1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Акустический журнал
  4. T. 69, № 5, 2023

Акустический журнал, 2023, T. 69, № 5, стр. 595-607

Модели формирования доплеровского спектра поверхностной реверберации для звуковых волн метрового диапазона

М. Б. Салин a, *, А. В. Ермошкин a, Д. Д. Разумов a, Б. М. Салин a

a Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова Российской академии наук
603950 Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46, Россия

* E-mail: mikesalin@ipfran.ru

Поступила в редакцию 28.03.2023
После доработки 26.04.2023
Принята к публикации 22.06.2023

Аннотация

Проанализированы узкополосные спектры рассеянного на поверхностном волнении звука в частотном диапазоне от 500 до 3000 Гц. Рассмотрены экспериментальные результаты и теоретические модели. Проведен обзор ранее опубликованных работ авторов и представлены новые результаты. Первым характерным рассмотренным случаем является просветное рассеяние, когда передатчик и приемник звука существенно разнесены друг от друга в пространстве, и производится непрерывное излучение синусоидального сигнала. Для этого случая показано, что спектр модуляции рассеянного сигнала повторяет частотный спектр поверхностного волнения с определенным коэффициентом и малыми поправками. Вторым характерным рассмотренным случаем является моностатическая локация, когда приемник и передатчик совмещены и производится излучение тонально-импульсных сигналов. Ранее для этого случая неявно ожидалось, что спектр реверберации будет сформирован брэгговским рассеянием на поверхностных волнах, соответствующих половине длины звуковой волны, и, следовательно, спектр рассеянного сигнала будет иметь дискретный вид. Но результаты экспериментов свидетельствуют о том, что спектры моностатического рассеяния имеют плавную колоколообразную форму. Для объяснения этого требуется учитывать эффекты модуляции коротких поверхностных волн длинноволновой составляющей. Дополнительно для объяснения экспериментального феномена авторами подключается модель рассеяния звука на пузырьках воздуха, которые находятся в приповерхностном слое воды и совершают колебательные движения в поле орбитальных течений поверхностных волн.

Ключевые слова: морская низкочастотная реверберация, обратное рассеяние, просветное рассеяние, пузырьки газа в воде, ветровое волнение, сила рассеяния, спектр реверберации

Список литературы

  1. Урик Р.Дж. Основы гидроакустики. Л.: Судостроение, 1978.

  2. Bjørnø L. Chapter 5. Scattering of Sound. In Applied Underwater Acoustics; Neighbors T.H., Bradley D., Eds. Elsevier: Amsterdam, The Netherlands, 2017. P. 297–362. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-811240-3.00005-9

  3. Hartstra I., Colin M., Prior M. Active sonar performance modelling for Doppler-sensitive pulses // Proc. Meet. Acoust. 2021. V. 44. P. 022001. https://asa.scitation.org/doi/abs/10.1121/2.0001454

  4. Dol H.S., Colin M.E., Ainslie M.A., Van Walree P.A., Janmaat J. Simulation of an underwater acoustic communication channel characterized by wind-generated surface waves and bubbles // IEEE J. Ocean. Eng. 2013. V. 38. № 4. P. 642–654. https://doi.org/10.1109/JOE.2013.2278931

  5. Бреховских Л.М., Лысанов Ю.П. Теоретические основы акустики океана. М.: Наука, 2007. С. 249–306.

  6. Салин Б.М., Салин М.Б. Методы расчета низкочастотной поверхностной реверберации при известных характеристиках морского волнения // Акуст. журн. 2011. Т. 57. № 6. С.818–827.

  7. Hayek C.S., Schurman I.W., Sweeney J.H., Boyles C.A. Azimuthal dependence of Bragg scattering from the ocean surface // J. Acoust. Soc. Am. 1999. V. 105. P. 2129–2141. https://asa.scitation.org/doi/10.1121/1.426817

  8. Лебедев А.В., Салин Б.М. Исследование эффектов локализации областей рассеяния звука на ветровом волнении // Акуст. журн. 2004. Т. 50. № 6. С. 813–826.

  9. Салин Б.М., Салин М.Б., Spindel R.C. Расчет спектра реверберацонной помехи для доплеровской схемы локации // Акуст. журн. 2012. Т. 58. № 2. С. 258–266.

  10. Neighbors T.H., Bjørnø L. Anomalous low frequency sea surface reverberation // Hydroacoustics. 2001. V. 4. P. 181–192.

  11. Андреева И.Б. Сравнительные оценки поверхностного, донного и объемного рассеяния звука в океане // Акуст. журн. 1995. Т. 41. № 5. С. 699–705.

  12. Салин Б.М., Бородина Е.Л., Салин М.Б. Оценка поверхностной реверберации и характеристик ветрового волнения, выполненные на основе анализа видеоизображения морской поверхности // Сб. тр. XXII сессии Российского акустического общества. Т. 2. М.: ГЕОС, 2010. С. 305–308.

  13. Авербах B.C., Бондарь Л.Ф., Голубев В.Н., Гольдблат В.Ю., Долин Л.С., Нечаев А.Г., Пигалов К.Е., Смирнов Г.Е., Тумаева Е.И. Дальняя поверхностная реверберация звука в океане // Акуст. журн. 1990. Т. 36. № 6. С. 1119–1121.

  14. Салин М.Б., Потапов О.А., Салин Б.М., Чащин А.С. Измерение характеристик обратного рассеяния звука на взволнованной поверхности в прожекторной зоне фазированной антенной решетки // Акуст. журн. 2016. Т. 62. № 1. С. 70–86.

  15. Ermoshkin A.V., Kosteev D.A., Ponomarenko A.A., Razumov D.A., Salin M.B. Surface waves prediction based on long-range acoustic backscattering in a mid-frequency range // J. Mar. Sci. Eng. 2022. V. 10. № 6. P. 722. https://doi.org/10.3390/jmse10060722

  16. Салин Б.М., Кемарская О.Н., Молчанов П.А., Салин М.Б. Исследование механизма уширения спектра низкочастотного реверберационного сигнала при рассеянии звука на приповерхностных неоднородностях в условиях интенсивного ветрового волнения // Акуст. журн. 2017. Т. 63. № 3. С. 314–322.

  17. Салин Б.М., Салин М.Б. Механизмы формирования спектральных характеристик низкочастотной реверберации и прогнозные оценки // Акуст. журн. 2018. Т. 64. № 2. С. 197–206.

  18. Ermoshkin A., Kapustin I. Estimation of the wind-driven wave spectrum using a high spatial resolution coherent radar // Russ. J. Earth Sci. 2019. V. 19. № 3. P. 1. https://doi.org/10.2205/2019ES000662

  19. Ермошкин А.В., Капустин И.А., Мольков А.А., Богатов Н.А. Определение скорости течения на морской поверхности доплеровским радиолокатором X-диапазона // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2020. Т. 13. № 3. С. 93–103. https://doi.org/10.7868/S2073667320030089

  20. Бурдуковская В.Г., Хилько А.И., Коваленко В.В., Хилько А.А. Анализ влияния длинных поверхностных волн на формирование рассеянного ветровым волнением акустического поля в океанических волноводах // Акуст. журн. 2019. Т. 65. № 6. С. 763–773.

  21. Байдаков Г.А., Досаев А.С., Разумов Д.Д., Салин М.Б. Оценка уширения спектра коротких поверхностных волн при наличии длинноволнового волнения // Изв. ВУЗов. Радиофизика. 2018. Т. 61. № 5. С. 374–384.

  22. Салин М.Б., Разумов Д.Д. Особенности дифракции звука на взволнованной водной поверхности в среднем диапазоне частот // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2021. Т. 14. № 4. С. 98–110.

  23. Deane G.B., Stokes M.D. Scale dependence of bubble creation mechanisms in breaking waves // Nature. 2002. V. 418. № 6900. P. 839–844.

  24. Hall M.V. A comprehensive model of wind-generated bubbles in the ocean and predictions of the effects on sound propagation at frequencies up to 40 kHz // J. Acoust. Soc. Am. 1989. V. 86. № 3. P. 1103–1117.

  25. Vagle S., McNeil C., Steiner N. Upper ocean bubble measurements from the NE Pacific and estimates of their role in air-sea gas transfer of the weakly soluble gases nitrogen and oxygen // J. Geophys. Res.: Oceans. 2010. V. 115. № C12. C12054. P. 1–16.

  26. Vagle S., Gemmrich J., Czerski H. Reduced upper ocean turbulence and changes to bubble size distributions during large downward heat flux events // J. Geophys. Res.: Oceans. 2012. V. 117. № C7. C00H16. P. 1–12.

  27. Акуличев В.А., Буланов В.А. Акустические исследования мелкомасштабных неоднородностей в морской среде. Владивосток: ТОИ ДВО РАН, 2017. С. 182–188.

  28. Akulichev V.A., Bulanov V.A. Measurements of bubbles in sea water by nonstationary sound scattering // J. Acoust. Soc. Am. 2011. V. 130. № 5. P. 3438–3449.

  29. Акуличев В.А., Буланов В.А., Кленин С.А. Акустическое зондирование газовых пузырьков в морской среде // Акуст. журн. 1986. Т. 32. № 3. С. 289–296.

  30. Капустин И.А., Ермошкин А.В., Богатов Н.А., Мольков А.А. Об оценке вклада приводного ветра в кинематику сликов на морской поверхности в условиях ограниченных разгонов волнения // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. Т. 16. № 2. С. 163–172.

  31. Розенберг А.Д. Исследование морской поверхности радио и акустическими методами. Диссертация. Москва, 1980. 237 с.

  32. Dahl P.H., Plant W.J., Nützel B., Schmidt A., Herwig H., Terray E.A. Simultaneous acoustic and microwave backscattering from the sea surface // J. Acoust. Soc. Am. 1997. V. 101. № 5. P. 2583–2595.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Акустический журнал

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал