Интерференционные инварианты в максимумах гидроакустического поля в глубоком море

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Интерференционный инвариант (ИИ) Чупрова хорошо описывает свойства звукового поля в мелком море. Но вопрос – насколько концепция ИИ Чупрова применима к глубокому морю, где закономерности спадания звукового поля с расстоянием более сложны, – изучен недостаточно. В связи с этим в статье изучены свойства ИИ в ближней и дальней зонах акустической освещенности, а также в зоне тени. Предложено и исследовано новое определение инварианта, проведено сравнение его характеристик с ИИ Чупрова в зависимости от расстояния, глубин приема и излучения, летних или зимних условий распространения. Новый инвариант назван фазо-энергетическим (ФЭИ), поскольку для описания распределения звуковой энергии в пространстве используются ортогональные компоненты градиента фазы. Показаны устойчивость нового инварианта, его независимость от различных влияющих факторов и закономерное изменение с расстоянием в пределах от нуля до единицы. Установлено, что при зимних условиях практически на всех расстояниях ФЭИ равен единице, а ИИ не имеет стабильных значений и изменяется скачками в очень широких пределах. При летних условиях в зоне тени ФЭИ при увеличении расстояния возрастает, как и ИИ, от значений, близких к нулю, до единицы. В ближней и дальней зонах акустической освещенности ФЭИ примерно равен единице, а ИИ в этих зонах как летом, так и зимой характеризуется неограниченными осцилляциями, к которым приводит деление на величину, близкую к нулю. Показано, что определение ФЭИ справедливо и в одномодовых волноводах, и в свободном неограниченном пространстве с диспергирующей средой.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

С. П. Аксенов

Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН

Email: skbmortex@mail.ru
Россия, 119991, Москва, ул. Вавилова, 38

Г. Н. Кузнецов

Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: skbmortex@mail.ru
Россия, 119991, Москва, ул. Вавилова, 38

Список литературы

  1. Чупров С.Д. Акустика океана: современное состояние. М.: Наука, 1982. С. 71–91.
  2. Орлов Е.Ф., Шаронов Г.А. Интерференция звуковых волн в океане. Владивосток: Дальнаука, 1998. С. 8–26.
  3. Грачев Г.А. К теории инвариантов акустического поля в слоистых волноводах // Акуст. журн. 1993. Т. 39. № 1. С. 67–71.
  4. Бреховских Л.М., Лысанов Ю.П. Теоретические основы акустики океана. М.: Наука, 2007. 369 с.
  5. Кузнецов Г.Н., Кузькин В.М., Переселков С.А. Спектрограмма и локализация источника звука в мелком море // Акуст. журн. 2017. Т. 63. № 4. С. 406–318.
  6. D’Spain G., Kuperman W. Application of waveguide invariants to analysis of spectrograms from shallow water environments that vary in range and azimuth // J. Acoust. Soc. Am. 1999. V. 106. № 5. P. 2454–2468.
  7. Kevin L., Cockrell K., Schmidt H. Robust passive range estimation using the waveguide invariant // J. Acoust. Soc. Am. 2010. V. 127. № 5. P. 2780.
  8. Zhao Z., Wu J., Shang E. How the thermocline affects the value of the waveguide invariant in a shallow-water waveguide // J. Acoust. Soc. Am. 2015. V. 138. № 1. P. 223.
  9. Niu H.Q., Zhang R.H., Li Z.L. Theoretical analysis of warping operators for non-ideal shallow water waveguides // J. Acoust. Soc. Am. 2014. V. 136. № 1. P. 53–65.
  10. Song H., Cho C. The relation between the waveguide invariant and array invariant // J. Acoust. Soc. Am. 2015. V. 138. № 2. P. 899.
  11. Thode A., Kuperman W., D’Spain G., Hodgkiss W. Localization using Bartlett matched-field processor sidelobes // J. Acoust. Soc. Am. 2000. V. 107. № 1. P. 278–286.
  12. Emmetiere R., Bonnel J., Gehant M., Cristol X., Chonavel Th. Understanding deep-water striation patterns and predicting the waveguide invariant as a distribution depending on range and depth // J. Acoust. Soc. Am. 2018. V. 143. № 6. P. 3444–3454.
  13. Aksenov S.P., Kuznetsov G.N. A generalized approach to interference invariant of the hydroacoustic field in deep and shallow seas. // Doclady Physics. 2022. V. 67. №. 11. P. 442–446.
  14. Aksenov S.P., Kuznetsov G.N. Determination of interference invariants in a deep-water waveguide by amplitude and phase methods // Phys. Wave Phenom. 2021. V. 29. № 1. P. 81–87.
  15. Аксенов С.П., Кузнецов Г.Н. Амплитудная и фазовая структура низкочастотного гидроакустического поля в глубоком океане // Акуст. журн. 2021. Т. 67. № 5. С. 493–504.
  16. Аксенов С.П., Кузнецов Г.Н. Оценка расстояния до источника в глубоком море с использованием пространственно-частотных характеристик интерференционного инварианта и эффективных фазовых и групповых скоростей // Акуст. журн. 2021. Т. 67. № 6. С. 603–616.
  17. Распространение волн и подводная акустика. М.: Мир, 1980. 229 с.
  18. Акуличев В.А., Безответных В.В., Буренин А.В., Войтенко Е.А., Моргунов Ю.Н. Эксперимент по оценке влияния вертикального профиля скорости звука в точке излучения на шельфе на формирование импульсной характеристики в глубоком море // Акуст. журн. 2010. Т. 56. № 1. С. 51–52.
  19. Моргунов Ю.Н., Голов А.А., Буренин А.В., Петров П.С. Исследования пространственно-временной структуры акустического поля, формируемого в глубоком море источником широкополосных импульсных сигналов, расположенным на шельфе Японского моря // Акуст. журн. 2019. Т. 65. № 5. С. 641–649.
  20. Бреховских Л.М., Годин О.А. Теоретические основы акустики океана. М.: Наука, 1989.
  21. Ainslie M., Packman M., Harrison C. Fast and explicit Wentzel–Kramers–Brillouin mode sum for the bottom-interacting field, including leaky modes // J. Acoust. Soc. Am. 1998. V. 103. № 4. P. 1804–1812.
  22. Cockrell K., Schmidt H. A modal Wentzel–Kramers–Brillouin approach to calculating the waveguide invariant for non-ideal waveguides // J. Acoust. Soc. Am. 2011. V. 130. № 1. P. 72.
  23. Кузькин В.М., Переселков С.А. Интерферометрическая диагностика гидродинамических возмущений мелкого моря. М.: Ленанд, 2019. 200 с.
  24. Кацнельсон Б.Г., Петников В.Г. Акустика мелкого моря. М.: Наука, 1997. 191 с.
  25. Кузькин В.М., Луньков А.А., Переселков С.А. Корреляционный метод измерения частотных сдвигов максимумов звукового поля, вызванных возмущениями океанической среды // Акуст. журн. 2010. Т. 56. № 5. С. 655–661.
  26. Кузькин В.М., Переселков С.А. Восстановление пространственного спектра анизотропного поля фоновых внутренних волн // Акуст. журн. 2009. Т. 55. № 2. С. 193–197.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. 1 – Амплитуда ЗД, 2 – ЭФС, 3 – лучевая аппроксимация ЭФС, 4 – ЭГС, 5 – лучевая аппроксимация ЭГС, 6 – 3000βef, 7 – лучевая аппроксимация 3000β*ef, 8 – уровень 3000βef = 3000 или βef = 1, 9 – c0 = 1500 м/с; f = 345 Гц, r = 0.01–5.6 км, zs = 15 м, zr = 20 м, h = 3417 м, c0 = 1500 м/с. Идеальный волновод.

Скачать (32KB)
Метаданные
3. Рис. 2. (а) – ВРСЗ в районе Северной Атлантики в июне; (б): 1 – амплитуда ЗД и составляющие: 2 – вытекающие моды, 3 – захваченные моды, 4 – водные моды, 5 – цилиндрическое спадание; f = 340 Гц, zs = 105 м, z = 20 м, r = 0.1–60 км.

Скачать (36KB)
Метаданные
4. Рис. 3. 1 – Амплитуда ЗД, 2 – ЭФС, 3 – лучевая аппроксимация ЭФС, 4 – ЭГС, 5 – лучевая аппроксимация ЭГС, 6 – 3000βef, 7 – лучевая аппроксимация 3000β*ef, 8 – уровень 3000βef = 3000 или βef = 1, 9 – уровень c0. Северная Атлантика, июнь, f = 340 Гц, zs = 105 м, z =20 м, r =0.1–60 км.

Скачать (37KB)
Метаданные
5. Рис. 4. (а) – Интерферограмма амплитуды ЗД, Северная Атлантика, июнь, f = 320–360 Гц, zs = 105 м, z = 20 м, r = 0.1–60 км; 1 – БЗАО, 2 – зона тени, 3 – ДЗАО. (б) – Та же интерферограмма со светлыми “контрольными” линиями, наклон которых вычислен по формуле (1), ∂f/∂r = (f/r)β, с подстановкой в качестве β лучевой аппроксимации β*ef = 1/[1 + (2h/r)2] по формуле (9).

Скачать (56KB)
Метаданные
6. Рис. 5. 1 – Амплитуда звукового давления и составляющие: 2 – вытекающие моды, 3 – захваченные моды, 4 – водные моды, 5 – цилиндрическое спадание. Северная Атлантика, июнь, f = 340 Гц, zs = 105 м, z = 155 м, r = 0.1–60 км.

Скачать (37KB)
Метаданные
7. Рис. 6. 1 – Амплитуда ЗД, 2 – ЭФС, 3 – лучевая аппроксимация ЭФС, 4 – ЭГС, 5 – лучевая аппроксимация ЭГС, 6 – 3000bef, 7 – лучевая аппроксимация 3000 β*ef, 8 – уровень 3000bef = 3000 или βef = 1, 9 – уровень c0. Северная Атлантика, июнь, f = 340 Гц, zs = 105 м, z = 155 м, r = 0.1–60 км.

Скачать (37KB)
Метаданные
8. Рис. 7. (а) – Интерферограмма амплитуды звукового давления; Северная Атлантика, июнь, f = 320–360 Гц, zs = 105 м, z = 155 м, r = 0.1–60 км; 1 – БЗАО, 2 – зона тени, 3 – ДЗАО. (б) – Та же интерферограмма со светлыми “контрольными” линиями, наклон которых вычислен по формуле (1), ∂f/∂r = (f/r)β, с подстановкой в качестве β лучевой аппроксимации β*ef = 1/[1 + (2h/r)2] по формуле (9)

Скачать (53KB)
Метаданные
9. Рис. 8. (а) – ВРСЗ в районе Северной Атлантики в феврале; (б): 1 – амплитуда звукового давления и составляющие: 2 – вытекающие моды, 3 – захваченные моды, 4 – водные моды, 5 – цилиндрическое спадание; f = 340 Гц, zs = 105 м, z = 155 м, r = 0.1–60 км.

Скачать (34KB)
Метаданные
10. Рис. 9. 1 – Амплитуда ЗД, 2 – ЭФС, 3 – лучевая аппроксимация ЭФС, 4 – ЭГС, 5 – лучевая аппроксимация ЭГС, 6 – 3000bef , 7 – лучевая аппроксимация 3000b*ef, 8 – уровень 3000bef = 3000 или βef = 1, 9 – уровень . Северная Атлантика, февраль, f = 340 Гц, zs = 105 м, z = 155 м, r = 0.1–60 км.

Скачать (37KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Интерферограмма амплитуды звукового давления; Северная Атлантика, февраль, f = 320–360 Гц, zs = 105 м, z = 155 м, r = 0.1–60 км; 1 – БЗАО, 2 – ДЗАО.

Скачать (22KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024