CC BY
58
УДК 534.222.2
ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ВОЗМУЩЕНИЯ МОРСКОЙ СРЕДЫ ОТ ПОДВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ И ИЗМЕРЕНИЕ ИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОСВЕТНЫМИ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ
© 2009 г. В.И. Трасковский, В.В. Харина, М.В. Мироненко, ПА. Стародубцев
Тихоокеанский военно-морской институт Pasific Ocean Naval
имени С.О. Макарова, Владивосток Institute, Vladivostok
Рассматривается природа формирования и характеристики гидродинамических возмущений морской среды (включая образование уединенных волн), сформированных движущимися подводными объектами. Приводятся примеры эффективной регистрации этих возмущений просветными гидроакустическими системами, включающими протяженные многоэлементные антенны. Обосновываются практические пути использования многоканальных просветных гидроакустических систем для контроля морских акваторий.
Ключевые слова: гидродинамические возмущения морской среды; просветный метод в гидроакустике, неоднородности и возмущения в морской среде; просветная акустическая система.
The nature of formation and the characteristic of hydrodynamic indignations of the sea environment (including formation of lonely waves), generated by the underwater phenomena, and also moving underwater objects is considered. Examples of effective realisation of these indignations просветными are resulted by the hy-droacoustic systems including extended multielement aerials. Practical ways of use multichannel просветных hydroacoustic systems for the control of sea water areas are proved.
Keywords: hydrodynamic indignations of the sea environment; transparent a method in hydroacoustics; heterogeneity and indignation in the sea environment; transparent acoustic system.
В последнее десятилетие в научных трудах по гидроакустике большое внимание уделено теоретическим разработкам и экспериментальному объяснению сущности формирования гидродинамических процессов (возмущений) в морской среде от различных физических явлений. Возможными причинами формирования таких возмущений морской среды могут быть мощные подводные взрывы, подземные сейсмические толчки, а также самодвижущиеся подводные аппараты (СПА) различного тактического назначения [1-4]. В соответствии с последними исследованиями и наблюдениями эти возмущения после гидродинамического формирования отрываются от источника возмущений и распространяются далее во все стороны от СПА под воздействием гравитационного поля земли [5-7]; они получили условное название уединенных волн.
Условность заключается в том, что деформация водной среды является несамостоятельной (неотделимой) частью достаточно устойчивой совокупности смещений частиц пограничного слоя воды около СПА и его окружения, а также в том, что вызвавший волну процесс в дальнейшем перемещается внутри этой волны вследствие создаваемой ею (самостоятельно или вместе с другими деформациями) неоднородности среды, и сам как бы сопровождает ее.
Физически это объясняется сопротивлением трения, связанным с вязкостью воды, и колебаниями
суммарной поверхности СПА. Частицы воды, соприкасаясь с СПА, как бы прилипают к нему и движутся вместе с ним. Силы сцепления частиц воды друг с другом меньше, чем с твердым телом, поэтому второй слой воды, расположенный рядом с первым, несколько отстает от него по скорости, как бы цепляясь за него, но постепенно сползая.
Каждый последующий слой будет двигаться по отношению к СПА с несколько меньшей скоростью, чем предшествующий. Интенсивное проявление сил вязкости ограничивается небольшой частью потока, именуемого пограничным слоем. За пределами пограничного слоя силы вязкости утрачивают свою роль. Это генерирует, соответственно, внутренние волны и турбулентные явления за СПА.
Уединенная волна (или волна-спутник) не может быть отнесена к категории малых волн и называться акустической волной, так как в центре такой волны идет постоянное изменение генерирующих сил и, соответственно, смещения частиц (а не их колебания), что превышает пороговый уровень вязкости среды. Для ускорения частиц постоянно происходит смещение слоев стратифицированной жидкости и гидродинамическое воздействие (растяжение и разрыв) на горизонте движения СПА водной среды. Поэтому в однородной среде такая волна является неизотропной, но осесимметричной, так как имеет ось симметрии,
проходящую через центр СПА в направлении его перемещения. Волна может быть представлена и как попеременное (вследствие взаимного запаздывания скоростей и ускорений) перемещение слоев стратифицированной жидкости и упругого перемещения ее деформаций за счет хаотического колебания суммарной поверхности СПА.
Своевременное обнаружение и измерение таких гидродинамических возмущений морской среды является актуальной задачей, связанной с охраной и контролем протяженных акваторий, а также с безопасностью береговых объектов.
За кормой СПА также возникает возмущенная ореольная область (ВОО), включающая в себя нелинейные образования пузырькового, а также турбулентного кильватерного следа. Достаточно большим объемом экспериментальных исследований, в том числе выполненных авторами, установлены следующие закономерности формирования ВОО СПА и других подводных возмущений, которые заключаются в следующем [5-7].
В области возмущений, сопутствующей СПА, можно выделить две наиболее характерные составляющие. Это непосредственно ореольная область и расположенный в ней турбулентный кильватерный след. При этом ореольная область представляет собой соколеблющуюся среду, как инфранизкочастотную уединенную волну.
Эта область при особых условиях, зависящих от скорости хода и глубины погружения объекта, а также характера его маневрирования, формирует уединенную поверхностную волну-предвестника, опережающую источник возмущения на 4-5 км. Ширина волны по горизонтали составляет около двух километров. По своим характеристикам эти волны представляют собой пространственно-временные колебания среды в диапазоне частот доли - единицы герц, которые модулируют амплитудно-фазовую структуру просветных сигналов и могут быть зарегистрированы многоэлементными вертикальными антеннами. Расположенный в ВОО кильватерный след представляет собой вырождающиеся по времени гидрофизические нелинейные турбулентные возмущения среды, порождаемые обтеканием корпуса, вихревыми движениями на лопастях и зарождением пузырьковой фазы. В вертикальной плоскости эта область упрощенно может быть представлена как колеблющийся неоднородный цилиндр с диаметром 4 - 6 км и высотой от 50 до 200 м. Рассматриваемая возмущенная гидродинамическая область в акустическом понимании характеризуется усиленным затуханием, нелинейностью и выполняет функцию пространственного инфранизкочастотного модулятора проходящих сквозь нее акустических волн. Эффект модуляции и затухания проходящих акустических волн многократно проверен и может быть реализован в просветном методе гидролокации с многоканальными системами.
Просветный гармонический сигнал S(t), прошедший через ВОО, представляет собой частотно-модулированное преобразование гармонического
сигнала, которое можно выразить следующей достаточно обоснованной и проверенной математической зависимостью [3]
S(t) = P cos(o0i+Д^ш Qt),
где Р - амплитуда просветного сигнала; ю0 - частота просветного сигнала; Дю0 - девиация частоты просветного сигнала, обусловленная средой; Q - частота флуктуаций ВОО, как колебаний, модулирующих просветную волну.
Эксперимент по обоснованию практических путей регистрации признаков ВОО СПА проводился в шельфовой зоне Японского моря в 1999 г. на акустических трассах протяженностью десятки-сотни километров. Приемное опытовое судно «стояло» на якоре в мелководной части трассы (с глубиной моря около 100 м). С борта судна опускалась многоэлементная антенна из одиночных гидрофонов. Прием и регистрация просветных акустических сигналов осуществлялись многоканально, а анализ информации - в лаборатории судна. Излучающее судно дрейфовало мористее в глубоководной (до 1000 м) точке измерительной акустической трассы. Излучались и многоканально (по горизонтам 50 - 100 м) принимались гармонические сигналы стабильной частоты 400 Гц. Про-звучивание трассы осуществлялось не направленно, на горизонтах оси подводного звукового канала с глубиной залегания около 100 м.
Объект, как источник гидродинамических возмущений и формирования ореольной области, маневрировал в районе исследований и многократно пересекал гидроакустическую барьерную линию (ГАБЛ). Акустическая система в этом случае представляла собой измерительную бестелесную антенну бегущей волны, сформированную просветными сигналами. Обработка измеряемой акустической информации заключалась в приеме и регистрации просветных сигналов на магнитофоне и лентах самописцев. С использованием узкополосного анализатора в реальном масштабе времени выделялись спектральные характеристики огибающей суммарного сигнала (рис. 1). Спектры накапливались для трех характерных моментов маневрирования СПА при пересечении им ГАБЛ: до пересечения (А), после пересечения (В), а также за весь промежуток времени пересечения (АВ), на интервале которых осуществлялось эффективное искажение и преобразование амплитудно-фазовой структуры поля просветных акустических сигналов совместным воздействием гидродинамических, низкочастотных акустических полей СПА и его нелинейным турбулентным кильватерным следом (рис. 1). Совокупность этих полей составляет ореольную область возмущенной среды, которая сопутствует перемещению СПА и модулирует поле сигналов.
На рис. 2 приведен пример записей просветных сигналов, искаженных гидродинамическими возмущениями объекта.
Ц, Дб Гидродинамические волны (кольца) Резонансные колебания корпуса
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 /, Гц
Рис. 1. Спектральные характеристики просветных сигналов, промодулиро ванных гидродинамическими волнами (кольцами) СПА (протяженность просветной линии 20 км, частота колебаний /400 Гц: ис - измеренный гидроакустический сигнал в вольтах относительно порогового уровня в 0,1 Па)
ц, Дб
^ мин
Рис. 2. Уровни просветных сигналов, возмущенных гидродинамической областью СПА (горизонт излучения 75 м; прием сигналов 50, 75, 100 м; протяженность просветной линии 45 км)
При проведении морских экспериментов с СПА наблюдалось, что в отдельных случаях на морской поверхности формируется уединенная волна-предвестник. Однако такие эффекты наблюдались не во всех случаях пересечения объектами ГАБЛ, а, в основном, только на удалениях, не превышающих 3 - 5 км излучающих и приемных систем. Эти случаи соответствуют наиболее точному пересечению центра ГАБЛ, как зоны переноса энергии сигналов (первой зоны Френеля) и эффективной модуляции просветных сигналов в ореольной областью, сопутствующей СПА.
Морской эксперимент с использованием многоканальной (по горизонтам) просветной акустической системы, как пространственной параметрической антенны, позволил реализовать эффективную регист-
рацию пространственно развитой ореольной области самодвижущегося подводного аппарата. Надежно зарегистрировано проявление всех составляющих ореольной области: кильватерного следа, гидродинамических волн (колец) вокруг СПА, которые проявились как в модуляции уровня принимаемых просвет-ных сигналов, так и в спектральных характеристиках огибающей принимаемых сигналов в моменты пересечения прозвучиваемой линии.
Измерения поверхностной гидродинамической волны в соответствии с известными методиками [8, 9] были проведены способом радиолокационного зондирования поверхности. В этих экспериментах были также получены убедительные результаты измерения характеристик поверхностных гидродинамических возмущений для ВОО СПА, в том числе и в условиях их маскировки интенсивным (до двух баллов) волнением поверхности моря.
В заключение необходимо отметить, что сформированные в морской среде движущимся объектом гидродинамические возмущения проявляются в виде пространственно развитых ореольных областей, которые могут быть надежно зарегистрированы низкочастотными просветными системами, содержащими многоэлементные вертикальные приемные антенны. При измерении сформированных гидродинамических возмущений среды просветными акустическими системами надежно регистрируется их пространственно временная амплитудно-фазовая структура, которая проявляется в спектральных характеристиках огибающей принимаемых просветных сигналов, а также при многоканальной (по горизонтам) регистрации уровня просветных сигналов. В спектрах принимаемых сигналов надежно регистрируется наличие гидродинамических волн (колец) и признаки их допле-ровского смещения, обусловленные движением ореольной области объекта. В записях уровней просветных сигналов проявляются как наличие гидродинамических волн (колец), так и искажения сигналов турбулентной и пузырьковой составляющих кильватерного следа.
Литература
1. Доду Р., Эйлбок Д.Ж., Моррис Х. Солитоны и нелинейные
волновые уравнения. М., 1988. 230 с.
2. Казанцев Г.И., Бобылев Б.К. Распространение акустиче-
ских колебаний в поле уединенных волн. Владивосток, 2001. 67 с.
3. Казанцев Г.И., Сенченко А.Г. Отражение акустических волн от гидродинамической волны солитонов // ПМ РЭВ ВТ. Вып. 32, Владивосток, 2001. С. 243 - 247.
4. Гравитационное поле ускоренно движущихся масс / В.И. Короченцев [и др.] // САРАС ВАТИ: сб. тр. ДВГТУ. Владивосток, 2002. С. 26 - 34.
5. Взаимодействие волн различной физической природы в морской воде/ М.В. Мироненко [и др.] // Подводные технологии 2000: сб. тр. междунар. симп. 23-26 мая 2000 г., Япония, Токио. С. 105 - 110.
6. Мироненко М.В., Петроченко С.П., Минаев Д.Д. Измери-
тельные технологии просветного метода гидролокации в решении задач мониторинга и освоения морских акваторий // Акустика океана: Л.М. Бреховских, сб. тр. 9-й школы-семинара «»М., 2002. С. 359 - 364.
7. Мироненко М.В., Мироненко А.М. Метод дальнего пара-
метрического приема акустических волн низкочастотно-
Поступила в редакцию
го и инфранизкочастотного диапазонов. // сб. тр. 11 сессии РАО, Т.2, М., 2000. С. 222 - 226.
8. Теоретические основы измерения параметров морского волнения радиолокационными средствами / И.Е. Ушаков [и др.] // Судостроение за рубежом. 1982. № 12. С. 27 -35.
9. Филлипов А.Г. Многоликий солитон. М., 1990. 288 с.
1 июня 2009 г.
Трасковский Валерий Иванович - преподаватель, кафедра гидроакустики, Тихоокеанский Военно-Морской институт им. С.О. Макарова. Тел. 8(4232)34-07-43. E-mail: [email protected]
Харина Валентина Васильевна - преподаватель, кафедра высшей математики, Тихоокеанский Военно-Морской институт им. С.О. Макарова.
Мироненко Михаил Владимирович - д-р техн. наук, профессор, старший научный сотрудник, Тихоокеанский Военно-Морской институт им. С.О. Макарова.
Стародубцев Павел Анатольевич - д-р техн. наук, профессор, кафедра гидроакустики Тихоокеанский Военно-Морской институт им. С.О. Макарова.
Traskovskiy Valeriy Ivanovich - senior lector, department «Hydroacoustic», Pasific Ocean Naval Institute, Vladivostok. Ph. 8(4232)34-07-43. E-mail: [email protected]
Harina Valentina Vasilievna - senior lector, department «Applied mathematics», Pasific Ocean Naval Institute, Vladivostok.
Mironenko Michail Vladimirovich - Doctor of Technical Sciences, professor, senior staff scientist, Pasific Ocean Naval Institute, Vladivostok.
Starodubtcev Pavel Anatolievich - Doctor of Technical Sciences, professor, department «Hydroacoustic», Pasific Ocean Naval Institute, Vladivostok.
