CC BY
40
ОЦЕНКА УРОВНЕЙ СИГНАЛОВ, ОТРАЖЕННЫХ СЛОЕМ СКАЧКА СКОРОСТИ ЗВУКА ПРИ ВЕРТИКАЛЬНОМ ЗОНДИРОВАНИИ ПАРАМЕТРИЧЕСКИМ ИСТОЧНИКОМ
С.А. Борисов (ТРТУ, г. Таганрог•}
Океан является вертикально стратифицированной средой, в которой повсеместно, практически на всех глубинах, наблюдаются тонкие слои толщиной от долей до нескольких десятков сантиметров с высоким вертикальным градиентом температуры, солености и, следовательно, скорости звука [1,2]. Слои с такими вертикальными масштабами относят к тонкой структуре океана, называя их иногда микроструктурой [3]. Горизонтальные масштабы тонкой структуры океана п ре вое холят вертикальные в сотни - тысячи раз. Градиент скорости звука в таких слоях может превышать среднее значение более, чем на два порядка, а сами слои - заметно отражагь звуковые волны.
Акустическое зондирование микроструктуры океана позволяет оценивать характеристики тонких слоев скачка скорости звука, изучать их физическую природу и характер взаимодействия гидрофизических полей в океане. Работ, посвященных дистанционному акустическому зондированию слоистых микронеоднородностей океана, сравнительно немного. Причем все эти работы объединяет то, что зондирование слоев осуществлялось в узких диапазонах частот, а чаще - на какой-либо одной частоте. В то же время диапазон изменения физических и геометрических характеристик таких слоев широк, поэтому для их изучения перспективным представляется применение широкополосных акустических параметрических источников звука (параметрических антенн).
Для определения принципиальной возможности лоцирования слоев скачка скорости звука параметрическими антеннами, произведем оценку коэффициентов отражения у таких слоев и оценку возможных уровней обратно отраженных сигналов. Рассмотрим только когерентную составляющую. В этом случае для оценки уровня сигнала можно воспользоваться известным [4] выражением для коэффициента отражения от симметричного слоя скачка скорости звука. При нормальном падении волны имеем:
г - тйГ<Т-<>! --Ф-«и0г + ЦЛ (1)
Г(1о) 2 2 к
где Г(*) - гамма функция; г/р +Ш/ - ¡/2^[Т~ 4в2М,
Б = 2к/т = 1/(0.28 • X) - относительная толщина слоя; М = 1-И , И -коэффициент преломления; от-коэффициент масштабирования; X,¿-длина волны и волновое число (вне слоя); / эффективная толщина слоя (на уровне
0.5 от максимального значения скачка скорости звука в слое).
Симметричный слой скачка скорости звука, так называемый симметричный слой Эпштейна, не является единственно возможной аппроксимаци-
123
ей реально существующих слоев в океане [4]. Однако, в виду того, что в этой модели профили скорости звука на границах слоя являются достаточно гладкими функциями и градиенты скорости звука не имеют разрывов, такая модель представляется, в некотором смысле, наиболее адекватной многим типам физически существующих слоев небиологического происхождения в океане. Вопросы отражения звуковых волн параметрических источников от ступенчатой микроструктуры гидрофизических неоднородностей океана [1], которую можно было бы аппроксимировать переходным слоем Эпштейна, в данной работе не рассматриваются.
Отраженная от слоя скачка скорости звука волна разностной частоты может быть представлена суммой двух волн [5,6]:
Звукокос давление Р_1 характеризует волну разностной частоты, образованную до отражающего слоя, а Р_2 -волну разностной частоты, генерируемую в результате взаимодействия отраженных первичных волн. Назовем условно Р_!~ «линейной», а Р_2- «нелинейной» составляющей звукового давления в отраженной волне. Используя модель параметрической антенны с гауссовским распределением амплитуд на поверхности антенны накачки и учитывая, как это делалось в работе [6], затухание и дифракционную расходимость звуковых пучков, запишем для результирующего звукового давления:
коэффициенты загухания волн с частотами £2,й>, ,й>2, соответственно;
рость звука в ней при отсутствии возмущений; Р0], Р02 - амплитуды звуковых давлений первичных волн на поверхности антенны накачки; £ - параметр нелинейности; а - радиус антенны накачки; У_, V -коэффициенты отражения от слоя скачка скорости звука для разностной волны и волн накачки, соответственно;
Р-*Р.,+Р-2
(2)
ехр(-р‘у)4у
;/? = Д+/?,-/?.;/?.,Д,/?г
1 ,) = Г______________________ехр(-р • у)ау_____________________
2 оО-ІУЛ'мІЇ1* ІУЛм)-і2(2~у)[0- ІуЛ'іііМ+(7+МяУя? ]Л<-
к_ = О/с 0 ; 1'АІ = со,а^/2с0; 1'и2 = (о2а22/2с0;
ехр(-р-у)<іу
124
аи ~а2и + ]2'п^(11.2 Р’ ~ Р] + @2 + Р- ■
При выводе формулы (3) предполагалось, что эффективная толщина слоя скачка значительно меньше величины и, поэтом)', нелинейное взаимодействие волн накачки внутри слоя не учитывалось.
Анализ выражения (I) показывает, что коэффициент отражения зависит от волновой толщины слоя, т е. носит резонансный характер. На рис.1 приведена зависимость (кривая 1, нормированная к своему максимальному значению) модуля коэффициента отражения от частоты сигнала (длины волны) при постояных абсолютной толщине слоя и градиенте скорости звука в нем. Как видно из рис.1, коэффициент отражения от слоя скачка скорости звука максимален при длине звуковой волны, приблизительно в шесть раз большей эффективной толщины слоя. Величина и знак градиента скорости звука не влияет на положение максимума на горизонтальной оси. Фаза коэффициента отражения слабо зависит от волновой толщины слоя и равна приблизительно *(п/ 2) для отрицательных и положительных градиентов, соответственно. Модуль коэффициента отражения линейно растет как при увеличении абсолютной (физической) толщины слоя, так и при увеличении градиента скорости звука. Полоса частот, в которой коэффициент отражения изменяется в пределах уровней 0.707 от своего максимального значения, занимает немногим более 120% и не зависит от градиента скорости звука или толщины слоя. На рис. 1 приведена также зависимость (кривая 2) коэффициента отражения от физической толщины слоя скачка при постоянной частоте
излучения. Максимум коэффициента отражения в этом случае наблюдается при большем соотношении толщины слоя и длины звуковой волны: / « 0.26 • Я . Однако это условие не является условием резонанса слоя скачка, так как здесь частота зафик-Рис.1 сирована. Характер кри-
вой 2 обусловлен влиянием двух конкурирующих факторов: с одной стороны - коэффициент отражения растет за счет увеличения скачка скорости звука при увеличении физической толщины слоя, а с другой стороны - коэффициент отражения падает при удалении от резонансного размера для данной частоты сигнала.
Градиент скорости звука в тонких слоях («прослойках» [1]) может достигать значений в несколько десятков с'1 [2,7]. Поэтому коэффициент отражения на резонансных частотах (т е., когда Я я= 6 ■ I), при изменении толщины слоя от 1см до 1м и градиенте равном, например 30 с’1 , будет принимать
125
значения в диапазоне от /(Г4 до нескольких сотых. При этом резонансная частота для слоя скачка толщиной 1см равна приблизительно 25.5 кГц , а для слоя толщиной 1м - 255 Гц .
Эффективность преобразования энергии волн накачки в энергию волны разностной частоты зависит от отношения частот. Чем меньше это отношение, тем больше амплитуда звукового давления в волне разностной частоты при прочих равных условиях. На практике, в параметрических локационных системах отношение частот выбирается обычно в диапазоне от 3 - 5 до 10 - 20 раз, а сами разностные (рабочие) частоты - от одного-двух до нескольких десятков килогерц. Следовательно, резонансные толщины слоев для параметрических излучателей не будут превышать 20 - 30 см. Анализ выражения (3) при этом показывает, что вклад «нелинейной» составляющей отраженного сигнала пренебрежимо мал по сравнению с «линейной» составляющей и имеет уровни ниже I Па более, чем на три порядка. «Линейная» же составляющая отраженного сигнала в зависимости от характеристик параметрической антенны и расстояния между слоем скачка скорости звука и антенной накачки может иметь уровни в несколько паскаль, что вполне приемлемо для решения задач обнаружения и определения характеристик слоев на фоне естественных гидроакустических шумов.
В качестве примера на рис.2 показаны уровни звуковых давлений в отраженных сигналах в зависимости от расстояния между антенной накачки и слоем скачка (кривая I). Исходные величины здесь были приняты следующие: = 45кГ Ц;
Е = ЮкГц;
1 = 0.04м;
и о 50 юо 150 н,и тах(§гаёнС)= 30с'1 \
Рис.2 Р01-в2 = 4>105Па;
а = 0.75м, На этом же
рисунке приведена зависимость осевого распределения звукового давления в волне разностной частоты - кривая 2 (нормированная к уровню отраженного сигнала). Видно, что расстояния, на которых наблюдаются максимумы звукового давления в волне разностной частоты, распространяющейся в прямом и обратном направлениях, не совпадают. Это объясняется тем, что в отраженной низкочастотной звуковой волне дифракционная расходимость звукового пучка преобладает.
В заключение отметим, что параметрические антенны, благодаря их широкополосности, могут быть использованы для оценки ТОЛЩИНЫ слоя скачка скорости звука, а также величины и знака градиента скорости звука в слое скачка.
126
; п»
ЛИТЕРАТУРА
1. Океанология. Физика океана,Т. I. Гидрофизика океана, под ред. A.C. Мони-на, М. Наука, 1978.
2. Соломатин A.C., Шевцов В.П., Юсупов В.И. Рассеяние звука на тонкой структуре гидрофизических полей в океане. Акуст.журн., 1985, Т.31, вып.6, с.768-774.
3. Бьёрнё Л. Неоднородности и нестабильность распространения звука под водой. В кн.: Подводная акустика и обработка сигналов. М., Мир, 1985.
4. Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. М., 1957.
5. Карабутова И.E., Новиков Б.К., Тарасов С.П. Формирование характеристик параметрического излучателя при наличии отражающей границы. Акуст. .журн.,1981, Т27, вып.З, с.404-410.
6. Борисов С.А. Модель обратного объемного рассеяния акустических сигналов параметрических источников. В сб. трудов X сессии РАО, М., 2000.
7. Матвиенко В.H.. Тарасюк Ю.Ф. Дальность действия гидроакустических средств. Л., Судостроение, 1976.
О ВЛИЯНИИ ПЛАВНЫХ ПРОФИЛЕЙ СКОРОСТИ ЗВУКА ПА АМПЛИТУДУ ЗВУКОВОГО ДАВЛЕНИЯ НА ОСИ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ АНТЕННЫ ПРИ ВЕРТИКАЛЬНОМ ЗОНДИРОВАНИИ ОКЕАНА
С.А. Борисов (ТРТУ, г. Таганрог)
Акустические параметрические излучающие антенны являются эффективным инструментом в изучении Мирового океана. Свойства параметрических антенн для случая их работы в однородной среде изучены достаточно хорошо [I], чтобы можно было получать не только качественные, но и количественные результаты при оценке физических свойств гидрофизических неоднородностей океана, зондируемых параметрическими излучателями. Однако, как известно, океан повсеместно является неоднородной средой, причем, с явно выраженной вертикальной стратификацией [2]. Поэтому для повышения достоверности получаемых результатов, необходимо учитывать влияние пространственной изменчивости акустических свойств океанической среды на характеристики параметрических антенн. Это тем более важно, потому что, в отличие от «обычных линейных», параметрические антенны более чувствительны к изменениям свойств среды распространения, так как формируются они самой средой.
Тем не менее, следует отметить, что, несмотря па большое количество работ, посвященных изучению работы параметрических антенн в неоднородных средах, их основные характеристики еще мало изучены. Это объясняет-
127
