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 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