Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 1, стр. 96-99

ВВЕДЕНИЕ

Гидроакустический мониторинг является неотъемлемой частью решения задачи наблюдения и контроля акватории. Сюда может входить, не ограничиваясь этим, и наблюдение за перемещениями бентических фронтов, и изменение течений, и локализация загрязнений. Особую роль в этом обширном списке играет наблюдение за судоходством и его влиянием на ихтиофауну. Спутниковое и радиолокационное наблюдение позволяет локализовать только объекты на поверхности, но, к сожалению, никак не может оценить воздействие на водную среду. В этом ключе, оптимальным является использование систем наблюдения, которые находятся непосредственно в среде воздействия.

Одним из основных факторов, определяющих успешность реализации гидроакустического мониторинга акваторий является пространственное затухание различных составляющих звуковой волны [1]. Если ранее при изучении пространственного затухания звука использовался преимущественно приемник звукового давления, то в последнее время возрастает интерес к исследованию именно векторных характеристик акустического поля [2, 3] – колебательной скорости частиц среды, ускорения или смещения частиц среды в звуковом поле. Например, для исследования гидроакустического воздействия на ихтиофауну возникает необходимость измерения параметров движения частиц среды в акустическом поле (колебательной скорости, ускорения или смещения), так как рыбы и беспозвоночные в основном чувствительны к колебаниям частиц среды, а не к звуковому давлению [4].

ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗВУКА

Активное судоходство для акватории представляет собой движущиеся широкополосные источники шума, в которых могут быть с выделенные дискретные составляющие, при этом сам источник звука располагается вблизи свободной поверхности. Ранее было показано теоретически для случая, когда источник находится вблизи свободной поверхности [5], что существует возможность аномально большого затухания звука, при котором убывание звукового поля происходит не по цилиндрическому закону $\sim \,{1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 {\sqrt r }}} \right. \kern-0em} {\sqrt r }}$ и не по сферическому $\sim \,{1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 {\sqrt r }}} \right. \kern-0em} {\sqrt r }},$ а по квадратичному закону $\sim \,{1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 {{{r}^{2}}}}} \right. \kern-0em} {{{r}^{2}}}},$ здесь r – горизонтальное расстояние между источником звука и приемником.

Этот теоретический результат ранее наблюдался в эксперименте при исследовании убывания звукового давления [5]. В то же время экспериментального исследования пространственного убывания компонент колебательной скорости частиц среды для рассматриваемого случая, насколько известно авторам, ранее не проводилось.

В настоящей работе приводятся результаты обработки натурных измерений векторно-фазовой структуры акустического поля, проведенных в русле реки Урал в июне 2017 года. Осуществлялось одновременное измерение как амплитуды звукового давления, так и трех взаимноортогональных составляющих колебательной скорости частиц среды, что позволило оценить относительные уровни и сравнить характер пространственного затухания этих составляющих акустического поля.

При проведении эксперимента использовался донный вариант постановки комбинированного приемного модуля (КПМ), состоящего из приемника звукового давления и векторного приемника (ВП) (три взаимноортоганальных канала колебательной скорости). Диаграммы направленности каналов векторного приемника в рабочем диапазоне частот были косинусного типа. Как показали измерения, вертикальное распределение скорости звука $с (r,z)$ в водной толще, а также глубину $h(r)$ в месте проведения эксперимента можно считать постоянными в пределах погрешности прибора: $с (r,z) \cong {{с }_{0}} = 1482$ м ⋅ с^–1, $h(r) \cong {{h}_{0}} = 5$ м. В ходе проведения эксперимента был записан шумовой сигнал от судна, проходящего мимо КПМ со скоростью ≈3 м ⋅ с^–1. Этот сигнал в дальнейшем и будет анализироваться. Расстояние до судна в разные моменты фиксировалось с помощью лазерного измерителя расстояний; максимальное расстояние составляло 660 м, минимальное расстояние до КПМ было 70 м (траверз). Скорость течения реки примерно ≈1 м ⋅ с^–1. Расстояние от КПМ до ближайшего берега ≈10 м, ширина русла реки в месте проведения измерений ≈130 м. Схема эксперимента изображена на рис. 1а.

ОЦЕНКА ПЕЛЕНГА НА ИСТОЧНИК

Для получения зависимостей убывания уровней компонент поля в зависимости от расстояния необходимо рассчитать направление (пеленг) на источник звука в горизонтальной плоскости. В данном случае пеленг на корабль $\varphi (t)$ будет рассматриваться относительно направления x. Для оценки $\varphi (t)$ применялся разностно-фазовый метод [1], состоящий в оценке разности фаз между спектральной амплитудой звукового давления $p(f,t)$ и комбинацией двух компонент колебательной скорости вида ${{\upsilon }_{x}}(f,t) + i{{\upsilon }_{y}}(f,t),$ i – мнимая единица, для заданного диапазона частот f. Тогда $\varphi (t)$ – угол между направлением канала x КПМ (см. рис. 1а) и направлением на источник из центра КПМ.

На рис. 1б изображена оценка пеленга судна, полученная по мере его движения, при обработке данных в полосе частот $f = 500 - 1200$ Гц, где сосредоточена основная энергия зарегистрированного шумового сигнала. Значения углов $\varphi (t) < 70^\circ $ соответствуют приближению судна, а значения $\varphi (t) > 70^\circ $ – удалению; на траверзе оценка угла $\varphi (t)$ оказалась равной $ \approx \,70^\circ ,$ что соответствует условиям проведения эксперимента. На рис. 1б видно, что по мере приближения источника наблюдаются заметные вариации пеленга. Анализ экспериментальных данных показал, что этот эффект наблюдается при обработке данных в различных частотных диапазонах, однако причина подобных вариаций $\varphi (t)$ достоверно не известна и требует более детального анализа, выходящего за рамки настоящей работы. Можно предположить, что столь несимметричное поведение $\varphi (t)$ связано с разным характером распространения сигнала против течения реки (когда источник движется к КПМ) и по течению (в случае удаления источника). В дальнейшем анализируется уровни спада составляющих звукового поля, зарегистрированных при удалении судна от КПМ.

ОЦЕНКА УМЕНЬШЕНИЯ УРОВНЯ СИГНАЛА ОТ РАССТОЯНИЯ

Для выявления характера убывания рассматриваемых составляющих звукового поля в зависимости от возрастания горизонтального расстояния $r$ между КПМ и источником звука рассчитывался относительный уровень величины звукового поля $L(r)\,:$

здесь в качестве функции $g(r,t)$ выбираются значения давления $p(r,t),$ измеренные в различные моменты времени t для заданного расстояния r, значения вертикальной компоненты колебательной скорости ${{\upsilon }_{z}}(r,t),$ а также радиальной компоненты (т.е. компоненты, направленной на источник) ${{\upsilon }_{r}}(r,t) = {{V}_{x}}(r,t)\cos {{\varphi }_{s}}\left( t \right) + {{V}_{y}}(r,t)\sin {{\varphi }_{s}}\left( t \right),$ где V_x(r, t), V_y(r, t) – значения компонент колебательной скорости на x- и y-выходах КПМ с учетом их диаграмм направленности, ${{\varphi }_{s}}(t)$ – значения пеленга на источник в горизонтальной плоскости, рассчитанные по экспериментально измеренным расстояниям до судна, с учетом ориентации каналов КМП оцененной ранее (рис. 1); ${{t}_{1}}$ и ${{t}_{2}}$ – времена начала и окончания записи сигналов на заданном расстоянии r; $g_{0}^{2} = \frac{1}{{{{t}_{2}} - {{t}_{1}}}}\int_{{{t}_{1}}}^{{{t}_{2}}} {{{g}^{2}}({{r}_{0}},t)dt} ,$ где ${{r}_{0}}$ – минимальное расстояние до источника.

На рис. 2 представлена зависимость относительных уровней рассматриваемых составляющих звукового поля от расстояния до источника. Результаты представлены для экспериментальных данных, профильтрованных вблизи основной дискреты 530 Гц шумового сигнала корабля. На рис. 2 также изображены аналитические зависимости, соответствующие цилиндрическому закону убывания, сферическому закону и квадратичному убыванию. Как видно на рис. 2, убывание давления $p(r,t)$ соответствует квадратичному закону. Такое же поведение демонстрирует и вертикальная составляющая колебательной скорости ${{\upsilon }_{z}}(r,t).$ При этом характер поведения радиальной составляющей ${{\upsilon }_{r}}(r,t)$ несколько отличается. На сравнительно небольших расстояниях ${{\upsilon }_{r}}(r,t)$ убывает медленнее, чем звуковое давление; при увеличении расстояния относительные уровни убывания для $p(r,t),$ ${{\upsilon }_{z}}(r,t)$ и ${{\upsilon }_{r}}(r,t)$ ведут себя практически одинаково, при этом относительный уровень ${{\upsilon }_{r}}(r,t)$ остается выше, чем соответствующие уровни $p(r,t)$ и ${{\upsilon }_{z}}(r,t).$

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты, полученные в ходе обработки экспериментальных данных, указывают на то, что в рассматриваемых условиях мелкого водоема наблюдается квадратичный закон убывания составляющих звукового поля, связанный, по-видимому, с влиянием свободной границы и глубины погружения источника звука. В отличие от глубокого океана, где этот эффект известен и наблюдался ранее в экспериментах, в условиях мелководного распространения звука особое влияние оказывают характеристики дна, а также возможная горизонтальная рефракция на береговой линии, что требует более детального численного исследования для достоверного объяснения полученного результата. Также показано, что бóльший объем информации о среде по сравнению с использованием одиночного датчика давления, можно получить с помощью КПМ. Полученные уровни пространственного убывания различных составляющих акустического поля могут быть использованы в качестве исходных данных для решения обратной задачи восстановления характеристик водоема [6, 7], в том числе коэффициента амплитудного поглощения вдоль трассы распространения сигнала. Перспективным является исследование возможностей таких оценок с учетом обнаруженных особенностей пространственного убывания составляющих звукового поля.

Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ № 16-29-02097 офи_м, № 16-02-00680.