Взаимодействие потоков энергии акустических полей в океаническом волноводе

ВВЕДЕНИЕ
В двадцатом столетии, особенно во второй его половине, акустика океана развивалась чрезвычайно интенсивно, о чем говорят многочисленные пуб-у ликации и научные конференции по данной тематике. Необходимо отмстить две фундаментальные коллективные монографии, имеющие одинаковые названия «Акустика океана», которые характеризуют уровень современной подводной физической акустики. Первая - «Акустика океана» написана ведущими советскими учеными, выпущенная издательством «Наука» в 1974 г. под редакцией Л.М. Бреховских. Вторая - «Ocean Acoustics» (Edited by J.A. De Santo) написана группой ведущих американских специалистов (русский перевод: «Акустика океана», издательство «Мир», 1982 г., под редакцией проф. Кравцова Ю.А.). Как отечественная, так и переводная «Акустика океа-• на» до настоящего времени не утратили своей актуальности и определяют
уровень современной подводной акустики, основанной на измерении скалярной величины акустического давления.
В данной диссертации излагаются обнаруженные автором в глубоком открытом океане и его прибрежных зонах физические явления, связанные с ‘ векторным характером акустической интенсивности. Естественно, что подобные явления не обсуждаются ни в отечественной «Акустике океана», ни в переводной «Ocean Acoustics».
Следует отметить также две значительные отечественные монографии в области векторной акустики. Первая - «Векторно-фазовые методы в акустике» (Гордиенко В.А., Захарова Л.Н., Ильичева В.И. издательство «Наука», 1989 г.); вторая - «Комбинированные гидроакустические приемники» (Скребнев Г.К., издательство «Элмор», 1997). В работе «Векторно-фазовые методы в акустике» обсуждаются общие принципы векторно-фазового метода и ранние исследования в данной области. Книга «Комбинированные гидроакустические приемники» является уникальным пособием по расчету и
2
конструированию комбинированных приемников. В зарубежной научной литературе подобных изданий не существует.
К настоящему времени проведено значительное число как экспериментальных, так и теоретических исследований по векторным характеристикам акустического поля океана, но они разбросаны по различным изданиям и не систематизированы. В данной диссертации приведена часть результатов многолетних исследований автора. Полностью они изложены в монографии «Векторная акустика океана». По мере необходимости результаты исследований других авторов также будут обсуждаться в данной диссертации, в первую очередь это относится к работам В.А. Киршова и G.L. D'Spain et al.
Актуальность научного направления
В диссертационной работе развивается направление подводной физической акустики - векторная акустика океана. Основа становления нового научного направления в современной подводной физической акустике обусловлена векторной природой акустической интенсивности. Описание аку-
стического поля (например, поля подводного окружающего шума), связанное с использованием только акустического давления (на основе скалярной интенсивности), неполно, поскольку не учитывает тех свойств акустического поля, которые могут вытекать, из векторной природы акустической интенсивности. ~ 4 ^
Известно, что для полного описания движение жидкости необходимо знание следующих величин: трех компонент вектора скорости жидкости и каких-либо се двух термодинамических величин, например давления и плотности (Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. «Гидродинамика», 1986 г.). В случае акустики достаточно знание четырех физических величин: трех ортогональных компонент вектора колебательной скорости частиц среды и акустического давления. При измерениях четырех компонент акустического поля существует возможность исследовать не только вектор интенсивности, но и ряд других характеристик акустического поля, например плотности кинетической и
3
потенциальной энергий, диффузные и когерентные свойства поля, разностнофазовые соотношения, поляризацию вектора колебательной скорости, определять направление на источники звука из одной точки наблюдения и т. д. За рубежом такие исследования получили название метода измерения акустической интенсивности. В отечественной научной литературе эта область исследований называется векторно-фазовым методом, что отражает только технологическую направленность исследований. Логично данное направление физической акустики называть векторной акустикой, что и предлагает диссер-\У таит.
Экспериментальные работы, выполненные до 1980 г. в области векторной акустики (Ржевкин С.Н., Захаров Л.Н., Киршов В.А.), проводились в основном в мелких пресноводных водохранилищах с илистым дном. Ранние образцы комбинированной измерительной техники были созданы диссертантом в 1978-1980 гг. Они позволили проводить исследования в глубоком открытом океане и прибрежных зонах.
Актуальность, диссертационной работы заключается прежде всего в том, что при исследовании векторных свойств подводного окружающего шума в океане были обнаружены акустические явления, обусловленные векторным характером акустической интенсивности и ранее не известные, например, компенсация интенсивности встречных потоков энергии окружающего шума и сигнала; горизонтальный поток энергии динамического шума и его связь с поверхностным волнением и т. д. Появляются новые возможности для создания более эффективных инфразвуковых и низкочастотных помехоустойчивых систем для акустического мониторинга океана на основе обнаруженных явлений. Таким образом, оказалось, что там, где для исследований требуются длинные гидрофонные антенны, можно обойтись одиночным точечным приемником, который способен, кроме того, указать направление на источник звука.
Исследование процессов локализации и движения акустической энергии (например подводного окружающего шума) в океаническом волноводе с
помощью вектора интенсивности является более оптимальным и достоверным по сравнению с исследованиями скалярной интенсивности.
Необходимо отметить, что современный прогресс в области векторной акустики непосредственно был достигнут также благодаря развитию цифровых методов обработки многоканальной акустической информации.
Актуальность и необходимость появления данной работы заключается также в том, что в ней собрано диссертантом с 1978 по 2002 г. значительное количество информации о векторных свойствах акустических полей окружающего подводного шума, ранее не обсуждавшихся в научной литературе.
~~~ Общеизвестно, что исследования в области векторной акустики в настоящее время мало распространены. Результаты, приведенные в данной диссертации, их актуальность, несомненно, обратят большее внимание современных исследователей к данной области подводной акустики.
Цели и задачи исследований
Целью исследований является выяснение механизма взаимодействия потоков энергии акустических полей различных источников, выяснение связей между акустическим давлением и компонентами колебательной скорости в акустических полях сигнала и окружающего подводного шума и связь этих параметров с процессами локализации и переноса акустической энергии в океаническом волноводе.
Задачи, которые были решены при проведении исследований в 1978-2002 гг. в Тихом и Индийском океанах и их окраинных морях, могут быть положены в основу нового направления в современной подводной физической акустике - векторную акустику океана.
Выполненные задачи формулируются в виде проведенных законченных исследований:
1. Установление фундаментальных связей между акустическим давлением и компонентами колебательной скорости частиц среды в акустических
5
полях для следующих случаев: подводного окружающего шума, шума и тонального сигнала, шума и тонального импульсного сигнала.
2. Определение роли процессов перерассеяния первичного шумового поля на взволнованной поверхности океана в формировании потоков энергии динамического шума в океаническом волноводе.
3. Описание механизма взаимодействия пересекающихся потоков энергии акустических полей в океаническом волноводе.
4. Постановка проблемы определения характеристик поверхностного волнения по статистическим характеристикам потоков энергии, сформированных рассеянными на взволнованной поверхности акустическими полями динамического шума, или непрерывного тонального сигнала, или тонального импульса.
5. Построение теории помехоустойчивости одиночного комбинированного приемника в диффузных или когерентных шумовых полях при мультипликативной обработке на основе натурных данных.
6. Создание техники и методологии комбинированных акустических измерений в диапазонах инфра- и низкого звука на основе донных измерительных систем и свободнодрейфующих телеметрических автономных комбинированных измерительных систем как для районов прибрежных зон, так и для районов глубокого открытого океана.
Научная новизна
Полученные в научных исследованиях результаты в своем большинстве являются оригинальными; экспериментально доказано существование новых ранее неизвестных процессов, протекающих в акустических полях, проведено их теоретическое объяснение; разработанные в период с 1978 по 1988 г. и используемые в 1978-2002 гг. в натурных исследованиях измерительные свободнодрейфующие телеметрические комбинированные системы также являются оригинальными и не имеют аналогов по настоящее время; в результате проведенных экспериментальных и теоретических исследований
сформирован круг задач, представляющих собой новое направление в современной подводной акустике.
Экспериментально обнаружены и теоретически объяснены следующие ранее не обсуждавшиеся в научной литературе фундаментальные физические явления:
■■ горизонтальный поток энергии подводного окружающего динамического шума; исследованы его характеристики и их связь с характеристиками ветрового поверхностного волнения; теоретически описан механизм образования горизонтальной компоненты динамического шума и его связь с генеральным направлением распространения поверхностного волнения;
■ явление компенсации пересекающихся потоков энергии: шум-шум,
сигнал-шум, сигнал-сигнал;
■ расщепление плотности энергии акустического поля окружающего шума на когерентную и диффузную компоненты; создан его алгоритм на основе универсального свойства - равенства нулю вектора плотности потока энергии диффузного поля^ и исследованы в отдельности их свойства этих компонент при различных состояниях морской поверхности в различных районах Тихого и Индийского океанов;
■ явление немонотонной зависимости вертикальной компоненты плотности потока энергии динамического шума от скорости ветра.
При исследовании конкретных проблем, интенсивно обсуждавшихся в научной литературе последние годы, получены следующие новые результаты:
■ теоретические соотношения для отношения сигнал-шум одиночного комбинированного приемника для случая преобладающей диффузной и когерентной компонент шума;
■ введено понятие коэффициента усиления комбинированного приемника через функции обычной одноточечной когерентности сигнала и шу-
экспериментально (на основе данных натурных измерений) получена оценка для максимального выигрыша отношения сигнал-шум комбинированного приемника, которая может достигать 15-16 дБ для горизонтальных и до 30 дБ для вертикального каналов;
■ экспериментально доказано, что для достижения достоверной оценки отношения сигнал-шум при мультипликативной обработке сигналов комбинированного приемника необходимое время усреднения должно быть в. 12-24 раза больше, чем для квадратичного детектора акустического давления;
■ экспериментально обнаружены «окна» в угловых спектрах плотности потока энергии подводного окружающего шума, в направлении которых отсутствует перенос энергии окружающего шума;
■< разработана и создана новая техника комбинированных акустических „ измерений для диапазона-частот 6-1000 Гц и для глубин измерения до 1000 м, позволяющая проводить исследования-подводного окружающего шума при скорости приводного ветра до —18 м/с.
Достоверность и практическая ценность
. Достоверность полученных результатов подтверждается повторяемостью явлений, обнаруженных в многочисленных натурных исследованиях в Тихом и Индийском океанах и их окраинных морях в период с 1978 по 1998 г., а также исследованиями других авторов. Результаты исследований обсуждались на всесоюзных и международных конгрессах и конференциях, научных семинарах, изложены в статьях, авторских свидетельствах, рационализаторских предложениях.
Полученные результаты открывают новые свойства взаимодействия акустических полей сигнала и шума, что позволяет развивать новые представления о свойствах акустического поля в океаническом волноводе и использовать данные представления в прикладных задачах современной подводной акустики. Например, создание низкочастотных помехоустойчивых
комбинированных систем, основанных на явлении компенсации встречных потоков энергии сигнала и когерентного шума; определение статистических свойств поверхностного волнения из подводного положения по характеристикам потоков энергии динамического шума и т. д.
Полученные результаты использовались при - выполнении различных НИР и ОКР, выполняемых в АН СССР и РАН.
Разработанные в течение 1978-1998 гг. и используемые в натурных экспериментах диссертантом свободнодрейфующие телеметрические комбинированные автономные измерительные системы могут стать основой гидроакустической техники нового поколения для акустического мониторинга глубокого открытого океана.
Апробация работы
Научные результаты представлялись на международных, всесоюзных и всероссийских симпозиумах и конференциях, а также известных научных семинарах и встречах, в том числе:
1) Второй Всесоюзный съезд океанологов. Севастополь. 1982;
2) Десятая всесоюзная акустическая конференция. Москва. 1983;
3) «Акустические статистические модели океана» АСМО-5. Москва. 1984;
4) Четвертая школа-семинар «Акустика океана». Москва. 1986
5) Четырнадцатая всесоюзная школа-семинар по статистической гидроакустике. Москва. 1986;
6) Третий съезд советских океанологов. Ленинград. 1987;
7) Второй всесоюзный акустический семинар «МАПР-2». Ленинград. 1988;
8) Natural Physical Sources of Underwater Sound. University of Cambridge. Cambridge. England. 1990;
9) First International Meeting on Global Acoustic Monitoring of Ocean. La Jolla. California. USA. 1992;
10) 14th International Congress on Acoustic. Beijing. China. 1992;
11) International Conference on Underwater Acoustic Communication, Navigation and Positioning. England. 1993;
12) Troisième Congres Français D'Acoustique. Université Toulouse - Le Mirail. Toulouse. France. 1994;
13) Fifth Western Pacific Regional Acoustics Conference. Seoul. Korea. 1994;
14) Acoustic Velocity Sensor, Focused Workshop. New London. USA. 1995;
15) International Conference «Arrays and Beamforming in Sonar». University of Bristol. UK. 1996;
16) International Workshop on Underwater Acoustical. Engineering, and Technology. Harbin. China. 1997;
17) International Conference on Natural Physical Processes Related to Sea Surface Sound. University of Southampton, UK. 1997;
18) Report on the Office of Naval Research International Workshop on Shallow Water Acoustics. San Francisco, CA, USA. 1998;
19) 16-th International Congress on Acoustics and 135-th Meeting Acoustical Society of America. USA. 1998;
20) Euronoise 98. München. Germany. 1998;
21) IWAET’99, Harbin. China. 1999;
22) WESTPRAC VII. Kumamoto. Japan. 2000;
23) Spring Conference 2002. Institute of Acoustics. University of Salford. England. 2002;
24) IX научная школа-семинар акад. JI.M. Бреховских «Акустика океана», совмещенная с XII сессией Российского акустического общества. Москва. 2002.
10
Публикации
Полный список научных работ диссертанта составляет 107 наименований, в который входят научные отчеты по НИР, ОКР, статьи в реферируемых научных журналах, книгах, всесоюзных и международных конференциях и конгрессах.
Список основных публикаций по теме диссертации включает 63 научные работы, из них: 1 монография, 4 препринта (1 препринт издан на английском языке), 2 авторских свидетельства, 56 научных статей.
Основные научные положения, выносимые на защиту
1. Обнаруженные в процессе исследований фундаментальные свойства акустических полей сигнала и окружающего подводного шума, обусловленные векторной природой акустической интенсивности:
■ горизонтальный поток энергии подводного акустического окружающего динамического шума, появляющейся при скорости приводного ветра более 2 м/с, и теоретическое описание механизма генерации горизонтального потока энергии динамического шума как результата перерас-сеяиия первичного поля динамического шума на взволнованной поверхности;
■ явление компенсации встречных потоков акустической энергии и теоретическое описание его механизма;
■ свойство немонотонной зависимости вертикального потока энергии динамического шума от величины скорости приводного ветра и описание его возможного происхождения, связанного с механизмом неустойчивости Кельвина-Гельмгольца;
алгоритма расщепления плотности энергии полного поля ;а на диффузную и когерентную компоненты.
3. Экспериментальное определение величины выигрыша комбинированного приемника по сравнению с квадратичным детектором на основе гид-
2. Создание окружающего шул
рофона и теоретическое описание помехоустойчивости комбинированного приемника в диффузных и когерентных шумовых ПОЛЯХ.
4. Создание техники и методологии комбинированных акустических измерений, включающих в себя донные кабельные и телеметрические системы, свободнодрсйфующие телеметрические автономные системы для проведения, исследований в реальных условиях глубокого открытого океана и прибрежной зоны в диапазоне частот 6-1000 Гц на глубинах до 1000 м и скорости приводного ветра до 18 м/с.
Личный вклад автора в совместных публикациях
Все научные работы по теме диссертации написаны самим диссертантом или при его непосредственном участии. В совместных работах (1978-1984 гг.) диссертанта с д.ф.-м.н. Захаровым Л.Н. (Московский государственный университет, кафедра акустики) д.ф.-м.н. Захарову Л.Н. принадлежит постановка задачи, диссертанту - выполнение эксперимента, обработка данных и участие в написании научных отчетов и статей. Во всех последующих экспериментальных исследованиях диссертант осуществлял руководство в постановке и формулировке исследований; непосредственно руководил проведением всех натурных экспериментов; руководил и принимал непосредственное участие в обработке экспериментальных данных или сам ее проводил; интерпретировал полученные экспериментальные результаты с позиции теоретических представлений, развитых самим диссертантом.
Идея создания комбинированной автономной свободнодрейфуюшей четырсх(восьми) канальной телеметрической системы и ее оригинальные технические решения полностью принадлежат диссертанту. При создании комбинированных приемных систем диссертант использовал векторные приемники изготовленные и прошедшие калибровку в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова (кафедра акустики физического факультета, Гордиенко В.А.), в Акустическом институте, г. Москва (Сизов
В.И., Галутин В.З.), а также в КБ «Шторм» Киевского политехнического ин-
ститута (Буромский A.B.). Сотрудники лаборатории акустических шумов океана ТОЙ ДВО РАН аспирант Дзюба В.П., с.н.с. Кулешов В.П., н.с. Ткаченко Е.С., с.н.с. Хворостов Ю.А., н.с. Шиков Л.Ф. принимали частичное участие в создании измерительных акустических систем, натурных экспериментах в океане и обработке результатов экспериментов и являются соавторами диссертанта в научных отчетах и статьях.
Диссертант руководил и лично принимал участие в многочисленных натурных исследованиях. В общей сложности диссертант провел исследования в 7 океанических (Тихий и Индийский океаны и их окраинные моря) и 15 прибрежных экспедициях (Японское, Охотское моря и Курило-Камчатская гряда).
Объем работы
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка научных трудов автора по теме диссертации и списка цитируемой литературы.
Общий объем диссертации 294 с., 115 рисунков и 18 таблиц. Общий список цитируемой литературы содержит 105 наименований.
Содержание работы
В первой главе «Взаимный корреляционный и спектральный анализ скалярных и векторных величин акустического поля» приведены основные определения и перечень основных функций, используемых в векторной акустике. Для анализа акустического поля используются функции когерентности между акустическим давлением и тремя ортогональными компонентами колебательной скорости, которые в данной работе называются обычными одноточечными функциями когерентности. Спектры ортогональных компонент вектора плотности потока энергии и соответствующие им функции когерентности являются, по существу, направленными пространственно-энергетическими характеристиками акустического поля. Построенные на их
13
основе частотно-угловые спектры дают полную пространственно-энергетическую характеристику акустического поля.
Основные выводы первой главы
Исходя из свойств четырех компонент акустического поля: акустического давления р(0 и трех ортогональных компонент вектора колебательной скорости V (0{УХ(0, Уу(0, У2(0}, которые считаем гауссовыми, однородными, стационарными, эргодичными и центрированными случайными функциями времени, на основе метода БПФ производим оценку автоспсктральных и взаимоспектральных характеристик четырех компонент акустического поля.
Взаимоспектральные оценки являются, по существу, направленными энергетическими характеристиками акустического поля. На основе направленных спектрально-энергетических характеристик для любого ортогонального направления х,у,г возможно построить частотно-угловой энергетический спектр, который дает полную пространственно-энергетическую характеристику акустическому полю окружающих шумов и сигналов.
Основными векторными свойствами окружающего шума являются:
\ С) ■ равенство плотности потока энергии акустического поля взаимо-
• 7 корреляционной функции для акустического давления и вектора ко-
/ лебательной скорости при временном сдвиге, равном нулю;
■ универсальное равенство нулю плотности потока энергии диффуз-
ного поля.
Данные векторные свойства акустического поля могут быть использованы для создания нетрадиционных перспективных методов оценки спектрально-энергетических характеристик окружающего шума и обеспечения наилучшего обнаружения сигнала в шуме.
Во второй главе «Методология и техника комбинированных подводных акустических измерений» излагаются принципы одновременного измерения в одной точке пространства четырех компонент акустического поля: акустического давления и трех ортогональных компонент колебательной скорости -и описана техника комбинированных измерительных систем.
Комбинированный приемник, включающий в себя приемник давления (скалярный приемник) и трехкомпонентный приемник колебательной скорости (векторный приемник) и являющийся по существу точечным приемником, открыл новые возможности для исследований инфразвукового диапазона и диапазона низких звуковых частот. Диссертант в своих исследованиях использовал векторный приемник инерционного типа (приемник градиента
давления) и электродинамический приемник колебательной скорости: приемник градиента давления - на частотах выше 50 Гц; приемник колебательной скорости - на частотах ниже 100 Гц. Диапазон частот, исследуемый автором, включал в себя инфразвуковой и низкий звуковой диапазоны частот. Различные исследователи (например, Смарышев М.Д.) рассматривали раздельно свойства каждого их трех ортогональных каналов х, у, г векторного приемника, имеющих дипольные характеристики направленности. Диссер-^ тант рассматривает трехкомпонентный векторный приемник и, соответст-
венно, четырехкомпонентный комбинированный приемник как ненаправлен- ^ ные приемники, имеющие сферическую характеристику направленности.
Техника и методология векторных измерений в реальном океане отра- V батывались диссертантом в течение более 20 лет. В результате были созданы телеметрические свободнодрейфующие автономные комбинированные измерительные системы, способные проводить измерения на глубинах до 1000 м в диапазоне частот 6-1000 Гц в штормовых условиях при скорости ветра до 18 м/с. Измерительный модуль, обладающий нейтральной плавучестью, внутри которого находится комбинированный приемник, сконструирован таким образом, чтобы обеспечить защиту комбинированного приемника от внешних воздействий неакустического происхождения (вибрации, подерги-* ванне и т. д.) и тем самым обеспечить надежную работу комбинированного
приемника в определенном интервале частот, скоростей приводного ветра и степени поверхностного волнения.
15
Основные выводы второй главы
Одновременные измерения в одной точке пространства океанического волновода акустического давления и трех ортогональных компонент вектора колебательной скорости частиц в акустической волне проводились с помощью комбинированного приемника, состоящего из трехкомпонентного векторного приемника и шести гидрофонов, расположенных по осям х, у, 2 векторного приемника симметрично относительно его центра. Достоинство такой конструкции состоит в том, что фазовый центр приемной системы находится в геометрическом центре сферы векторного приемника и «набег» фазы в таком приемнике отсутствует.
Разработка и усовершенствование донных и свободнодрейфующих систем, описанных в данной главе, продолжались в течение 1978-1999 гг. За это время были созданы комбинированные системы, способные измерять уровни окружающего шума в диапазоне частот 6-1000 Гц при состоянии поверхностного волнения от полного штиля до штормовых условий (при скорости приводного ветра до 18 м/с). Достоверность и надежность данных, полученных с помощью разработанных приемных комбинированных систем, позволили обнаружить такие свойства окружающего шума как горизонтальный поток энергии динамического шума, явление компенсации встречных потоков энергии, рассмотреть проблему обнаружения слабого сигнала в шуме, используя свойства вектора плотности потоков энергии шума и сигнала, и т. д., т. е. весь тот материал, который изложен в гл. 3-6 данной диссертации.
В третьей главе «Спектрально-энергетические характеристики акустического подводного окружающего шума» приведены результаты исследований структуры реальных подводных акустических шумов: вычислены соотношения когерентных и диффузных долей в окружающем шуме; исследованы зависимость этих компонент от глубины измерения и направленные свойства окружающего шума; обнаружена немонотонная зависимость уровня спектральной плотности вертикальной компоненты вектора плотности потока энергии динамического шума от скорости ветра.
Основные выводы третьей главы
В данной главе приводятся результаты экспериментальных натурных исследований, проведенных в различных районах Мирового океана с помощью комбинированных телеметрических дрейфующих и донных телеметрических и кабельных измерительных систем. Измерения проводились как в глубоком открытом океане, так и в прибрежной зоне. Для того чтобы полученные результаты можно было сопоставить с результатами других авторов, диссертант в своих исследованиях приводит автоспектры акустического давления окружающего шума, регистрируемого приемником давления, входящим в состав комбинированного приемника.
Основные результаты исследований статистических характеристик подводного окружающего шума, представленные в данной главе:
1. Обнаружен горизонтальный поток энергии динамического шума.
2. Создан алгоритм расщепления спектральной плотности энергии полного поля на диффузную и когерентную компоненты. Таким образом, экспериментально установлено, что поле подводного окружающего шума есть частично-когерентное поле, и на основе натурного эксперимента оценены вклады в полное поле окружающего шума данных компонент.
3. Обнаружена немонотонная зависимость вертикальной компоненты плотности потока энергии динамического шума от скорости приводного ветра и дано его возможное происхождение, связанное с механизмом неустойчивости Кельвина-Гельмгольца.
Обнаруженные свойства представляют широкие возможности в исследовании зависимости процесса зарождения и развития поверхностного волнения от величины скорости приводного ветра и механизма передачи энергии ветра ветровым волнам.
Представленные в данной главе результаты ограничены диапазоном частот 6-1000 Гц.
В четвертой главе «Взаимодействие пересекающихся потоков энергии (Явление компенсации интенсивности встречных потоков энергии)» рас-
сматрившотся эффекты, возникающие при взаимодействии пересекающихся потоков энергии (шума и шума, шума и сигнала, сигнала и сигнала). Для случая двух встречных статистически независимых случайных волновых процессов явление компенсации встречных потоков энергии является «чистым» векторным свойством акустического поля. Если плотности энергии встречных волн суммируются, то встречные компоненты векторов плотности потока энергии волн вычитаются, что может привести к «обнулению» результирующей плотности потока энергии взаимодействующих волн. Это явление впервые было обнаружено диссертантом в середине 1980-х годов при исследовании в натурном эксперименте в реальном времени взаимодействия потоков энергии динамического шума и тонального сигнала в глубоком открытом районе Тихого океана. Данное явление невозможно наблюдать измерительными системами, построенными на основе гидрофонов. Компенсация встречных потоков энергии может быть перспективным при решении задач обнаружения слабых сигналов в окружающем шуме. Особый интерес представляют периодические структуры функций когерентности и разностнофазовых спектров при взаимодействии широкополосного поверхностного или заглубленного источников с окружающим подводным шумом. Соно- * граммы функций когерентности и фазовых спектров в координатах частота-время представляют собой «портреты» движущегося источника на «экране» окружающего подводного шума.
Основные выволы четвертой главы
1. Измерения вектора интенсивности и его характеристик в реальных условиях глубокого открытого океана и прибрежных зон позволило наблюдать явление компенсации интенсивности встречных потоков энергии. Необходимо отметить, что при использовании измерительных систем на основе гидрофонов данное явление наблюдать невозможно.
2. Встречными взаимодействующими потоками энергии могут быть:
■ окружающие шумы от различных случайных статистически независимых источников;
■ окружающий шум - тональный или широкополосный сигнал от локального источника;
■ сигналы или шумоподобные сигналы от одного источника, но приходящие в точку измерения разными путями;
■ тональные или шумоподобные сигналы от различных независимых источников.
В любом случае, там где встречаются противоположно направленные волновые процессы, независимо от того когерентны они или статистически независимы, если они соизмеримы по мощности и одной частоты, возможно наблюдать «гашение» одного потока акустической энергии другим на данной частоте.
Явление компенсации интенсивности в реальных условиях глубокого открытого океана впервые наблюдалось и было объяснено диссертантом. Данное явление существует и в аэроакустике. Обнаруженное явление возможно использовать для исследования пространственно-энергетических свойств акустических полей, а также при решении различных прикладных задач подводной акустики.
В пятой главе «Влияние поверхностного волнения на перенос энергии подводного динамического шума» исследовано влияние степени поверхностного волнения и его направления распространения на перенос энергии окружающего подводного динамического шума в океаническом волноводе выше оси подводного звукового канала. Экспериментально доказано и теоретически обосновано существование в горизонтальной плоскости потока энергии динамического шума, направление распространения которого в среднем соответствует генеральному распространению поверхностного волнения. Показано, что механизм образования горизонтального потока энергии динамического шума обусловлен несимметричностью поверхностных ветровых волн относительно их вершин. Несимметричность профиля ветровой волны приводит к тому, что перерассеяние первичного поля шума на взволнованной поверхности океана «вперед» (т. е. по направлению движения ветровой вол-
ны) и «назад» (т. е. против направления распространения ветровой поверхностной волны) неэквивалентно (анизотропно). Анизотропность процесса пере-рассеяния приводит к тому, что величина горизонтальной компоненты потока энергии перерассеянного поля «вперед» больше, чем величина потока энергии, перерассеянного «назад». Это свойство перерассеянного поля может быть использовано для исследования спектров поверхностного волнения. Действительно, при рассмотрении флуктуаций огибающих рассеянного тонального сигнала и динамического шума установлено, что спектры флуктуаций огибающих горизонтальных и вертикальных компонент плотности потока энергии тонального сигнала и динамического шума тесно связаны со спектром поверхностного волнения.
Полученная информация о подводных динамических шумах позволяет перейти к решению обратных задач о дистанционном неконтактном пассивном мониторинге свойств океанической среды, ее дна и поверхности. Приповерхностный шумящий слой, соответствующий однородному поверхностному волнению, покрывающий значительную часть поверхности океана, является протяженным излучающим слоем (естественным излучателем) с достаточно стабильными характеристиками, «освещающим» своим излучением глубины и поверхность океана и излучающие свойства которого возможно использовать при пассивном мониторинге океанической среды.
Рассмотренные явления могут быть положены в основу при создании гидроакустических систем для определения из подводного положения характеристик поверхностного волнения по характеристикам окружающего динамического шума, поскольку измерения характеристик поверхностного волнения контактным методом чрезвычайно сложны.
Физическую связь между гидрометеорологическими процессами, протекающими на взволнованной поверхности, и процессами перераспределения энергии динамического шума возможно в краткой форме изложить в следующем виде.
Если следовать нашей модели, то горизонтальные потоки энергии динамического шума есть «отклик» перерассеяния на элементарных поверхностных волнах энергии первичных акустических шумовых источников. После компенсации встречных рассеянных потоков энергии шума с длинами волн Я, значения азимутального угла <<р1> усредненного результирующего потока энергии динамического шума связано с направлением распространения поверхностной волны, на которой происходит псрсрасссяние звуковой волны длиной Л,. При псрерассеянии звук определенной длины волны «выбирает» свою группу поверхностных волн, которая, согласно критерию Релея, обеспечивает максимальный «отклик». Отраженная и рассеянная на различных элементарных ветровых волнах энергия шумового поля порождает флуктуирующий подводный шум, спектр огибающей которого, как следует из данных исследований, дискретен, что указывает на дискретность спектра поверхностного волнения. В одном из рассматриваемых натурных экспериментов направление потоков энергии соответствующих частотным полосам А// = 400-450 Гц и А/в — 650-700 Гц, отличаются на 20° (при времени усреднения 60 с). Это означает, что направления распространения двух групп ветровых волн, на которых происходит перерассеяние шума с длинами волн Д/«4 м и Я^2 м, также отличаются на 20°. Существует группа поверхностных волн, движущихся в направлении, близком к направлению ветра, и группа поверхностных волн, как бы отстающих от направления ветра. Каждая группа элементарных волн имеет свой сектор направления распространения, в который попадает и генеральное направление распространения этой группы волн. Из наших исследований можно сделать вывод, что при времени усреднения 70=1 с среднеквадратичное значение щ а((р)^80° для всех частотных полос шума А/, (/=1-6) в диапазоне частот 400-700 Гц, при этом угол раствора сектора, в котором распространяется энергия динамического шума, А(р,=(рк±80°. Интуитивно ясно, что и генеральное направление распространения поверхностных волн также содержится в этом секторе углов. При увеличении вре-
21
мени усреднения То до 60 с раствор сектора стягивается до 20°, что можно объяснить выделением наиболее вероятных направлений распространения энергии поверхностных волн. Эволюция ветра во времени такова, что его направление медленно изменяется во времени, и направление поверхностных волн развитого поверхностного волнения как бы отстает от направления ветра. Существуют также поверхностные волны, направление которых противоположно генеральному направлению ветра.
В вертикальной плоскости «отклик» от поверхностных волн также разделен по полярному углу 9. Разность в вертикальном «отклике» 40«7° равна среднеквадратичной величине разности углов наклона у ветровых поверхностных волн.
Из проведенного анализа следует, что перенос энергии динамического шума в диапазоне частот 400-700 Гц в океаническом волноводе определяется направлением и степенью поверхностного волнения.
Спектры огибающих компонент 1Х(0,1у(0,1/0 вектора плотности потока энергии тонального сигнала с частотой 404 Гц совпадают со спектрами поверхностного волнения, измеренными контактными методами другими авторами. Однако спектры огибающих компонент 1Х(0,1/0, 1/0 для динамического шума в полосе 650-700 Гц имеют линейчатые спектры, из чего можно предположить, что спектр поверхностного волнения является линейчатым спектром.
Основные выводы пятой главы
Вопросу генерации и распространения динамического шума посвящено значительное число теоретических и экспериментальных исследований. Следует отметить, что только в одной экспериментальной работе (Кис1тск а! а1., 1963) и одной теоретической работе (Курьянов, 1963) рассматривался вопрос о горизонтальной направленности динамического шума. В первой сделаны неверные выводы о движении энергии шума в горизонтальной плоскости, во второй показано, что при определенных условиях угловая плотность энергии 8(9, (р) шумящих источников на плоскости может быть перенесена без изме-
22
нения на поле этих источников на параллельные плоскости (6,<р- полярный и азимутальный углы в сферической системе координат).
Таким образом, по угловому распределению плотности энергии шума возможно определить распределение источников на плоскости. Представив угловое распределение в виде ё(в,(р) - gl(6)g2(<p) и определив из эксперимента 8і(Ф и 82(ф)> возможно решить, таким образом, обратную задачу расположения источников, что согласуется с нашими выводами об определении характеристик поверхностного волнения из характеристик акустического поля динамического шума.
К настоящему времени результаты натурных исследований анизотропии динамического шума, проведенных с помощью гидрофонных антенн, противоречивы и на их основе невозможно построить адекватную модель направленности динамического шума в горизонтальной плоскости.'Исследования, описанные в данной работе, не только непосредственно доказывают существование анизотропии в горизонтальной плоскости, но и показывают ее структуру, т. е. частотно-пространственное разделение потоков энергии динамического шума в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Результаты натурных исследований направленности подводного окружающего шума, полученные в глубоком открытом океане в диапазоне частот 6-800 Гц с помощью комбинированных векторных систем, кратко сформулируем следующим образом.
1. Исследована зависимость переноса энергии динамического шума от состояния взволнованной поверхности океана в диапазоне частот 400-700 Гц при скорости ветра, изменяющейся от 6 до 15 м/с.
2. Обнаружены горизонтальные потоки энергии динамического шума, направления распространения которых связаны с направлением распространения ветровых поверхностных волн и зыби.
3. Построена физическая модель формирования горизонтального и вертикального потоков энергии динамического шума на основе персрассеяиия первичного шумового поля при нескользящем падении звука на взволнован-
23
ную поверхность океана. Окончательное формирование потоков энергии шума происходит в результате (после перерассеяния) компенсации встречных потоков энергии шума. Как следует из нашей модели, диффузные и когерентные поля динамического шума являются результатом взаимодействия первичного поля динамического шума с взволнованной поверхностью. Существование непосредственной физической связи между состоянием поверхности океана (силой и направлением ветра, направлением распространения поверхностного волнения и его качеством (развитостью волнения)) и статистическими характеристиками динамического шума говорит о том, что анизотропия поверхностного волнения порождает анизотропию динамического шума - «подобное рождает подобное». Время жизни горизонтальной и вертикальной компонент потока энергии динамического шума (т. с. сохранения постоянными их величины и направления) определяется временем стабильности гидрометеорологических характеристик данной акватории.
4. Возникает возможность решить обратную задачу - из статистических характеристик динамического шума восстановить динамику поверхностного волнения. Таким образом, существует возможность определять состояние гидрометеорологических условий над взволнованной поверхностью по анализу подводного окружающего шума. Что может быть определено как новый метод пассивной локации взволнованной поверхности из подводного положения.
Результаты данной работы являются пионерскими в области изучения влияния поверхностного волнения на перенос энергии динамического шума в горизонтальной плоскости.
В шестой главе «Помехоустойчивость комбинированного приемника в диффузных и когерентных шумовых полях» исследуется помехоустойчивость комбинированного приемника в реальном поле подводного окружающего шума при мультипликативной обработке.
Сигнал и шум считаются стационарными гауссовскими процессами с нулевыми средними значениями и статистически независимыми. Теоретиче-
24
ски получено соотношение сигнал/шум БМЩРУ) для частотного спектра в виде:
где Во - полоса частотного анализа, То — время усреднения, и Бру,ы([о}
- действительные части взаимных спектров сигнала и шума на частоте [о. Далее выражение SNR(PV) представляем в виде:
нала и шума; £ 2 (/У, £ 2 Уо) - спектральные плотности мощности сигна-
г ,3 г
ла и шума.
эквивалентное выражению усиления антенной решетки 101&/У(где N - число элементов в антенной решетке), назовем коэффициентом усиления комбинированного приемника. Следовательно, усиление комбинированного приемника зависит от отношения функций когерентности сигнала и шума для давления и колебательной скорости частиц среды в акустическом поле. В случае гидрофонной антенны коэффициент усиления антенны показывает, в какой степени антенна подавляет изотропный шум. Эта способность антенны определяется числом элементов N в антенной решетке и корреляционными свойствами сигнала и шума в пределах апертуры данной антенны, т. е. антенна подавляет все плоские волны, приходящие с направлений, не попадающих в
где ^ру^іїо), /ру,я&о) - функции обычной одноточечной когерентности сиг-
есть ЗМ1<(Р2) на выходе гидрофона
комбинированного приемника; выражение
25
апертуру антенны. Известно, что комбинированный приемник обладает сферической характеристикой направленности и подавляет диффузную компоненту во всем телесном угле 4л. Таким образом, одиночный комбинированный приемник может быть приравнен к гидрофонной антенне с числом элементов N-> оо, т. е. эффективность подавления изотропной компоненты шума у реального комбинированного приемника значительно выше любой реальной гидрофонной антенны с конечным числом элементов N.
Оценим предельное теоретическое значение полученного выше коэффициента усиления комбинированного приемника. При полностью когерентном сигнале ('/ру^фо)^ 1) И ПОЛНОСТЬЮ диффузном шуме (’/руъфъ) -> 0) он стремится к бесконечности. Реальное акустическое поле окружающего шума есть суперпозиция когерентного и диффузного полей, поэтому функция когерентности реального окружающего шума '/ру^ф отлична от нуля и зависит от частоты. В реальных динамических шумах глубокого открытого океана (диапазон частот 200 - 1000 Гц) она может достигать минимальных значений 0,01 -г-0,001. Таким образом, коэффициент усиления одиночного комбинированного приемника зависит от когерентных свойств сигнала и шума и при полностью когерентном сигнале и диффузном шуме может достигать значений 20-30 дБ.
В случае, если сигнал является широкополосным, то соотношения БМЩРУ) и к должны быть записаны в виде:
где )-/ - ширина полосы частот, занимаемая широкополосным сигналом.
Показано также, что явление компенсации может быть использовано для обнаружения сигнала в когерентном шумовом поле. Естественно, что наиболее интересным случаем является компенсация двух встречных слабых потоков плотности энергии сигнала и шума. Рассмотрим компенсацию ннтен-
26
сивности между вертикальной компонентой потока энергии сигнала, отраженного от дна, и встречным вертикальным потоком энергии окружающего шума, переносящим энергию шумов динамического происхождения от поверхности ко дну океана.
Введем обозначения: 5>гг.л(№ - компонента спектральной плотности потока энергии шума, идущего в направлении +г; Бру^Уо) - компонента спектральной плотности потока энергии сигнала, идущего в направлении -г. Ось г направлена вертикально от поверхности ко дну. Сформулируем следующим образом. Выражение —8ру:.$Оо) равно результирующему
потоку ВДОЛЬ ОСИ 2, отнесем его К уровню шума т-е-
SNR(PVZ)=101g^-v(/o) SpM = 1 Olg
Spim Oo)
v s„M
Зръы С/о)у
В идеальном предельном случае полной компенсации ($ру:Жо))1(.ЗрУ:.к&о))->*» тогда й№(РУ^-> -со. При отсутствии сигнала, т. е. ^ру~5^о)=0 и 8МЯ(РУ^=0. Таким образом, при компенсации встречных потоков энергии всегда 5№(РУ^<0. Для широкополосного сигнала в полосе/? -// запишем £ЛШ(РУ^ в следующем виде:
SNR(PVZ) = 101g
л /л
Направленные свойства подводного окружающего шума выраженные через распределение плотности потока энергии шума от угла (угловой спектр), определяются только той частью энергии шума, которая переносится в пространстве. В тех угловых направлениях, в которых энергия шума не переносится (в среднем), в угловом спектре плотности потока энергии образуются «окна» с равным нулю осредненным потоком плотности энергии шума. Порог обнаружения сигнала в подобных «окнах» может быть существенно снижен. В-случае источника с линейчатым или широкополосным спектрами при определении пеленга на источник происходит суммирование плотности потока энергии по всему спектру, что может значительно улучшить SNR для
слабошумящих источников. Рассмотренный алгоритм обработки по сравнс-
27