Интерференционная структура низкочастотного звукового поля на океанском шельфе, страница 3

Уменьшение длины антенны приводитк разрушению фокусировки.43100 Гц200 Гц300 Гц3.52.82.6KK32.42.22.59м39 м63 мАнт.221.8(а)1.5051015Δzj, м1.6020(б)0.20.40.6Δf/f0.81Рис.4. Зависимость фактора фокусировки от расстояния между элементами при ОВФ (а) и ототносительной ширины полосы при ВОВ (б), когда используются одиночные приёмноизлучающие элементы на различных глубинах и вертикальная антенна.При ВОВ широкополосных сигналов фокусировка в мелком моренаблюдается и в случае использования одиночного приёмно-излучающегоэлемента (трансивера) (рис.3(в)), что было впервые показано в [4].

В настоящейработе продемонстрировано, что качество такой фокусировки будет близким кмаксимальному, если использовать сигналы с шириной полосы не менее 40 %от центральной частоты (рис.3(в,г) и рис.4(б)).В параграфе 3.2 анализируется влияние ветровых волн на качествофокусировки.Сначаларассматриваетсяфокусировкавизоскоростномволноводе, типичном для зимнего периода.

Если скорость ветра равна 9 м/с, тоотчётливая фокусировка всё ещё наблюдается как для ВОВ (рис.5(в)), так и дляОВФ (рис.5(а)). При увеличении скорости ветра до 12 м/с поверхностные волныпрактически полностью разрушают фокусное пятно, если используется ОВФ(рис.5(б)). При фокусировке ВОВ фокусное пятно не теряет своей целостности,но «размазывается» по волноводу, некоторая локализация звукового поля по15глубине сохраняется (рис.5(г)). Отмеченное ухудшение качества фокусировкихарактерно лишь для мелководного волновода в зимний период времени. Летомиз-за наличия резкого термоклина низшие энергонесущие моды, формирующиефокусное пятно на дальнем расстоянии, не взаимодействуют с верхнейграницей волновода. Это уменьшает влияние поверхностных волн.0.50z, мСкорость ветра 9 м/сK = 2.86609.89.91010.1z, м(в)10r, км9.89.9ВОВ2040609.9(б)20406010.2K = 2.419.8Скорость ветра 12 м/сK = 2.15ОВФ(а)2040110.110.21010.110.2K = 1.87(г)2040609.89.910r, км10.110.2Рис.5.

(а), (б) – то же, что и на рис.3(а), но в присутствии поверхностных волн при скоростиветра 9 и 12 м/с, соответственно. (в), (г) - то же, что и на рис.3(в), но в присутствииповерхностных волн при скорости ветра 9 и 12 м/с, соответственно.В параграфе 3.2 исследуется пространственно-временная устойчивостьфокусировки ВОВ с помощью одиночного обращающего элемента при наличииизменяющегося со временем анизотропного поля фоновых внутренних волн наокеанском шельфе. Полоса частот рассматриваемых сигналов составляет 100300 ГцВремя корреляции реализаций внутренних волн (несколько часов)значительно превышает время распространения звукового сигнала по трасседлиной в несколько десятков километров.

Представляет несомненный интересисследование изменения качества фокусировки с течением времени. Сутьисследования заключается в следующем: приём и обращение сигнала отпробного источника на трансивере происходит в некоторый начальный момент16в присутствии внутренних волн, а излучение обращённого сигнала обратно вволновод осуществляется через некоторые промежутки времени. С течениемвремени излучаемый трансивером сигнал не изменяется, а меняется толькореализация поля внутренних волн.0.50Внутренние волныидут поперёк трассы1Внутренние волныидут вдоль трассыВОВz, мz, мK = 2.97020406080020406080K = 2.810ч9.89.91010.1K = 2.0510.21ч9.89.91010.110.20204060800204060800ч9.89.91010.1K = 1.8310.21ч9.89.9r, км1010.110.2r, кмРис.6. Амплитуда звукового поля в окрестности фокусного пятна, полученного с помощьюВОВ, в различные моменты времени в присутствии внутренних волн.

Полоса сигналов 100300 ГцНапример, на расстоянии 10 км фокусное пятно в присутствии фоновыхвнутренних волн при использовании стандартного временного обращениядержится не более часа (см. рис.6 и 7), что соответствует времени корреляцииреализаций внутренних волн по трассе, затем происходит его сдвиг иразрушение. Однако в некоторый момент времени фокусное пятно может вновьвернуться в исходную точку.

Это наблюдается, когда реализация внутреннихволннатрассехорошокоррелируетсаналогичнойсоответствующей времени первоначальной фокусировки.17реализацией,В связи с небольшим временем «жизни» фокусного пятна для повышенияегоустойчивостипредлагается,отказавшисьотстандартногоВОВ,использовать следующие методы обработки принимаемого сигнала:1.

Адаптивное временное обращение волн, заключающееся в накоплении иусреднении сигнала, принимаемого от пробного источника при различныхреализациях внутренних волн, и его последующем излучении. Недостаткомтакогоподходаявляетсянеобходимостьиметьнаборпредварительноизмеренных передаточных функций в присутствии внутренних волн.2. Обращение сигналов только низших мод. При использовании этогометода формируется фокусное пятно достаточно больших размеров, котороепри возмущениях среды смещается, но все ещё «накрывает» желаемую точкуфокусировки.

В отличие от первого подхода предварительное накоплениеинформации не требуется, необходимо только выделение группы низших модпо времени прихода.Внутренние волныидут поперёк трассыP10.90.90.80.80.70.70.60.60.50.50.4(а)0246t, ч8Внутренние волныидут вдоль трассыP110120.4(б)024временое обращение волнадаптивное обращениеобращение низших мод6t, ч81012Рис.7. Зависимость амплитуды в точке первоначальной фокусировки от времени приразличных вариантах обращения.Результаты моделирования свидетельствуют об увеличении устойчивостифокусировки, используя предложенные методы обработки сигналов (рис.7).18909011200.8600ч0.615015018002100210300903302403002709010.8601ч1801500210600.80.6300.40.2300.40.218033024011200.6150300.40.2270120601803302400.80.6300.40.211200210300330240270300270временное обращение волнадаптивное обращениеобращение низших модРис.8.

Азимутальная зависимость амплитуды сфокусированного звукового поля в различныемоменты времени. Стрелками на верхних рисунках обозначены направления на пробныйисточник для правой и левой колонки с рисунками. Внутренние волны распространяются внаправлении, определяемом углом 90°. Расстояние до трансивера 10 км.Фокусноепятноприналичиивнутреннихволнтакжеявляетсянеустойчивым и в пространственной области: азимутальное распределениеамплитуды сфокусированного поля значительно отличается от окружности,которое имеет место в неоднородном волноводе (рис.8). Угловая ширинафокусного пятна при стандартном обращении совпадает с угловым радиусомкорреляции реализаций внутренних волн.

При использовании адаптивногообращения времени и обращения только низших мод фокусировка имеет местопрактически по всей окружности, но амплитуда сфокусированного поля в этомслучае обычно несколько меньше.19Параграф 3.3 посвящён оценке флуктуаций фазы сфокусированного спомощью ОВФ звукового поля, вызванных короткопериодными (< 1 ч)фоновыми внутренними волнами и ветровым поверхностным волнением.Показано, что изменение фазы P звукового поля с расстоянием вфокусном пятне пропорционально изменению расстояния r P  ( / c )r ,(3)как это имеет место в плоской волне, что может быть использовано дляизмерения малых вариаций длины стационарной акустической трассыфазовыми методами.

Здесь  – круговая частота излучения, c – средняяскорость звука в волноводе.0.4зималето (все моды)лето (донные моды)лето (донно-поверхностные моды)sΔθ, рад0.30.20.101234567Скорость ветра, м/с8910Рис.9. Среднеквадратичное отклонение фазы в точке фокусировки в зависимости отскорости ветра и модового состава.Демонстрируется, что для звукового поля на частотах в несколько сотенгерц фазовые флуктуации в точке фокусировки не превышают ±π при длинетрассы несколько километров и могут быть измерены на фоне типичных длямелкого моря акустических шумов. Например, среднеквадратичное значениефлуктуаций фазы в присутствии короткопериодных внутренних волнах, придлине трассы 5 км и частоте 250 Гц составляет 0.034 рад. Результаты дляповерхностных волн, отвечающих различным скоростям ветра, представленына рис.9.

Величины этих флуктуаций могут быть уменьшены примерно в двараза за счёт обращения сигналов, отвечающих только донным (для ветровыхволн) или донно-поверхностным (для внутренних волн) волноводным модам.20Притакихмалыхотносительныефлуктуацияхвариациидлиныоказываетсястационарнойвозможнымакустическойизмерятьтрассысточностью не хуже 1 м при скорости ветра не более 10 м/с и типичнойинтенсивности фоновых внутренних волн.В Главе 4 рассматриваются смещения интерференционной структурызвукового поля в частотной области в мелком море под действием различныхгидродинамических возмущений. Анализируются возможности мониторингавозмущений по этим смещениям.В параграфе 4.1 развита корреляционная теория частотных смещенийинтерференционных максимумов звукового поля в случайно-неоднородноммелководном акустическом волноводе с анизотропным полем возмущений.Показано, что временной энергетический спектр частотных смещений G испектрфлуктуацийдисперсионнойхарактеристикиволноводаGпропорциональныG  ( g  r ) 2 G(4)|krr/2| << 1.(5)при условииЗдесь r – длина акустической трассы, g – некоторые постоянный множитель,зависящий от параметров невозмущённого волновода, kr – проекция волновогочисла внутренних волн на направление трассы.Впараграфе4.2предлагаетсяметодикаодновременнойоценкиинтегральных характеристик баротропного и бароклинного приливов почастотным смещениям, отвечающим разным группам мод.

Для мониторингабаротропного прилива используются частотные смещения высших (донноповерхностных)мод,достигающихверхнейграницыинаиболеечувствительных к её изменениям, а для бароклинного – частотные смещениянизших (донных) мод, бриллюэновские лучи которых рефрагируют в толщеволновода и которые хорошо «чувствуют» внутренние волны. Обнуляя прикорреляционнойобработкесигналы высших21мод и вычисляяспектрполучающегосясигнала,удаётсявыделитьвчастотнойобластиинтерференционную структуру, соответствующую только донным модам.Аналогичнымобразом,исключаясигналынизшихмод,получаетсяинтерференционная структура, отвечающая только донно-поверхностныммодам.0.501120f, Гц(а)11010090частота,f, Гц Гц120120(б)11011010010090Frequency,f, Гц Hz90100120120120140160180200220время, ч240200220200220Time,ht, ч240240260280300(в)1101101001009090100120120140140160160180180260260280280300300Рис.10.