Модель оптической трассы для регистраторов гидроакустических волн с учетом турбулентности и взвеси Текст научной статьи по специальности «Физика»

МОДЕЛЬ ОПТИЧЕСКОЙ ТРАССЫ ДЛЯ РЕГИСТРАТОРОВ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН С УЧЕТОМ ТУРБУЛЕНТНОСТИ

И ВЗВЕСИ

A.B. Демин, А. Г. Журенков, В. А. Яковлев

Потенциальные возможности гидроакустических средств в значительной степени определяются характеристиками антенн и, в частности, их приемных элементов. По мере расширения перечня задач, решаемых гидроакустическими средствами, и повышения требований к качеству их решения растут требования и к приемным элементам гидроакустических антенн. Именно поэтому как у нас в стране, так и за рубежом ведутся интенсивные исследования по поиску новых принципов и технических средств регистрации тех или иных параметров гидроакустических полей. При этом, помимо высокой чувствительности, на первое место выдвигаются такие важные для потребителей требования к приемным элементам, как высокая надежность, долговечность, стабильность параметров, малые веса и габариты, низкое энергопотребление и т.д. В этом смысле оптические приемники звуковых волн, в частности, оптико-электронные приемные элементы на основе теневого метода, имеют ряд существенных преимуществ перед пьезокерамическими и другими традиционными гидроакустическими приемниками. Определение областей гидроакустики, в которых целесообразно применение оптических приемных элементов, требует выполнения ряда исследований, направленных на разработку принципов их построения и оптимизацию параметров.

В настоящем докладе анализируются сигналы теневых гидрооптических приборов и условия раздельного определения характеристик флуктуаций диэлектрической проницаемости, вызванных акустическими колебаниями, турбулентностью и взвесью в реальных морских условиях.

Анализ проведем в два этапа. Сначала рассмотрим характеристики акустических шумов морской среды, на фоне которых осуществляется прием гидроакустических сигналов.

Как известно, любая гидроакустическая аппаратура чувствительна не только к принимаемым сигналам, но и к воздействиям источников механической энергии, расположенным как на носителе, так и во внешнем пространстве. Энергия этих источников, преобразованная акустической антенной в электрическое напряжение, а также собственные электрические шумы электронных приборов являются помехами, снижающими пороговую чувствительность аппаратуры и приводящими к падению эффективности гидроакустических измерений.

В зависимости от физической природы источников помехи различают ее акустическую, структурную, гидродинамическую и электрическую составляющие. Одним из источников акустических помех приему полезного сигнала гидроакустическими средствами являются шумы морской среды.

Шумы морской среды выступают в качестве естественного поля помех, не поддающегося регулированию и определяющего технически целесообразный предел снижения собственных шумов гидроакустической аппаратуры.

Принята следующая классификация шумов морской среды [1]:

• динамические шумы моря, обусловленные динамикой морских волн и подводных течений, метеорологическими явлениями и естественной кавитацией;

• подледные шумы, связанные в основном с динамикой ледового покрова и взаимодействием его неровностей с ветром и подводными течениями;

• биологические шумы, создаваемые различными представителями морской фауны;

• сейсмические шумы, вызванные тектонической и вулканической деятельностью;

• технические шумы, обусловленные судоходством.

Шумы морской среды различного происхождения характеризуются сплошными спектрально-энергетическими характеристиками. В настоящее время наиболее изученными на основе большого статистического материала являются динамические шумы моря, технические шумы судоходства и подледные шумы, которые, в основном, и используются для прогнозирования уровня акустической помехи морской среды.

На частотах свыше 100-200 кГц доминирующим является тепловой шум морской среды. Спектральная плотность тепловых шумов в указанном диапазоне частот достаточно хорошо аппроксимируется выражением

N (/) = 16рко Та / 2

С2 '

где кб = 1.38-10-23 - постоянная Больцмана, Дж/К; Та - абсолютная температура, К; с -скорость звука, м/с.

Динамические шумы моря, обусловленные ветровым волнением в районе, преобладают в спектре интегральных шумов моря в диапазоне частот от 100 Гц до 50-100 кГц. При этом максимальные уровни этих шумов локализованы в пределах 500-1000 Гц. Как показывают результаты многочисленных исследований для значений скорости ветра 2, 3, 5 и 8 баллов, уровни динамических шумов (в Па и дБ/2-10- Па в полосе частот А/ = 1 Гц) в мелководных районах океана на 2-6 дБ выше, чем в глубоководных районах.

В области частот от 10-20 Гц до 200-500 Гц основным источником шумообразо-вания являются технические шумы судоходства. Учитывая, что в различных районах океана одновременно может находиться разное количество судов, в соответствии с принятой классификацией различают районы

• малого судоходства с плотностью менее 10" судов/км ;

• среднего судоходства с плотностью 10-5-10-4 судов/км2;

• интенсивного судоходства с плотностью 10-4 - 4-10-4 судов/км2;

• плотного судоходства с плотностью более 4-10-4 судов/км2.

На акватории Мирового океана, поверхность которой покрыта ледовым покровом, основными источниками, генерирующими подледные шумы, являются:

• трение льдин друг о друга и их дробление в процессе сжатия ледовых полей (торошение);

• перемещение ветром снега по поверхности ледовых полей.

Для оценки эффективности функционирования направленной гидроакустической аппаратуры существенное значение имеют пространственные характеристики полей акустических помех. На практике поле распределенных помех часто характеризуют угловым спектром интенсивности, показывающим распределение интенсивности шумов, приходящих в точку приема, по угловым пространственным координатам.

Угловой спектр интенсивности шумового поля определяется множеством факторов, к которым относятся: особенности распределение источников поля помех в пространстве; значения глубин моря и размещения приемной системы; особенности распространения звуковых волн в океане, зависящие от распределения скорости звука по глубине, акустических свойств поверхности и дна, а также характеристик затухания звука в конкретной акватории. Учет приведенных факторов позволяет объяснить выявленную на практике существенную анизотропность шумов моря в вертикальной плоскости.

В настоящее время влияние указанных факторов на полевые характеристики шумов моря учитывается в модели, согласно которой океан представляется слоистым волноводом со слоями произвольной толщины и линейно меняющейся в пределах слоя скоростью звука. При этом считается, что все океанологические параметры среды неизменны по акватории и поле шумов моря в горизонтальной плоскости изотропно. Ис-

точники помех из приповерхностного слоя моря, вносящие основной вклад в интегральный уровень шума, моделируются совокупностью равномерно распределенных по поверхности моря статистически независимых направленных излучателей с характеристикой направленности вида К(а)=со^та, где т - постоянная величина, а а - угол скольжения акустического луча у поверхности. Для моделирования рассеяния шумов поверхности океана дном используются «фиктивные» источники, равномерно распределенные по поверхности дна. При этом уровень излучения этих источников определяется долей энергии шума поверхностных источников, рассеиваемой дном. Акустические свойства границ волновода моделируются угловой зависимостью коэффициента отражения звука от этих границ. Интенсивность приходящих в точку приема шумов моря в единице телесного угла определяется в рамках модели суммированием интен-сивностей шумов от бесконечно большого числа участков поверхности и дна, отстоящих друг от друга на расстояниях, определяемых циклами соответствующих акустических лучей.

Полученные с использованием рассмотренной модели угловые спектры интенсивности шумов моря для различных вертикальных распределений скорости звука могут существенно различаться между собой по характеру анизотропии.

В целом, имеющиеся данные по спектрально-энергетическим и пространственным характеристикам полей акустических помех позволяют с достаточной для практики точностью прогнозировать уровень акустической помехи в точке размещения гидроакустической измерительной аппаратуры и эффективность функционирования этой аппаратуры в различных акваториях Мирового океана, гидрометеорологических условиях в широком диапазоне частот.

Перейдем теперь ко второму этапу исследования - собственно анализу возможности регистрации акустических волн на фоне турбулентных флуктуаций показателя преломления. Для этого произведем оценку соотношения вкладов акустических колебаний и турбулентности в сигналы фазовых гидрооптических измерителей флуктуаций диэлектрической проницаемости морской среды на примере теневого прибора с ножом Фуко.

Прежде всего оценим величину флуктуаций диэлектрической проницаемости, обусловленных акустическими колебаниями. Для описания статистических свойств случайной функции е зв (г, I) достаточно установить пригодные для морских условий

соотношения между флуктуациями акустического (звукового) давления р(г, I) и диэлектрической проницаемостью е зв (г, I). С этой целью воспользуемся соотношением

Т7Т+2 =ар(г, I) (1)

е(г, I)+2

где а - удельная рефракция, р(г, I) - плотность морской среды (формула Лорентц-Лоренца [2]). В большинстве представляющих практический интерес ситуаций формула (1) может быть приближенно преобразована к виду

^1 =а-Г1Р0(г,|), (2)

ГЦ«,(г, 1) + 2 М ' ^

3~(г, I)

Го (г, |) + 2]2 ,

где е(г, Ь) ° Г^ (г, Ь) + е (г, Ь), р(г, Ь) = Г0 (г, Ь) + р (г, Ь), причем

|~(г, I) |р(г, I) , ч

<< 1, 1ну ^ << 1. (4)

а-р(г,0°г -,2 , (3)

гео(г, I) ' цро (г, I)

Заметим, что величина а остается практически постоянной как для дистиллированной, так и для морской воды с различными температурами, соленостями и давлениями [2, 3]: а ~ 2-10- м /кг. (1=1в=589.26 нм, Б - линиянатрия).

Воспользовавшись уравнениями линейной акустики (см., например, [5])

р(г,Г) = -р(г,г) = п32в -р(г,г), (5)

ор

где пзв - адиабатическая скорость звука в среде, получим искомое соотношение между флуктуациями акустического давления и диэлектрической проницаемости

\ 3• у2 -р(г,г)

Р(г, г) = Л- V \ . (6)

а^ (г, г)+ 2]2

В связи с большим диапазоном изменения гидроакустического давления (или интенсивности звуковой волны А--Р— ) на практике акустические величины обычно

^1,0 ^зв

измеряются в децибелах К относительно пороговой или эталонной величины р0 (или

Ао)

К, дб = 101ё А = 201§ — , (7)

А0 р0 гдер0 = 2-10-5 Па (А0 ~2,740"16 Вт/м2) [1].

Для обобщенных спектральных характеристик акустических шумов моря (сейсмические шумы, шумы удаленного судоходства, динамические и тепловые шумы и т.д.) величина К меняется в пределах [1] 20 Дб < К < 120 Дб .

Откуда нетрудно с учетом (6) получить оценку дисперсии флуктуаций а зв случайного поля е зв

10-13 < а зв < 10-9 , (8)

т.е. чувствительности современных теневых приборов во многих случаях достаточно для регистрации даже гидроакустических шумов моря [1].

Перейдем теперь к анализу корреляционной функции ВI (т) теневого прибора с ножом Фуко (кромка «ножа» направлена вдоль оси х, ось зондирующего пучка - вдоль оси 2) при наличии в рабочем объеме прибора турбулентности и звуковых волн. Для временного спектра сигнала прибора (ш ) с точностью до несущественного в дальнейшем множителя можно получить

(ш) ° — | ётВ1 (т)ехр (- /шт) — | dqGs (ш, q)

^(д^ )1 • (адх )2 ехр^ а'& '

V 4 0

,(9)

2р ■

где q = {q±, дг} = {дх, ду, дг}, = д2х + д2у, причем для акустических волн справедливо дисперсионное соотношение [4]

азв (ш, q) = 5 [ш - Гзвд - Vоq]Фзв (q) . (10)

Обычно относительная скорость движения прибора и среды вдоль оси зондирующего пучка отсутствует, т.е. У0г = 0 . Кроме того, с точки зрения обеспечения устойчивой регистрации акустических волн оптическое устройство рассматриваемого класса должно надежно отслеживать отклонения (смещения «центра тяжести») зондирующего пучка света в плоскости, перпендикулярной оси пучка. Поэтому естественно (конструктивно просто и апробировано на практике) создание 2-х канального теневого прибора с взаимно-перпендикулярными оптической осью и кромками «ножей». Тогда, подставляя (10) в (9), получаем

^(ш) = (ш) + (и)~ |

2в1п (цЦ2)"

: |

х | dqzq3Lе 4

в

ф зв (q )-

1 _и - узв

q±vo

+ фг (q)-

0

1 _ю/

П 2 2 ^jvo>ql _ш

(11)

Дальнейший анализ выражения (11) был проведен при выполнении условий:

шЬ У0

— >> 1, — << 1 .

(12)

В этом случае, опуская достаточно простые, но громоздкие выкладки, получим оценку сверху

у(и)£ фт(ш/ур)

(ш) фзв(ш/узв)•

(13)

Таким образом, даже без осуществления специальных мер по оптимизации аппаратных функций и методов обработки сигналов, при регистрации достаточно высоко-у

частотных (ш > —/т) акустических сигналов наличием турбулентности можно пре-

уо

небречь. Тем не менее, задачи оптимизации аппаратных функций оптических регистраторов, методов обработки информации и методик постановки экспериментов, несомненно, актуальны, особенно на следующем этапе исследований - выделении полезных гидроакустических сигналов на фоне случайных, в том числе акустических, помех.

Литература

1. Болгов В.М., Плахов Д.Д., Яковлев В.Е. Акустические шумы и помехи на судах. Л. Судостроение. 1984.

2. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М. Нука. 1970.

3. Брамсон М.А., Красовский Э.И., Наумов Б.В. Морская рефрактометрия. Л.: Гидро-метеоиздат, 1986.

4. Ноздрев В.Ф., Федорищенко Н.В. Молекулярная акустика. М.: Высшая школа. 1974.

5. Рытов С.М., Кравцов Ю.А., Татарский В.И. Введение в статистическую радиофизику. Часть 2. М. Наука. 1978.

х

2 2

а 91

У

У

о