Методы натурных измерений акустических характеристик

Методы натурных измерений акустических характеристик
звукорассеивающих слоев
Эхолоты промера глубин были первыми акустическими приборами, которые использовались для исследований звукорассеивающих слоев открытого
океана. Они имели направленные приемно-излучающие системы жестко связанные с корпусом судна и ориентированные вертикально вниз и излучали короткие тонально-импульсные посылки с несущей частотой в десятки кГц. Помимо
отражений от дна океана эхолоты принимали и сигналы, "отраженные", точнее
рассеянные, звукорассеивающими слоями. Эти записи могли делаться и на ходу
судна и позволяли непрерывно регистрировать вдоль трассы движения и глубину рассеивающего слоя и его вертикальную протяженность (толщину). Этот метод имеет два существенных недостатка. Во-первых, он не позволяет определять
энергетические характеристики рассеяния (коэффициент рассеяния и сила слоя),
а, во-вторых, каждый эхолот работает на одной фиксированной частоте в диапазоне десятков кГц, в то время как ЗРС рассеивают звук в широкой полосе частот
от единиц до сотен кГц.
Подводные взрывы небольших зарядов при изучении звукорассеивающих слоев наиболее часто использовались в качестве широкополосных источников звука как зарубежными, так и отечественными исследователями. Подводный взрыв можно рассматривать как широкополосный, источник звука достаточно большой мощности ([1], (с.375)).
Примечание. Благодаря большой глубине океана волна взрыва не оказывает заметного воздействия на живые организмы, При браконьерских взрывах
на мелководных водоемах рыба гибнет не от прохождения короткой ударной
волны, а от воздействия многократно повторяющихся отражений дноповерхность.
В Советском Союзе такие работы были начаты в 1958г. и в разные годы
велись
на
научно-исследовательских
суднах
«ВИТЯЗЬ»,
«МИХАИЛ
ЛОМОНОСОВ», «ПЕТР ЛЕБЕДЕВ» и «БОРИС КОНСТАНТИНОВ».
Зондирование ЗРС сверху, от поверхности при взрывных источниках
звука использовалось наиболее широко. При натурных измерениях, проводившихся в Акустическом институте [2], заряд весом 0.2 кг подвешивался на не-
большом поплавке на глубине 0,5-0,6 м, что исключало пульсации газовой полости, образующейся при взрыве. Гидрофон опускался на глубину около 10 м, и
это выводило его из зоны налипания пузырьков воздуха, образующихся при
волнении поверхности и при взрыве.
Широкополосный подводный приемник работал в диапазоне частот от
2-3 до 20-30 кГц и принимал как прямой, так и рассеянные сигналы. Заряд был
снабжен электродетонатором, подрываемым с борта судна. Направленности
взрывного источника звука и гидрофона были почти сферическими в рассматриваемом диапазоне частот. Первые 0,2-0,3 с после момента взрыва в принятом
сигнале могло превалировать рассеяние звука поверхностью океана, но позже
всегда доминировало рассеяние возникающее в толще воды. Поверхностное
рассеяние определяет глубину мертвой зоны метода измерений, 150-200 м, и не
позволяет получать надежную информацию о ЗРС в темное время суток, когда
слои поднимаются вплотную к поверхности.
Первым элементом схемы обработки было шесть относительно узкополосных частотных фильтров в диапазоне от 3 до 20 кГц. Зависимость давления р
от времени t на выходе каждой из частотных полос возводилась в квадрат и детектировалась; далее вводились поправки на расхождение и поглощение звука
при распространении, а также множители, учитывающие энергетику источника
и приемника. Далее можно было вычислять искомые акустические характеристики рассевающих слоев. Вычислялась зависимость силы слоя М от времени t.
Затем, в предположении плоскослоистости скоплений рассеивателей, на каждой
из частот осуществлялся переход от функции М(t) к функции М(z) (z - глубина).
Зависимость коэффициента обратного объемного рассеяния от глубины, m(z),
находилась путем дифференцирования по z экспериментально полученной
функции М(z).
В каждом опыте с интервалом 3-5 минут выполнялось 5-12 взрывов, результаты которых усреднялись. Работы проводились во время дрейфа судна и,
следовательно, информация о ЗРС по трассе движения могла быть получена
только по точкам, что является недостатком этого метода.
Зондирование ЗРС снизу. Для расширения возможностей метода, схема
измерений была нами модифицирована так, чтобы получить возможность опус-
кать точку излучения-приема (взрыв и рядом расположенный приемник) под
рассеивающие слои.
Отвечающая этим требованиям опускная система схематически изображена здесь на рисунке. Система состоит из: прочного корпуса, в котором находится предварительный усилитель и схема подрыва зарядов, управляемая с борта судна через кабель; легкой конструкции, несущей заряды и соединенной с
прочным корпусом кабелем и тонким фалом длиной около 30 м; сферического
звукоприемника, помещенного между ними.
Схематическое изображение опускной системы "ЛЕСЕНКА"
Конструкция, несущая заряды, состоит из горизонтальных стальных трубок и двух капроновых фалов, скрепляющих их так, как скрепляют перекладины
веревочной лестницы. Между концами трубок на шпагате растянуты заряды с
электродетонаторами, которые подсоединены к схеме подрыва в прочном корпусе.
Основным элементом схемы подрыва является шагоискатель, который по
команде из судовой лаборатории поочередно подсоединяет каждый из детонаторов к единой взрывной линии, идущей с борта судна. Управление шагоискате-
лем и передача сигнала поджига детонаторов осуществляются судовым оператором через кабель, соединяющий опускную систему с бортовой лабораторией. По
другим жилам этого кабеля подается питание на предварительный усилитель, и с
него же снимается сигнал, принятый гидрофоном. Заглубление гидрофона повышает чувствительность схемы за счет удаления приемника от борта и дает
возможность надежно измерять энергетические характеристики слоев от поверхности до максимальной глубины их существования (около1500 м). Дистанционные измерения уровней объемного рассеяния в каждом опыте проводились
последовательно при разных глубинах опускания «ЛЕСЕНКИ». Это обеспечило
получение достоверных результатов как о структуре верхних слоев в темные часы суток, так и об объемном рассеянии на самых больших глубинах.
Объемное рассеяние на больших глубинах измерялось также с использованием "Лесенки". Измерения велись локальным методом на глубинах свыше
2 км. Измерялась средняя величина коэффициента обратного объемного рассеяния в шаровом слое, толщина которого соответствовала эффективной длительности посылки, а радиус - времени запаздывания прихода рассеянного сигнала к
приемнику. Практически можно было начинать измерения после того как этот
радиус достигал 80-100 м и кончались переходные процессы в схеме. Это обеспечивало разрешающую способность по глубине не хуже 200 м, что было достаточно для измерений на больших глубинах, где рассеивающие свойства морских
вод достаточно однородны.
Помимо исследований ЗРС, опускная система "Лесенка", нашла широкое
применение и в других натурных исследованиях подводного рассеяния звука,
проводимых Акустическим институтом. С ее помощью изучалось обратное рассеяние звука поверхностью океана и рассеяние звука глубоким дном при малых
углах скольжения. Аналогов такой системы нам не известно.
Направленные акустические антенны также использовались Акустическим институтом для измерения акустических характеристик звукорассеивающих слоев (НИС "БОРИС КОНСТАНТИНОВ"). На этом судне стационарно
были установлены акустические приемно-излучающие антенны, которые закреплялись на батипостах судна и через шахты в его днище могли опускаться до
глубины около 0,6 км. Антенн было несколько, они работали на частотах от 3 до
30 кГц и закреплялись посменно на раме батипоста. Пространственная ориента-
ция антенн контролировалась с борта судна и могла изменяться в широких пределах.
При изготовлении антенн принимались меры для уменьшения боковых
лепестков. Несмотря на это всегда оставалась некоторая неопределенность в
оценке формы диаграммы направленности и, особенно роли боковых лепестков,
что особенно важно при зондировании среды, заполненной объемными рассеивателями. И эта неопределенность была тем больше, чем уже был главный максимум диаграммы направленности, ширина которого на относительно высоких
частотах составляла единицы градусов. Кроме того, процесс измерений характеристик ЗРС с помощью антенн батипостов (особенно при необходимости
смены частот) требовал многих часов для проведения опыта, в то время как использование широкополосного взрывного источника звука позволяло провести
пяти-шести кратное зондирование за 20-30 минут. Эти обстоятельства всегда
мешают количественным измерениям объемного рассеяния с помощью направленных систем и часто сводят на нет их преимущества.