Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

МГИ

Изменение условий распространения звуковых волн водным потоком

М.М. Дивизинюк

г. Севастополь

Аннотаций

В данной статье анализируются результаты более двухсот экспериментов по обнаружению подводных объектов в водном потоке. Делается вывод о различных условиях распространения звуковых волн вдоль и поперек водного потока.

Ключевые слова: акустические волны, акустические сигналы, акустическое поле, звуковые волны, энергетический потенциал, акустическая энергия, скорость течения, подводный объект, водный поток.

Введение

Звук - это один из основных инструментов, с помощью которого производится обследование водной толщи Мирового океана, выполняются работы по изучению морского дна, осуществляется поиск и идентификация морских объектов.

Интенсивность звуковой волны (акустического поля) - это энергетический параметр, позволяющий судить, на какие расстояния может распространяться звук и, как следствие, будет ли решена с его помощью одна из перечисленных выше задач.

Решением этой проблемы занимаются технические, тактические и географические дисциплины.

Технические дисциплины занимаются параметрами самого гидроакустического средства (рабочая частота, излучаемая мощность, чувствительность преобразователя и др.), характеристиками его носителя (конструкция корпуса судна, установленных на нем механизмов, размещение антенных устройств и др.) и данными о наблюдаемых объектах (их форма и размеры, способность отражать акустическую энергию, шумность и др.) [6].

Тактические дисциплины изучают, каким образом на обнаружение подводных объектов влияют их расположение в водной толще, скорость хода носителя гидроакустического средства, характер его маневрирования и др.

В настоящей работе делается попытка обобщения ранее выполненных исследований по воздействию водного потока - поверхностных течений Черного моря - на условия распространения акустических волн.

Характеристика основного энергетического параметра акустического поля. Выбор оценочного критерия

Распространение звука в неоднородной морской среде описывается двумя методами - с помощью волновой и лучевой теории. На практике, при решении прикладных задач акустической океанологии, используется некое приближение, являющееся комбинацией обоих методов. Чтобы проследить распространение акустических сигналов от источника до объекта, применяются методы лучевой теории; причины рассеяния и поглощения звука рассчитываются с помощью волновой теории.

Интенсивность акустических волн - это рассчитываемая величина, характеризующая распространение звука в водной среде. Под ней подразумевается среднее значение потока акустической энергии через поверхность в 1 см²/с [3].

Интенсивность акустических сигналов при распространении в водной среде уменьшается. Это обусловлено, с одной стороны, расширением фронта звуковой волны, с другой - ее пространственным затуханием, зависящим от физических характеристик среды (таких, как сдвиговая и объемная вязкость, концентрация солей, наличие растворенных газов и т.д.).

Интенсивность акустического поля, формируемого источником звука в однородной безграничной среде, описывается следующей функциональной зависимостью:

, (1)

Где М_а - акустическая мощность излучения, Вт;

К - коэффициент осевой концентрации источника звука;

Д - расстояние между источником излучения и исследуемой точкой пространства, м;

в - коэффициент затухания интенсивности на единицу длины (измеряется в децибелах на км)

В логарифмическом виде [4]:

10Lg(Д) = 10LgМ_L +10Lg К - 10Lg (4П) - 20Lg Д - вД_км. (2)

Слагаемое (в Д_км + 20?g Д), характеризующее убывание интенсивности как вследствие расширения фронта звуковой волны, так и вследствие затухания звука на расстоянии Д, называется затуханием интенсивности при распространении волн или более кратко - потерями при распространении.

Отношение интенсивности звуковой волны в одной из точек пространства к акустической мощности излучения показывает степень уменьшения интенсивности акустического поля в этой точке пространства. Функциональная зависимость, описывающая степень уменьшения интенсивности звуковых волн в каждой точке пространства, называется зависимостью (законом) спада.

В однородной безграничной среде закон спада акустического поля определяется потерями при распространении.

Одним из критериев оценки влияния реальной стратифицированной водной среды на распространение звука является сопоставление зависимостей спада акустического поля в реальной и безграничной однородной среде. Отношение интенсивности акустического сигнала, излученного источником звука в реальной среде, и интенсивности сигнала, излученного этим же источником на таком же расстоянии, но в безграничной однородной среде, называется значением (коэффициентом) аномалии реальной среды.

Функциональная зависимость, описывающая отклонения закона спада акустического поля, называется фактором аномалии среды [3].

На практике, при решении прикладных задач акустической океанологии, дальность действия гидролокаторов находится вычислением трансцендентного уравнения

, (3)

Где Д - искомое расстояние от антенны ГАС до подводного объекта в метрах;

Р_о - акустическое давление, создаваемое антенной ГАС, в Па на расстоянии одного метра;

Р_n - уровень помех работе ГАС в Па, приведенных в полосе 1 Гц, на частоте 1 кГц;

R_э - радиус эквивалентной отражающей сферы в метрах (сила дели);

д - коэффициент распознавания гидролокатора;

в - коэффициент затухания акустических волн (дБ/км).

Записанное в логарифмическом виде уравнение выглядит так:

. (4)

Левая часть этого уравнения описывает закон спада акустического поля в однородной безграничной среде. Правая часть уравнения, заключенная в скобки, называется энергетическим потенциалом гидролокационной станции (Пэ). Значение Д, при котором левая и правая части уравнения равны, соответствует максимальной энергетической дальности гидролокатора. Влияние реальной морской среды аналитически учитывается добавлением в левую часть уравнения дополнительной величины А - фактора аномалии:

10Lg А - 20Lg Д - в Д км = Ѕ П э. (5)

Графическое решение этого уравнения представлено на рис.1.

Фактор аномалии определяется конфигурацией акустического поля, горизонтом наблюдения (глубиной маневрирования подводного объекта), состоянием водной поверхности, рельефа и характером грунтов дна. При неизменности распределения скорости звука в районах исследований, глубин нахождения гидролокатора, ширины его характеристики направленности обеспечивается неизменчивость конфигурации акустического поля.

Рис. 1. Графическое решение уравнения дальности действия ГАС

Постоянство горизонтов наблюдения в этом случае будет обеспечивать постоянство фактора аномалии.

Постоянство энергетического потенциала гидролокатора обеспечивается неизменчивостью его технических характеристик и наблюдением за одним и тем же объектом (неизменной силой цели).

Изменение наибольшей дальности обнаружения подводных объектов при постоянстве фактора аномалии и энергетического потенциала гидролокатора будет свидетельствовать об изменении закона акустического спада в реальной среде.

Другими словами, изменение дальности действия гидролокатора в этих условиях будет показывать, как влияют те или иные географические факторы на условия распространения акустической энергии и интенсивность акустического поля. Именно этот критерий используется для исследования ослабления интенсивности акустических полей водным потоком. В этом случае можно говорить о стационарном (фоновом) состоянии водной среды, которое используется как исходная позиция для изучения процессов, изменяющих условия распространения звуковых волн.

Характеристика Черноморских течений и методика проведения экспериментов

акустический волна поверхностный водный поток

Основными факторами, обуславливающими циркуляцию вод Черного моря, являются ветер, распределение плотности морской воды, речной сток, конфигурация береговой линии и рельефа дна. Схема общей циркуляции поверхностных вод Черного моря, характерная для среднего годового поля плотности морской воды и ветра, представляет собой единую для всего моря систему постоянных замкнутых круговоротов.

Главный круговорот - основное черноморское течение, охватывающее все море замкнутым кольцом шириной от 20-25 до 40-55 км, располагается у материкового слоя и направлено против часовой стрелки. Под влиянием конфигурации берегов и рельефа дна от основного течения отделяются две ветки. Одна ветвь отклоняется от основного течения в районе мыса Чам и идет на северо-восток и далее на север, вновь сливается с основным течением в районе мыса Пицунда. Другая ветвь берет начало в районе мыса Сарыч и, огибая мыс Херсонес, заходит в северо-западную, мелководную часть моря, затем отклоняется на запад и юго-запад и, присоединяя Дунайские воды, сливается с основным течением в районе мыса Калиакра. Скорость течения в среднем составляет 0,6-1,2 узла, а на оси течения увеличивается до 1,4 узла. При сильных ветрах, направление которых совпадает с направлением потока, максимальная скорость достигает трех узлов.

За пределами основного течения, в центральных глубоководных частях моря, располагаются обширные круговороты устойчивой циклонической циркуляции. Скорость течения на их периферии 0,4-0,8 узла, а в центре - 0,2-0,4 узла.

Многочисленными инструментальными наблюдениями и диагностическими расчетами установлено, что общая циркуляция вод Черного моря, по крайней мере, до глубин 1000 метров, имеет однонаправленный характер. В деятельном слое вод скорость течения незначительно изменяется с глубиной. По данным многолетних инструментальных наблюдений в глубоководных районах на горизонтах 75-100 м скорость течения всего лишь на 10-20% меньше поверхностных.

Основное уменьшение скоростей происходит в постоянном галоклине. На горизонтах 200 м они в 3 раза, в слое 500-1000 м почти на порядок меньше, чем на поверхности моря [2].

Особенности ветровых течений состоят в том, что они имеют синоптический характер. Их направление определяется направлением ветра, а скорость - силой ветра и его продолжительностью. Эти течения могут возникать в любых районах моря. Продолжительность их существования - от нескольких часов до нескольких суток. Они охватывают приповерхностный слой толщиной от 5 до 50 метров и более, а их скорость достигает трех узлов [1].

Навигационные комплексы, размещенные на НИС, позволяют определять направление и дрейф судна, а также измерять скорость поверхностного течения с точностью до 5 градусов и 0,005 узла. Особенностью этих измерений является то, что они определяют параметры течения в приповерхностном пятиметровом слое. Учитывая свойства черноморских течений, описанных выше, можно допустить, что параметры течений, измеренные навигационным способом в приповерхностном слое, сохраняются во всем деятельном слое вод.

Методикой проведения экспериментов предусматривались постоянные (с интервалом 20-30 мин) измерения параметров течения и осреднение данных. Полученное значение скорости течения принималось как скорость течения в деятельном слое вод.

Подводный объект погружался и следовал на одном фиксированном горизонте первоначально вдоль оси течения (водного потока), а затем поперек.

Научно-исследовательские суда, оснащенные подкильными и опускаемыми гидролокаторами, сопровождали подводный объект до потери контакта. Зафиксировав дистанцию потери контакта подкильным и опускаемым гидролокатором, НИС изменяло позицию - сближалось с подводным объектом и повторно сопровождало его до потери контакта таким образом, чтобы акустические трассы располагались вдоль оси водного потока. При смене галса подводным объектом НИС изменяло позицию так, чтобы акустические трассы располагались перпендикулярно направлению течения, и сопровождало объект до очередной потери контакта.

Так как сопровождение подводного объекта осуществлялось на кормовых курсовых углах, изменение отражающей поверхности, а следовательно, и энергетического потенциала гидролокаторов во время эксперимента можно считать постоянным. Схема проведения эксперимента показана на рис. 2.

Рис. 2. Схема проведения эксперимента

Результаты экспериментов

По описанной методике в Черном море было проведено более двухсот экспериментов в различных условиях (различные климатические сезоны), при разных скоростях течения, при сопровождении подводных объектов гидролокаторами различного частотного диапазона. На рис. 3 графически представлены результаты 211 экспериментов. По оси абсцисс отложены значения скорости водного потока, по оси ординат - отношение поперечной дальности обнаружения к продольной. Это отношение (коэффициент уменьшения дальности действия) показывает степень уменьшения дальности обнаружения подводных объектов. Оно тем больше, чем выше скорость течения. При скорости течения 0,3-0,5 узла дальности обнаружения уменьшаются на 7-12%. Для скоростей течения 0,8-1,2 узла уменьшение составляет 15-20%. Увеличение скорости до 1,5-2,0 узлов приводит к сокращению дистанции обнаружения подводных объектов на 25-30% при поперечном расположении акустических трасс по сравнению с дальностями, полученными при продольной ориентации трасс [5]. Единственной причиной, объясняющей подобное уменьшение дальностей обнаружения, может быть более быстрое (интенсивное) затухание звуковых волн при их распространении поперек водного потока.

Группирование результатов экспериментов по частотным диапазонам и их последующий статистический анализ позволил получить следующие эмпирические зависимости коэффициентов уменьшения «поперечной» дальности обнаружения.

Рис. 3. Сокращение дальности обнаружения постоянным течением

Для частотного диапазона от 5 до 8 кГц:

К = 0,118 (V - 0,1). (6)

Для частотного диапазона от 10 до 15 кГц:

К = 0,158 (V - 0,1). (7)

Для частотного диапазона от 20 до 60 кГц:

К = 0,196 (V - 0,1), (8)

Где К - коэффициент уменьшения «поперечной» дальности обнаружения объектов,

V - скорость течения (водного потока) в узлах.

Формулы применимы при условии, когда скорость водного потока превышает 0,1 узла.

Выводы

Изменение дальности действия гидроакустических средств, с постоянным энергетическим потенциалом может использоваться для изучения процессов, изменяющих условия распространения акустической энергии. В результате экспериментальных исследований выяснено, что поступательное движение водных масс приводит к ослаблению интенсивности акустических полей. Степень ослабления будет тем сильнее, чем выше частота акустических волн и больше скорость водного потока. При расположении акустических трасс перпендикулярно оси водного потока затухание звуковых волн происходит быстрее, чем при их продольной ориентации. Степень этого затухания пропорциональна скорости водного потока и частоте волн. Механизм ослабления интенсивности акустических полей водным потоком обусловлен, по всей видимости, турбулентными процессами в деятельном слое вод.

Необходимо проведение основных экспериментов по изучению механизма ослабления интенсивности акустических волн водным потоком.

Литература

1. Атлас поверхностных течений Черного моря. М.: ГУ Навигации и Океанографии, 1983. -100 с.

2. Изменчивость гидрофизических полей Черного моря / Под ред. Нелепо Б.А. -Л.: Гидрометодиздат, 1984. -240 с.

3. Матвиенко В.Н., Тарасюк Ю.Ф. Дальность действия гидроакустических средств -2-е издание. - Л.: Судостроение , 1982. -262 с.

4. Дивизинюк М.М, Черноморский подводный звуковой канал. - Севастополь СНИГ, 1997. -104 с.

5. Дивизинюк М.М Акустические поля в Черноморских фронтах и постоянных течениях. - Севастополь СНИГ, 1997. -76 с.

6. Дивизинюк М.М. Крупномасштабная структура Черноморских акустических полей. - Севастополь СНИГ, 1996. -72 с.

Размещено на allbest.ru