угловой раскрыв источника [±5,0°] соответствует водным лучам, распространяющимся в СНПВ без отражения от дна и поверхности моря. Из анализа результатов численного эксперимента, представленных на рис. 1, следует, что ВРАП на границах 4ВЗК имеют различное количество максимумов, а степень искажения вида функций ВРАП с ростом уровня ДС“(х,г) носит весьма сложный характер, что затрудняет идентификацию информативных признаков влияния тонкоструктурных неоднородностей поля скорости звука на зональную структуру акустических полей подсветки водной среды при различных распределениях детерминированной компоненты поля скорости звука.
Дальность 103 км Дальность 116км
Рис. 1. Динамика изменения функций ВРАП при росте уровня AC^(x,z), угловой раскрыв источника [±5,0 °
На рис. 2 приведены аналогичные зависимости для углового раскрыва источника, соответствующего приосевому угловому излучающему кластеру (ПУИК), который состоит из двух пологих угловых излучающих кластеров, отрицательного , -минированной модели ВРСЗ на дальности 116 км. Величина ПУИК определена по г-ф-0-диаграммам, где г - глубины прихода лучевых траекторий на вертикальный разрез, ф - углы выхода лучей из источника, 0 - углы прихода лучей на вертикальный разрез [5]. ПУИК обладает исключительно полезными свойствами как для исследования фоновой стохастичности подводных акваторий, так и обнаружения антропогенных нарушений ПСЗ. Функции ВРАП при угловом раскрыве источни-
ка, равном ПУИК, на всех дальностях, меньших той, для которой он был определен (в нашем случае это 116 км), всегда имеют не более двух максимумов при любых законах изменения детерминированной компоненты ВРСЗ. При этом для лучей, распространяющихся от дна к поверхности моря (см. рис. 2 - дальность 103 км), происходит засветка зон тени в сторону уменьшения глубин, а для лучей, распространяющихся в сторону дна (см. рис. 2 - дальность 116 км), - в сторону увеличения .
признаком увеличения фоновой стохастичности гидрофизических параметров .
z, м
Дальность 103 км 0,04 0,08
0,12
■0,05м/с ■ ■0,25м/С ■
■0,1м/с 0,5 /
z, м
Дальность 116км 0,04 0,08
0,12
■ 0,25 м/с '
■ 0,5м/с
0
0
Рис. 2. Динамика изменения функций ВРАЛ при росте уровня ЛC (%^), угловой раскрыв источника [- 2,7°; + 2,5 °
Дальнейшие исследования были посвящены анализу степени и вида искажений функций ВРАП антропогенным возмущением поля скорости звука на различных глубинах и дальностях. Антропогенное возмущение моделировалось эллипти-
1 000
100 м. Скорость звука в центре линзы отличалась от опорной на АС=(х, 7) = ±5 м/с, к краям линзы ДС=(г, 7) спадала по параболическому закону до уровня опорной, фоновая стохастичность соответствовала режиму слабых флуктуаций ДС“=0,1 м/с. При раскрыве источника [±5,0°] увеличение стохастичности и наличие линз приводит к одинаковым изменениям вида функций ВРАП. Для приосевого кластера [-2,7°; +2,5°] наличие стохастичности не увеличивает количества максимумов , . Это является надежным информативным признаком обнаружения линзы. Результаты эксперимента приведены на рис. 3, 4.
1 750 ,
650 м, 250 м на дальностях 31 км (координата центра 1НЗК), 41 км (координата 1 2 ), 47 ( 2 ) .
Линза на глубине 1750м 0 0,03 0,06 0,09 0,12
Линза на глубине 650м 0,05 0,1
0,15
0
Рис. 3. Изменение вида функции ВРАП при наличии положительной линзы в подводном волноводе при уровне фоновой стохастичности 0,1 м/с, угловой раскрыв источника [- 2,7°; + 2,5 °]
Дальность 103км Дальность И&ш
0 0,03 0,06 0,09 0,12 0,15 0 0>02 0>04 0>°6 0>08 0>1
Рис. 4. Динамика изменения функций ВРАП при наличии положительной линзы на глубине 250 м на дальностях 103 км и 116 км, угловой раскрыв источника [- 2,7°; + 2,5 °
Проведенные исследования показали, что оптимальным угловым раскрывом источника является приосевой излучающий кластер, величина которого определяется по 7-ф-0-диаграммам в зависимости от расстояния между источником и при.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Гостев B.C., Швачко Р.Ф. Акустические эффекты в океане с тонкоструктурной стратификацией (натурные эксперименты, компьютерное моделирование) // Акустика океана. Доклады XI школы семинара акад. J1.M. Бреховских, совмещенной с XVII сессией Российского акустического общества. - М.: ГЕОС, 2006. - С. 215-219.
2. Гос тев B.C., Швачко Р.Ф. Региональная изменчивость эффекта проникновения звука в зоны тени в океане с тонкоструктурной стратификацией // Акуст. жури. - 2001. - Т. 47, № 5. - С. 623-631.
3. Гостев B.C., Попов O.E., Швачко Р.Ф. Компьютерное моделирование звуковых полей в океане с тонкоструктурными неоднородностями // Акуст. журн. - 2003. - Т. 49, № 6. - С. 778-784.
4. . ., . .
- // -// - . -блем морских технологий. - Владивосток: Дальнаука, 2008. - С. 47-57.
5. . ., . ., . ., . ., . . -
следование зональной структуры акустических полей в многолучевых случайно// .
Ультразвук и ультразвуковые технологии. Атмосферная акустика. Акустика океана. Сб. . XXII
акустике. Т. 2. - М.: ГЕОС, 2010. - С. 210-213.
Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н. H.H. Чернов.
Сальников Борис Александрович
Дальневосточный государственный технический университет.
E-mail: [email protected].
690950, , . , 10.
Тел.: +79242425100.
Ведущий научный сотрудник департамента науки и инноваций; старший научный сотрудник; к.ф.-м.н.
Сальникова Евгения Николаевна
E-mail: [email protected].
Тел.: +79147235843.
К.ф.-м.н.; доцент.
Стаценко Любовь Григорьевна
E-mail: [email protected].
.: +79025246057.
. , ; . .- . .; .
Кулик Сергей Юрьевич
E-mail: [email protected].
Тел.: +79147009359.
Аспирант кафедры радио, телевидения и связи.
Salnikov Boris Aleksandrovich
Far Eastern State Technical University.
E-mail: [email protected].
10, Pushkinskaya Street, Vladivostok, 690950, Russia.
Phone: +79242425100.
Leading Researcher Employee of Department of a Science and Innovations; Senior Scientific Employee; Cand. of Phis.-Math. Sc.
Salnikova Evgeniya Nikolaevna
E-mail: [email protected].
Phone: +79147235843.
Cand. of Phis.-Math. Sc.; Associate Professor.
Statsenko Lubov Grigorievna
E-mail: [email protected].
Phone: +79025246057.
Head of Department of Radio, Television and Communication, Dr. of Phis.-Math. Sc.; Professor.
Kulik Sergey Yurievich
E-mail: [email protected].
Phone: +79147009359.
Postgraduate Student of Department of Radio, Television and Communication.
УДК 534.23
JIT. Стаценко, Д.В. Злобин ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА ПОЛЯ ВЕРТИКАЛЬНОЙ АНТЕННЫ В ОДНОРОДНОМ ВОЛНОВОДЕ*
На основе обобщенной теории выполнено компьютерное моделирование процессов формирования направленного излучения в волноводе для определения оптимальных условий возбуждения и приема придонной волны, которая является особым видом пограничного волнового движения на гранищ раздела вода - морское дно. Показано, что придонная волна является доминирующей в поле донного излучателя. Сделан вывод об эффективности применения донных излучателей монопольного типа для возбуждения придонной волны.
Обобщенная теория нормальных волн; импедансная граница раздела; придонная волна; донный излучатель.
L.G. Statsenko, D.V. Zlobin SPATIAL STRUCTURE OF VERTICAL ANTENNA FIELD IN HOMOGENEOUS WAVEGUIDE
Computer modeling of processes of directed radiation formation in waveguide for definition of optimum conditions of excitation and reception of the subbottom wave is carry out on the base of the generalized theory. The subbottom wave represent a special kind of boundary wave motion water — sea-bottom interface. It is shown, that the subbottom wave is dominating in the field of ground projector. It is drawn a conclusion on efficiency of application of ground projectors of monopole type for excitation of subbottom wave.
Generalized theory of normal waves; impedance interface; subbottom wave; bottom radiator.
Физические явления, обеспечивающие подсветку донного полупространства, могут являться основой для разработки методов и приборов для контроля морского дна. Обобщенная теория нормальных волн в слоистых средах [1] прогнозирует существование придонной волны, которая может быть использована для работы морского томографа [2]. Генерация придонной волны может осуществляться установленной на дно вертикальной антенной с характеристикой направленности монопольного или дипольного типа. Другим следствием обобщенной теории нормальных волн является эффект самофокусировки - появление фокального пятна на оси симметрии в нижнем полупространстве, размеры и глубина которого зависят от положения источника. В образовании фокального пятна основную роль играет
* Работа выполнена при поддержке федеральной целевой программы «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» мероприятие 1.2.2 «Проведение научных исследований научными группами под руководством кандидатов наук» (Гос. контракт № 2524 от 20.11.09 г.).
