Поверхность моря

Поверхность моря, отражая и рассеивая звук, существенно влияет на распространение сигналов, особенно когда источник или приемник находятся на малой глубине.

К гидроакустическим характеристикам поверхности океана относятся шумы, поглощение и рассеяние звука воздушными пузырьками, потери при отражении, флуктуации фазы и амплитуды сигнала, доплеровский сдвиг частоты и реверберация.

Если бы поверхность моря была совершенно гладкой, она представляла собой почти идеальный отражатель звука. Интенсивность звука, отраженного от гладкой морской поверхности, должна быть очень близка к интенсивности падающего на нее сигнала.

Потери при отражении равны:

где – интенсивность падающей волны;

– интенсивность отраженной волны,

должны быть весьма близки к нулю.

Критерием неровности или гладкости поверхности служит параметр Рэлея:

где – волновое число;

– среднеквадратическое значение высоты волн (от вершины до подножия);

– угол скольжения.

При отражении сигнала поверхностью моря возникают сильные и быстрые флуктуации его амплитуды или интенсивности.

Флуктуации звука – временные изменения амплитуды и фазы принимаемого сигнала, обусловленные главным образом неоднородностями среды распространения звуковых волн или отражение от поверхности моря.

Характер флуктуации звука, отраженного от поверхности моря зависит от величины параметра Рэлея.

При поверхность моря является отражателем и создает зеркальное отражение под углом, равным углу падения и флуктуации звука подобны флуктуации звука в толще морской среды.

При поверхность действует как рассеиватель.

Флуктуация звука в море приводит к ложным целям или потерям сигналов. Ограниченность информации о звуковых сигналах обуславливает вероятностный характер задач гидроакустики, решение которых требует использование статистических методов, аппарата теории случайных процессов и полей.

Флуктуации звука, создаваемые микроструктурой морской среды, в общем случае выражают через коэффициент вариации амплитуд серии коротких импульсов. Если р является абсолютной величиной акустического давления распространяющего импульса, то коэффициент вариации представляет собой среднеквадратическое отклонение амплитуды звукового давления, определяемого как:

где - операция усреднения по большому числу коротких импульсов или отсчетов огибающей непрерывного сигнала.

Коэффициент вариации линейно пропорционален параметру для малых значений , а для больший постоянен и приближенно равен 0,5.

Когда волнение поверхности моря не слишком сильно, в подводном звуковом поле формируется интерференционная картина. Ее возникновение связано с взаимным усилением и ослаблением прямых и отраженных акустических волн. Подобное явление получило название зеркального эффекта Ллойда или интерференции от мнимых источников.

Интерференция волн – сложение в пространстве двух или более волн, при котором в разных его точках получается усиление или ослабление амплитуды результирующего колебания (волны).

Степень влияния гидроакустических характеристик на параметры обнаружения зависит от рабочей частоты ГАС (гидроакустические средства), дальности действия, геометрии взаимного расположения излучателя, объекта наблюдения и приемника (рисунок 6), а также от величины и характера волнения поверхностного слоя и градиента скорости звука в нем.

Рисунок 6 – Схема отражения и рассеяния звука неровной поверхностью океана О – объект обнаружения; ИП – излучатель и приемник; Пр – приемник; - длительность импульса; ХН – характеристика направленности; - несущая частота; F – доплеровский сдвиг; H – высота волны.

Для акустической волны, распространяющейся в однородном приповерхностном слое с нулевым градиентом скорости звука, потери при отражении в зеркальном направлении практически равны нулю, т.е. коэффициент отражения поверхностью .

Коэффициент поверхностного отражения характеризует потери, возникающие при отражении фронта волны в зеркальном направлении.

В реальных условиях форма поверхности океана непрерывно меняется в трехмерном пространстве. Недостаточная изученность пространственно-временных характеристик волнения, широкий диапазон и сложность его форм, невозможность точного решения уравнения, удовлетворяющего граничным условиям на неровной поверхности, и большое число ограничений в существующих моделях вынуждают использовать приближенные методы определения коэффициентов отражения и рассеяния звука поверхностью океана.

В случае поверхностного волнения, описываемого спектром Пирсона-Неймона, используют формулу:

где – частота, кГц;

– средняя высота волнения (), м;

– угол скольжения падающей на поверхность волны.

Величину среднеквадратичной высоты взволнованной поверхности для спектра волнения Пирсона-Неймона можно оценить с помощью формулы:

где - скорость ветра, м/с.

Второй член этого уравнения характеризует рассеяние сигнала, обусловленное неровностями поверхности моря.

Учет рассеяния звука, определяемого спектром длинных волн, необходим при оценке потерь, связанных с отражением относительно низкочастотных сигналов. В области высоких частот возникает необходимость учета рассеяния звука более короткими волнами (длинна порядка 1 м). этот спектральный интервал поверхностного волнения описывается формулой Филлипса:

Определение значений (угол скольжения падающей на поверхность волны) для выполнения вычислений по приведенным выше формулам производится при расчете лучевой структуры с использованием соотношения:

где , – значение скорости звука у поверхности и на горизонте источника;

– угол скольжения луча в источнике.

При достаточно широких характеристиках направленности источника и приемника для оценок уровня суммарного отраженного поверхностного поля используется эффективный коэффициент отражения.

В качестве примера в таблице приведены результаты расчета в рамках теоретической двухмасштабной модели (рябь на крупных волнах) при скорости ветра , угол скольжения и частотах облучения поверхности и в условиях направленного излучении-приема.

Эффективный коэффициент отражения в зависимости от

		0.96	0.89	0.83	0.78	0.74	0.71	0.69
	0.81	0.69	0.6	0.52	0.46	0.43	0.41

Результаты расчетов в зависимости от скорости ветра для диапазона углов и этих же частот приведены в таблице.

Эффективный коэффициент отражения в зависимости от

			0.89	0.81	0.78	0.77
	0.92	0.72	0.63	0.6	0.59

В целом для проведения практических расчетов, ориентировочно можно принять, что диапазон углов скольжения 0 – 90⁰ значения ограничены интервалом 1 – 0.5, причем нижнее значение относится к низким частотам и слабому волнению, меньшие – более высоким частотам и повышенному волнению.

Основными рассеивателями акустических волн в поверхностном слое, являются морские волны, биологические скопления и воздушные пузырьки. Вклад каждого из этих факторов в общие потери энергии сигнала различен и зависит от степени волнения моря, силы и времени действия ветра, частоты гидроакустического сигнала, угла скольжения луча у поверхности. Таким образом, в расчеты дальности действия ГАС должны вводиться эффективные значения соответствующих коэффициентов, учитывающих поверхностное рассеивание, которое вызывает дополнительные потери энергии.

Эффективный коэффициент поверхностного рассеивания определяет потери, обусловленные рассеиванием неровной поверхностью моря, морскими организмами и воздушными пузырьками. В приповерхностном слое плотность воздушных пузырьков может резко увеличиться в случае сильно развитого волнения, а плотность биологических рассеивателей - заметно возрастает в ночные часы.

Коэффициент поверхностного рассеяния определяет потери из-за неровностей поверхностей моря (волнение море). Он равен отношению средней мощности, рассеянной единичной площадкой по всем направлениям, кроме зеркального, к произведению величины этой площадки на значение интенсивности падающей волны.

Знак доплеровского смещения частоты зависит от сочетания направлений облучения и движения границы раздела сред. В результате частотный спектр отраженного сигнала содержит дискретную линию, соответствующую излученной частоте, и две практически симметричные боковые полосы, обусловленные рассеянием.

Рассеяние звука в обратном направлении является причиной поверхностной реверберации. При длительной посылки в точку излучения (рисунок 6) будет одновременно приходить сигнал, рассеянный из сферического пояса радиусом и толщиной , где – скорость звука; – время от начала излучения.

Реверберация – процесс рассеяния акустической энергии в окружающем источник пространстве после прекращения его работы (послезвучие).

Морское дно

Морское дно представляет собой отражающую и рассеивающую границу, имеющую ряд характерных и аналогичных морской поверхности особенностей.

По двум причинам отражение звука от морского дна представляет собой значительно более сложное явление, чем отражение от морской поверхности:

1) Дно имеет более разнообразные акустические свойства, т.к. по составу может меняться от твердой скалы до мягкого ила.

2) Дно является сложной слоистой структурой, имеющей плотность и скорость звука постепенно или резко меняющиеся с глубиной.

По этим причинам потери при отражении от морского дна труднее предсказать, чем потери при отражении от поверхности.

Дата добавления: 2015-12-07