Интерференционные инварианты в максимумах гидроакустического поля в глубоком море

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт 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