УДК 551.465
, ,
,
Севастопольский институт ядерной энергетики и промышленности
Особенности реверберации в черноморском
подводном звуковом канале
Описаны результаты экспериментов в Черном море по изучению свойств реверберации. Рассмотрены зависимости ее энергетических характеристик от параметров подводного звукового канала, состоя-ния водной поверхности и рельефа морского дна.
Ключевые слова: реверберация, акустические поля, звуковой канал, энергия поля, придонные аномалии.
Введение
При эксплуатации гидролокаторов операторам и инженерам гидроакустикам приходится сталкиваться с явлением послезвучания (отзвук пространства), кото-рый создают в точке излучения–приема звуковые волны, рассеянные неоднород-ностями водной среды. Это явление названо реверберацией, которая является не-стационарным случайным процессом, создается зондирующим сигналом на неод-нородностях среды и коррелирована с ними [3]. С физической точки зрения, под реверберацией моря понимают изменения во времени суммарного давления рас-сеянного звукового поля, наблюдаемого в точке приема [1].
Знание статистических свойств реверберации, с одной стороны, дает возмож-ность правильно выбрать основные технические и тактические параметры систем обнаружения, с другой — позволяет прогнозировать ее (реверберации) маскирую-щее действие в водной среде [2].
Постановка задачи научного исследования
Согласно принятой классификации [3], в зависимости от пространственного распределения рассеивателей, реверберация делится на три вида:
— объемную, характеризующуюся рассеянием звука на распределенных по всему объему рассеивателях;
— поверхностную, определяемую рассеиванием звука водной поверхностью и неоднородностями в приповерхностном слое;
— донную, характеризующуюся рассеяниями от неровностей дна.
© , ,
С точки зрения математического описания законов убывания среднего уровня реверберации с расстоянием (или во времени), ее можно разделить на: объемную, граничную (рассеяние звука границей раздела двух сред) и реверберацию от слоя (рассеиватели сконцентрированы в слое).
Результаты экспериментов свидетельствуют о том, что в некоторых случаях донная и поверхностная реверберации характеризуется одними и теми же законо-мерностями, присущими рассеянию либо от границы, либо от слоя.
Тем не менее задача данной научной работы состоит в классическом разделе-нии на виды и последовательном рассмотрении особенностей энергетических характеристик объемной и поверхностной ревербераций в черноморском подвод-ном звуковом канале (ПЗК), а также влияния донной реверберации на обнаруже-ние подводных объектов.
Объемная реверберация в черноморском ПЗК
Объемная реверберация обусловлена наличием в морской воде взвешенных частиц, пузырьков, планктона и других неоднородностей. Она имеет место уже в момент излучения сигнала. Для изучения свойств реверберации в черноморских ПЗК была разработана методика проведения экспериментов по изучению свойств реверберации. Суть ее состояла в следующем. После предварительных зондирова-ний, уточняющих профиль скорости звука, совмещенный источник — приемник звука (антенна опускаемого гидролокатора) — размещался на оси ПЗК. Район проведения эксперимента выбирался таким образом, чтобы предельные лучи не выходили к поверхности и морскому дну. После излучения гидроакустических сигналов на выходе приемного устройства гидролокатора фиксировались данные о реверберации: интенсивность и протяженность засветки на индикаторах, выз-ванная реверберационной помехой, продолжительность и характер спада интен-сивности реверберации на самописцах и других регистраторах (рис. 1).
 |
Рис. 1. Схема проведения эксперимента по изучению свойств реверберации.
По результатам экспериментов были выявлены следующие закономерности, отличающие объемную реверберацию в черноморском ПЗК.
Если перепад скорости звука подводного звукового канала был равен (10 ± 2) м/с, то протяженность засветки на индикаторах и отметок на самописцах от ревер-берации не превышала 5–7 км.
Увеличение перепада скорости звука до 15–20 м/с приводило к увеличению продолжительности реверберации. Протяженность засветок и отметок от нее увеличивалась до 9–11 км.
Рост контрастности черноморского ПЗК в летний период до 25–30 м/с, а затем до 35–40 м/с вызывал увеличение протяженности этих засветок до 12–15 км и 16–22 км соответственно. Поэтому первой особенностью реверберации в черно-морском ПЗК является ее зависимость от перепада скорости звука. Чем больше этот перепад, тем продолжительнее объемная реверберация.
Второй особенностью является зависимость от ширины ПЗК. Чем уже канал при одинаковых перепадах скорости звука, тем продолжительность реверберации больше. По результатам экспериментов с профилями, сглаженными и искривлен-ными за счет перегиба в верхней части ПЗК (рис. 2), была получена следующая устойчивая зависимость.
 |
Рис. 2. Влияние перегиба верхней части ПЗК на реверберацию.
Уменьшение ширины ПЗК на 20–30 м за счет перегиба его верхней части увеличивает продолжительность реверберации в два раза. Так, при величине пере-пада скорости звука 10 м/с уменьшение ширины ПЗК на 20–30 м приводит к ус-тойчивому увеличению засветки на индикаторах с 5–7 км до 9–14 км. Если пере-пад скорости звука равен 20 м/с, аналогичное уменьшение ширины ПЗК приводит к увеличению протяженности отметок от реверберации с 9–11 км до 20–22 км.
Деформации (искажения) верхней части ПЗК мезомасштабными неоднород-ностями скорости звука, например, в результате интенсивного волнения и других, так же приводит к увеличению продолжительности реверберации.
Многолетняя статистика позволила установить, что, если наибольшие дефор-мации верхней части ПЗК отличаются от фона на 1 м/с, то продолжительность реверберации увеличивается в 2–2,5 раза. В случае, если максимальные искаже-ния превышают фоновый профиль на 1,5 м/с то продолжительность реверберации возрастает в 3–4 раза. Например, для ПЗК с перепадом скорости звука 10 м/с искажение верхней границы мелкомасштабными неоднородностями относительно фона до 1 м/с приводит к возрастанию засветки на индикаторах до 12–15 км. Если же искажения равны 1,5 м/с то отметки от реверберации увеличатся до 17–22 км (рис. 3). Это — третья особенность, характеризующая объемную реверберацию в черноморском ПЗК.
 |
Рис. 3. Воздействие мелкомасштабных неоднородностей на реверберацию в ПЗК.
Заметим, что изменения заглубления антенн относительно оси ПЗК на 15–30 м (при условии невыхода предельных лучей к поверхности и дну) не приводит к изменению реверберационной картины.
Энергетическая характеристика поверхностной реверберации
Действие поверхностной реверберации начинается с момента прихода эхо-сигнала от поверхности. Поэтому наиболее интересными аспектами поверхно-стной реверберации являются ее энергетические характеристики в дальней зоне акустической освещенности (ДЗАО).
Методика и схема проведения экспериментов по изучению поверхностной ре-верберации осталась практически без изменений. Отличие состояло в том, что ис-пользовались подкильные гидролокаторы средней и большой мощности, позво-ляющие выходить в дальние зоны акустической освещенности. Районы проведе-ния экспериментов выбирались таким образом, чтобы исключить влияние дна и минимизировать влияние других неоднородностей ПЗК. По результатам выпол-ненных экспериментов установлена следующая зависимость интенсивности пове-рхностной реверберации от состояния водной поверхности.
Во время штилевой погоды интенсивность реверберации в первой Д 38–45 дБ, ярко засвечиваясь на экранах индикаторов. Во второй Д реверберация неустойчиво регистрировалась только на самописцах. Ее уровень не превышал 155 дБ. Волнение водной поверхности в виде зыби силой в 2–3 балла приводит к тому, что интенсивность реверберации возрастает до 22–36 дБ. Во второй Д устойчиво наблюдается на индикаторах гидролокаторов и равна 105–145 дБ. Это объясняется тем, что в штилевую погоду у водной поверхности наилучшие отражающие характеристики. Рассеянный в обратном направлении сигнал во второй Д мал, что обнаруживается неустойчиво. В случае волнения водной поверхности в виде зыби, с одной стороны сохраняются благоприятные условия для отражения звуковых волн, с другой гораздо большая их часть переизлучается в обратном направлении.
При ветровом волнении силой 2–3 балла интенсивность реверберации в первой Д не изменяется (см. таблицу). Но, уменьшение длины волн с 50–80 м при зыби до 20–30 м при ветровом волнении, по всей видимости, изменяет условия отражения и рассеяния так, что интенсивность реверберации во второй Д превышает 125 дБ.
Статистические данные интенсивности поверхностной реверберации в
глубоководном сглаженном ПЗК (DС = 15–20 м/с).
| Состояние водной поверхности | Интенсивность реверберации, дБ (по отношению к излученному сигналу) | ||
| Первая ДЗАО | Вторая ДЗАО | Повторяемость реверберации во второй ДЗАО | |
Штиль | –38,4–45 (–41,5) | –155,4–160(–157) | 40 % |
|
Зыбь, высота волн до 1 м | –22,4–36 (–31,2) | –105,4–145(–119,5) | 100 % |
|
Ветровое волнение, высота волн до 1 м | –31 4–47 (–36,8) | –1254–145(–132,6) | 100 % |
|
Ветровое волнение, высота волн от 1,5 до 2,0 м | –25,4–38 (–29,8) | –155,4–160 (–158) | 15 % |
|
Увеличение высоты ветровых волн до двух метров незначительно увеличивает интенсивность реверберации в первой ДЗАО. Во второй Д только эпизодически регистрировалась на самописцах. Как пример на рис. 4 изображена рекордограмма с записью поверхностной реверберации.
 |
Рис. 4. Фрагмент рекордограммы с записью поверхностной реверберации.
Влияние донной реверберации на обнаружение
подводных объектов
Донная реверберация обусловлена наличием дна. Ее интенсивность зависит от глубины моря, типа грунта, рельефа морского дна. Среднестатистические значения донной реверберации в шельфовых районах не превышают 40–50 дБ. Но в районах, где морское дно имеет устойчивый подъем примерно 5–10 м на километр и более вдоль акустических трасс, интенсивность реверберации резко возрастает до 15–25 дБ. Здесь образуются устойчивые зоны маскирования, которые не позволяют обнаружить подводные объекты. Для проверки этих теоретических выводов был спланирован и проведен следующий эксперимент.
В одном из районов моря с уклоном дна 10 м на километр в точке с глубиной 400 м располагалась научно-исследовательская станция (НИС). Гидрологическим разрезом, выполненным по маршруту движения подводного аппарата из шести станций, был зафиксирован одинаковый сглаженный профиль скорости звука. Ось ПЗК на глубине 70 м, перепад скорости звука — 25 м/с. Грунт — ил. Гидрометеообстановка в период проведения эксперимента не изменялась и характеризовалась слабым ветром переменных направлений и отсутствием волнения.
Предварительными измерениями, при размещении антенн на горизонте 40 м, была определена интенсивность донной реверберации, которая не превышала 25–30 дБ, и протяженность зон маскирования (интенсивной яркостной засветки на индикаторе кругового обзора) от 14 до 30 км.
Заглубление антенн на семидесятиметровую глубину привело к увеличению интенсивности до 15–20 дБ и приблизило зону маскирования на 3 км. Погружение антенн на стометровую глубину практически не привело к изменению интенсивности донной реверберации, но зона маскирования сместилась и теперь располагалась на удалении 8 км от НИС.
Подводный аппарат должен был занять горизонт 60 м и со скоростью 3–5 узлов удаляться от НИС в сторону берега, через два часа всплыть в надводное положение на сеанс радиосвязи, а затем снова следовать на глубине 40–50 м.
После погружения подводного аппарата, с ним был установлен гидроакустический контакт на удалении 6,8 км. Акустическая антенна располагалась на глубине 100 м. На расстоянии 8,2 км, когда подводный аппарат вошел в зону маскирования, контакт с ним был потерян — интенсивность реверберации превышала полезный сигнал от подводного аппарата. Размещение антенны на горизонте 70 м привело к восстановлению устойчивого надежного контакта. На дистанции 12,5 км, когда аппарат вошел в зону маскирования, расположенную на 70 метровой глубине, контакт повторно был потерян.
Подъем антенны на сорокаметровую глубину позволил восстановить контакт и устойчиво поддерживать его, пока подводный аппарат третий раз не вошел в зону маскирования на расстоянии 14,1 км (рис. 5).
 |
При всплытии подводного аппарата и его повторном погружении на индикаторе кругового обзора он не обнаруживался.
Рис. 5. Схема проведения эксперимента в мае 1985 года.
Выводы
1. Параметры объемной реверберации определяются характеристиками черноморского подводного звукового канала: его шириной, перепадом скорости звука, стратификационными неоднородностями.
2. Интенсивность поверхностной реверберации в дальней зоне акустической освещенности зависит от степени волнения водной поверхности и достигает максимального значения при высоте поверхностных волн около одного метра.
3. В районах, где морское дно имеет устойчивый подъем, за счет интенсивной донной реверберации образуются зоны маскирования, затрудняющие обнаружение подводных объектов.
1. , , Энергетические спектры сигналов, рассеянных в обратном направлении взволнованной поверхностью // Акуст. гидр. — 1983. — Т. 29. — № 2. — С. 146-151.
2. Акустические поля Черного моря. — Севастополь: Гос. Океанариум, 1998. — 352 с.
3. Статистические свойства морской реверберации. — М.: Наука, 1966. — 202 с.
Поступила в редакцию 25.04.2002
