Интерференционные инварианты в максимумах гидроакустического поля в глубоком море

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription or Fee Access

Abstract

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.

Full Text

Restricted Access

About the authors

С. П. Аксенов

Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН

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

Г. Н. Кузнецов

Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН

Author for correspondence.
Email: skbmortex@mail.ru
Russian Federation, 119991, Москва, ул. Вавилова, 38

References

  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.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. 1 – ZD amplitude, 2 – EFS, 3 – beam approximation of EFS, 4 – EGS, 5–beam approximation of EGS, 6 – 3000ßef, 7 – beam approximation of 3000ß*ef, 8 – level 3000ßef = 3000 or βef = 1, 9 – c0 = 1500 m/s; f = 345 Hz, r = 0.01–5.6 km, zs = 15 m, zr = 20 m, h = 3417 m, c0 = 1500 m/s. An ideal waveguide.

Download (32KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. (a) – VRSZ in the North Atlantic region in June; (b): 1 – amplitude of the ZD and components: 2 – flowing modes, 3 – trapped modes, 4 – water modes, 5 – cylindrical decay; f = 340 Hz, zs = 105 m, z = 20 m, r = 0.1–60 km.

Download (36KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. 1 – ZD amplitude, 2 – EFS, 3 – beam approximation of EFS, 4 – EGS, 5 – beam approximation of EGS, 6 – 3000ßef, 7 – beam approximation of 3000ß*ef, 8 – level 3000ßef = 3000 or βef = 1, 9 – level c0. North Atlantic, June, f = 340 Hz, zs = 105 m, z =20 m, r =0.1–60 km.

Download (37KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. (a) – Interferogram of the ZD amplitude, North Atlantic, June, f = 320–360 Hz, zs = 105 m, z = 20 m, r = 0.1–60 km; 1 – BZAO, 2 – shadow zone, 3 – DZAO. (b) – The same interferogram with light “control” lines, the slope of which is calculated using formula (1), ∂f/∂r = (f/r)β, with the ray approximation β*ef = 1/[1 + (2h/r)2] substituted as β using formula (9).

Download (56KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. 1 – The amplitude of the sound pressure and the components: 2 – flowing modes, 3 – trapped modes, 4 – water modes, 5 – cylindrical decay. North Atlantic, June, f = 340 Hz, zs = 105 m, z = 155 m, r = 0.1–60 km.

Download (37KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. 1 – Amplitude of the ZD, 2 – EFS, 3 – ray approximation of the EFS, 4 – EGS, 5 – ray approximation of the EGS, 6 – 3000bef, 7 – ray approximation of 3000 β*ef, 8 – level 3000bef = 3000 or βef = 1, 9 – level c0. North Atlantic, June, f = 340 Hz, zs = 105 m, z = 155 m, r = 0.1–60 km.

Download (37KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. (a) – Interferogram of the sound pressure amplitude; North Atlantic, June, f = 320–360 Hz, zs = 105 m, z = 155 m, r = 0.1–60 km; 1 – BZAO, 2 – shadow zone, 3 – DZAO. (b) – The same interferogram with light “control” lines, the slope of which is calculated by formula (1), ∂f/∂r = (f/r)β, with the ray approximation β*ef = 1/[1 + (2h/r)2] substituted as β according to formula (9)

Download (53KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. (a) – VRSZ in the North Atlantic region in February; (b): 1 – the amplitude of the sound pressure and components: 2 – flowing modes, 3 – trapped modes, 4 – water modes, 5 – cylindrical decay; f = 340 Hz, zs = 105 m, z = 155 m, r = 0.1–60 km.

Download (34KB)
Indexing metadata
10. Fig. 9. 1 – Amplitude of the ZD, 2 – EFS, 3 – ray approximation of the EFS, 4 – EGS, 5 – ray approximation of the EGS, 6 – 3000bef, 7 – ray approximation of 3000b*ef, 8 – level 3000bef = 3000 or βef = 1, 9 – level. North Atlantic, February, f = 340 Hz, zs = 105 m, z = 155 m, r = 0.1–60 km.

Download (37KB)
Indexing metadata
11. Fig. 10. Interferogram of sound pressure amplitude; North Atlantic, February, f = 320-360 Hz, zs = 105 m, z = 155 m, r = 0.1–60 km; 1 – BZAO, 2 – DZAO.

Download (22KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 The Russian Academy of Sciences