Экспериментальные средства и методы инфразвукового мониторинга мелкого моря тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

-Российская Академия наук Институт общей физики

На правах рукописи УДК 634 (204.1); 551.663

МАСЛОВ Игорь Александрович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ИНФРАЗВУКОВОГО МОНИТОРИНГА МЕЛКОГО МОРЯ

(Специальность—01.04.06—акустика)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва 1998

Работа выполнена в Институте общей физики Российской Академии наук.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: доктор физико-математических наук,

профессор А. Г. ГОРЕЛИК;

доктор физико-математических наук

И. Ф. КАДЫКОВ; доктор технических наук, профессор Л. Е. СОБИСЕВИЧ.

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ

физический факультет Московского Государственного Университета им. М. В. Ломоносова.

Защита состоится " Хг? " ¿^¿✓¿^.-р_1998 г. в АЪ_часов

на заседании Диссертационного Совета Д-003,49.02 в Институте общей физики РАН по адресу: 117942, г. Москва, ГСП-1, ул. Вавилова, 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института общей физики РАН.

Автореферат разослан ". СХ 1998

Ученый секретарь Диссертационного Совета Д-003.49.02 доктор физико-математических наук,

профессор

В. П. БЫКОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Активное освоение природных ресурсов мелководных акваторий Мирового океана, в частности, шельфовых зон и окраинных морей, нуждается в контроле за состоянием природной среды. Широкие возможности для этого предоставляет гидроакустика [1], [2]. Объектами контроля могут быть энергоактивные зоны океана, очаговые зоны землетрясений, зоны дивергенции и конвергенции водных масс и фронтальные зоны, трассы распространения звука на акваториях. Для повышения дальности акустического мониторинга принято ориентироваться на более низкие частоты регистрируемых сигналов в связи с их меньшим затуханием в водной среде. С понижением рабочих частот возникает проблема "мелкого", по сравнению с длиной волны, моря. В условиях мелкого моря к рефракционным эффектам добавляются эффекты взаимодействия звука с дном и особую роль играют инфразвуковые колебания, представленные волнами, основная энергия которых распространяется в донной среде. Современные представления о закономерностях генерации и распространения в природных средах упругих колебаний включают присущие этим процессам эффекты взаимной трансформации гидроакустических и сейсмоакустических волн, что вынуждает ставить вопрос о комплексном подходе к изучению акустическими средствами характеристик водного и донного каналов распространения звука.

Цель работы состояла в экспериментальном исследовании процессов, сопровождающихся излучением упругих колебаний и приводящих к временной и пространственной изменчивости акустических волновых полей в водном и донном каналах распространения звука, для исследования на этой базе возможностей ин-фразвукового сейсмоакустического мониторинга мелкого моря.

Основные направления решения поставленных задач включали:

— оптимизацию приемной аппаратуры для измерения инфра-звуковых полей, в том числе для измерения инфразвуковых полей с использованием параметрических приемников и приемных систем, и разработку эффективных способов анализа измерительной информации.

— анализ акустических шумов, излучаемых в инфранизких частотных диапазонах природными и техническими источника-

ми звука, разработку методов их использования для мониторинга, организацию и проведение лабораторных и натурных экспериментов для проверки предлагаемых аппаратурных и методических решений.

— разработку физических основ прогноза стационарных особенностей акустических свойств каналов распространения звука для повышения информативности и достоверности результатов дистанционного акустического зондирования акваторий.

Научная новизна диссертационной работы определяется тем обстоятельством, что к моменту опубликования практически все основные данные, приведенные в ней, были новыми.

В результате проведенных исследований в работе:

* получили развитие методы пассивного акустического зондирования водного и донного каналов распространения звука на акваториях, при которых источниками полезных сигналов являются природные источники инфразвука, в частности, землетрясения.

* предложены и подтверждены экспериментально новые способы инфразвукового зондирования мелководных акваторий с использованием шумов окружающей среды, шумов судоходства и низколетящих самолетов. В частности, обнаружены и исследованы сейсмоакустические сигналы в диапазоне частот 0,15— 0,25 Гц, сопровождающие движение судов в мелководных акваториях.

* осуществлена разработка оригинальных измерительных средств для проведения низкочастотных и инфранизкочастот-ных акустических измерений. Развит подход к измерению акустических волновых полей, основанный на использовании параметрического приема звука с использованием акустических и радиоволн.

* экспериментально установлена связь с аномальным гравитационным полем акватории областей интенсивного затухания инфразвука в мелком море, характеризующихся активными движениями водных масс, которые обедняют модовый состав звуковых колебаний и приводят к потере их чувствительности к изменениям профиля скорости звука. Предсказана и подтверждена независимыми наблюдениями возможность прогноза положения зон стационарных движений водных масс (течений, вергенций и др.) на основе информации о структуре аномального гравитационного поля.

* установлена связь изменений времен пробега и энергии принимаемых в мелком море инфразвуковых сигналов с изменениями упругих параметров среды в структурах дна акватории. Предложена и обоснована возможность прогноза областей фокусировки и рассеяния упругих волн в структурах морского дна на основе интерпретации гравитационных аномалий.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что полученные результаты могут быть использованы для:

* развития методов пассивной инфразвуковой гидролокации, основанных на использовании сигналов природных источников и технических шумов.

* проведения судовых наблюдений с буксируемыми или дрейфующими антеннами, позволяющих оперативно организовать автономные пункты регулярных наблюдений вблизи эпицент-ральных зон с использованием мобильного информационно-измерительного комплекса. Этот комплекс включает инфранизко-частотные гидрофоны и цифровые гидроакустические антенны и обеспечивает возможность осуществлять в ждущем режиме контроль за импульсными сигналами в судовых условиях.

* измерений акустических волновых полей в зоне контакта воздушной и водной сред и исследования нелинейности упругих свойств донного звукового канала с помощью параметрических приемных устройств,

* контроля стратификации среды и определения расстояния до источника звукоряда на основе анализа взаимных фазовых спектров окружающих шумов мелководной акватории.

* использования инфразвуковых шумов судоходства для диагностики акустических свойств донного канала распространения звука.

* оперативного контроля затухания звука на протяженных трассах с использованием гидроакустических сигналов воздушных источников.

прогнозирования условий распространения звука в водном и донном каналах мелкого моря на основе установленной связи условий затухания инфразвуковых сигналов в мелком море с гравитационным полем акватории.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Развитие актуального направления акустики природных сред — инфразвуковой акустики мелкого моря.

2. Теоретическое и экспериментальное обоснование новых методов инфразвукового зондирования и контроля состояния мелкого моря, основанных на использовании природных и технических шумов в качестве источников сигналов.

3. Разработка измерительных преобразователей и информационно-измерительного комплекса для акустического контроля состояния и изменчивости каналов распространения звука на мелководных акваториях.

4. Экспериментальная реализация акустического мониторинга с использованием звуковых и СВЧ параметрических приемных систем.

5. Результаты экспериментального исследования связи гидролого-акустических параметров, определяющих информативность дистанционного инфразвукового зондирования мелкого моря, с гравитационным полем акватории.

6. Предложение и обоснование эффективного прогноза формирования аномальных условий распространения звука в водном и донном каналах мелкого моря.

Достоверность результатов диссертационной работы определяется применением современных методов исследований, комплексным характером измерений, воспроизводимостью результатов, согласием полученных данных с теоретическими оценками, проведенными с помощью современных физических моделей, и с известными экспериментальными результатами.

Апробация результатов работы и публикации.

Результаты диссертации доложены и обсуждены на IV Международной конференции по технике гидрографии (Оттава, Канада, 1979 г.), Совместной сессии Американского и Канадского Геофизических Союзов (Фредериктон, Канада, 1980 г.), Проблемных семинарах Обсерватории Везувия "Аномальные движения шельфа и побережья Неаполитанского залива" (Неаполь, Италия, 1980, 1982, 1985, 1987 гг.), Всесоюзной школе по проблеме "Модели изменения напряженно-деформированного состояния среды в приложениях к прогнозу землетрясений" (Аппа-титы, ИГ АН СССР, 1981 г.), Проблемном семинаре "Физическая интерпретация данных дистанционного зондирования масштабной динамики водных масс Средиземного моря" физического факультета Университета "Ла Сапиенца" (Рим, Италия, 1985 г.), Научно-технических семинарах по проблеме "Методы обработки базы данных при геофизическом мониторинге природных

сред" Пензенского Политехнического Института (Пенза, 1983— 1993 гг.), Международном Симпозиуме "Приложения фотограмметрии и дистанционного зондирования для картографии и создания базы данных" (Цукуба, Япония, 1990 г.).

Основные материалы диссертации опубликованы в 40 статьях в отечественных и зарубежных изданиях по работам, выполненным автором в период 1960—1996 гг. Общий список публикаций автора включает более 60 работ и 12 изобретений.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из Введения, шести глав и Заключения. Она содержит 230 страниц текста, 39 рисунков, 10 таблиц и список литературы из 328 наименований. Каждая глава заканчивается сводкой основных результатов в форме кратких выводов.

Личный вклад автора. В диссертацию вошли исследования, выполненные автором в Институте физики Земли им. О. Ю. Шмидта АН СССР в 1960—1981 гг. и в Институте общей физики АН СССР в 1982—1997 гг. Автору принадлежит выбор научного направления, постановка конкретных задач, организация выполнения теоретических и экспериментальных исследований, получение основных результатов и их интерпретация. Экспериментальная часть работы выполнена в сотрудничестве с А. Т. Ерохиным, А. Г. Иноземцевым, С. И. Кутаковым, А. Н. Медведевым, И. И. Науменко-Бондаренко, В. В. Ратушным.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность темы, выбор объектов и методов исследования. Сформулированы цель и конкретные задачи работы, перечислены новые результаты, раскрыта их практическая ценность, представлены положения, выносимые на защиту, дана краткая характеристика основных разделов диссертации.

Первая глава представляет литературный обзор современного состояния и задач акустических методов контроля природных сред на акваториях. В ней проанализировано современное состояние и определены некоторые тенденции развития методов акустического мониторинга [3], [4], как активных, функционирование которых связано с излучением энергии в окружающую водную среду [5], [6], так и пассивных, использующих излучения, создаваемые природным [7], [8], или техническим [9], [10] объектом с сигналами в диапазоне частот от сотых долей до сотен герц. Для регистрации волновых процессов в среде развивается подход, основанный на использовании воздействия исследуемого волнового процесса на физические свойства среды распространения [11]—[13].

Вторая глава посвящена исследованию природных инфразву-ковых полей на акваториях и разработке средств для их регистрации и контроля состояния и динамики природных сред. В # 2.1 рассмотрены природные механизмы генерации на акваториях гидроакустических и сейсмических полей. В мелководных (до 100 м) акваториях основными источниками помех являются действие поверхностных гравитационных волн и микросейсмические колебания в полосе частот от 0,03 Гц до 100 Гц. Заметным является пик донных микросейсм на частотах выше 0,1 Гц. Энергия и частотный состав природных шумов зависят от местных условий, однако их общей характеристикой является наличие областей с минимумом звуковой энергии в полосе частот от 0,03 до 0,1 Гц с последующим пиком около 1 Гц и следующим за ним спадом энергии шумов в области более высоких частот [14] с "окном" в области частот 5—10 Гц.

Показано, что в мелком по сравнению с длинами поверхностных гравитационных волн море по измерениям придонных колебаний давления можно судить об активности и структуре поверхностного волнения моря в ближней зоне, а по характеристикам

смещений приборного контейнера — об упругих свойствах донных структур [I*], [2*3. В заливе Хара-Лахт Балтийского моря донными гравиметрами с периодом собственных колебаний 4—5 с, разработанными П. И. Лукавченко и И. И. Науменко-Бондарен-ко, на глубине 9 м при волнении моря 3 балла нами были зарегистрированы изменения давления с амплитудой 500 Па и обусловленные ими смещения контейнера на 20—30 мкм с теми же частотами, от 063 до 0,12 Гц, что и вариации поверхностного волнения. Исследования микросейсм позволяют судить об активности и структуре поверхностного волнения моря в дальней зоне и акустических свойствах донных структур в месте их генерации [153.

В # 2.2 анализируются характеристики акустических сигналов мощных взрывов и землетрясений и перспективы их использования для определения места положения и энергии источника по наблюдениям на акваториях. Импульсные источники колебаний (землетрясения, мощные взрывы) порождают семейство упругих волн, отличающихся поляризацией и скоростью распространения. В водную среду частично переизлучаются звуковые волны из подстилающей упругой слоистой среды, а также возникают реверберационные колебания в водном слое в районе пункта наблюдения. С использованием этого типа волн вступление Р-фазы сигнала определяется моментом появления сигнала с известной частотой, которая определяется глубиной места наблюдения.

Расстояние до источника сигнала определяют по разности времен вступления продольной, Р-волны, распространяющейся с известной фазовой скоростью в мантии, и фазы максимальной интенсивности поперечной, Б-волны) или волны Рэлея, распространяющейся с известной групповой скоростью. На акваториях эпицентральное расстояние можно определять по разностям времен прихода водной, Т-фазы, и донной, Р-фазы сигнала.

Для определения энергии (магнитуды) источника используется информация об амплитуде и спектральном сейсмических сигналов, которая зависит от энергии землетрясения, от типа волны, от потерь по трассе распространения и от особенностей сейсмо-геологической структуры в пунктах излучения и регистрации. Интенсивность Т-фазы сигнала напрямую связана с энергией источника, поэтому для определения мощности источника можно использовать ее сигналы [16]. На интенсивность принимаемых сигналов Т-фазы существенное влияние оказывают

условия распространения звука по трассе источник — приемник и условия вблизи приемников. Более подробно этот вопрос рассмотрен в Главе IV.

Проведенный анализ позволил сделать заключение, что землетрясения являются источниками гидроакустических сигналов в диапазоне частот от единиц до десятка Гц: Р-фазы от 0,2 до 4,0 Гц, Т-фазы — от 2,0 до 50 Гц и поверхностных волн в полосах частот 5,0-—0,5 Гц; 0,25—0,08 Гц и до 0,025 Гц и ниже. Поскольку значительная часть энергии сигнала содержится в инфранизкоча-стотной области спектра, от 5 Гц до 0,1—0,025 Гц и распространяется в водной среде в виде волны Рэлея, целесообразно включить ее в число измеряемых типов волн с тем, чтобы использовать при судовых наблюдениях методы анализа сигналов, применяемые при сейсмических наблюдениях на континентах.

В # 2.3 определены требования к информационно-измерительным системам регистрации и анализа информативных параметров сейсмических и гидроакустических сигналов землетрясений в судовых условиях для создании систем контроля, размещаемых вблизи исследуемой области. Исследованиям элементов разработанного нами информационно-измерительного комплекса посвящен # 2.4. Комплекс конструкции А. Н. Медведева и С. И. Кутакова, (Рис. 1), включал буксируемую гидроакустическую антенну бесшлангового типа, устройство предварительной обработки информации, устройства регистрации аналоговой информации, устройство регистрации цифровой информации, ЭВМ, приборы хранения времени и вспомогательные контрольно-измерительные приборы.

Аналого-цифровая антенна обеспечивала прием гидроакустических сигналов по 9 каналам в полосе частот 1—300 Гц на глубинах до 1500 м [17]. Все элементы прошли лабораторные испытания и показали свое соответствие техническим требованиям.

При сейсмоакустических исследованиях на акваториях наиболее сложными является задача измерений низкочастотных акустических сигналов в судовых условиях. Для исследования шумов и помех в разных режимах измерений нами была предпринята экспедиция в Атлантический океан на НИС "Академик Иоффе" [17], [18]. Эксперименты с аналого-цифровой антенной, проведенные С. И. Кутаковым, Ю. Н. Жуковым и А. Н. Медведевым, показали, что при постановке антенны с борта дрейфующего судна структура шума имеет ярко выраженную тенденцию

Рис. 1. Функциональная схема информационно-измерительного комплекса.

спада спектрального уровня с ростом частоты [17]. Шумы в высокочастотной части обусловлены, в основном, собственными шумами акватории и шумами судовых механизмов, а в низкочастотной части их уровень определяется конструкцией антенны, способом ее "развязки" от корпуса судна и качкой. Изменчивость шума с глубиной проявлялась лишь на первых 200 м, где его уровень спадал на 6—10 дБ. При буксировке антенной линии с помощью динамического заглубителя по скоростями до 10 узлов шумы в полосе частот 100—500 Гц не превышали единиц Па, что позволило зарегистрировать тональные сигналы 100— 300 Гц, излучавшиеся с НИС "Академик Вавилов" на удалениях от 1200 до 2000 км. Результаты экспериментов показали, что режим буксировки антенны не является оптимальным по соотношению сигнал/шум, однако, при определенных условиях, регист-

рация импульсных сигналов возможна и в этом режиме. При проведении судовых наблюдений на акваториях сигналов землетрясений и мощных взрывов предложено осуществлять их регистрацию с помощью антенн, опущенных с борта дрейфующего судна, или дрейфующих вертикальных антенн. В последнем случае для уменьшения влияния поверхностного волнения эффективно использовать поплавковые демпфирующие устройства, аналогичные применяемым в морской гравиметрии.

При регистрации на акваториях инфранизкочастотных колебаний использование широкополосных низкочастотных гидрофонов имеет ряд достоинств, к числу которых относится, в частности, возможность одним прибором измерять сигналы от удаленных и ближних источников, а определение во всем диапазоне измеряемых частот одного кинематического параметра позволяет точнее восстанавливать истинную форму сигнала. С. И. Кута-ковым был разработан гидрофонный модуль, отличающийся от обычно используемых включением пьезокерамического преобразователя в режиме короткого замыкания. Результаты лабораторных испытаний показали его работоспособность и возможность регистрации сигналов с частотами до 0,01 Гц. Натурные испытания были проведены нами на оз. Валдай, где гидрофон был помещен на дно в слой неконсолидированных илистых осадков [3*]. Сопоставление временной структуры регистрируемых сигналов со структурой колебаний поверхности воды позволило сделать вывод, что фоновые колебания, регистрируемые гидрофоном, обусловлены смещениями водной поверхности с характерными периодами от 1 до 30 с, которые соответствуют гармоникам сейшевых колебаний водной массы.

В # 2.5 проанализированы результаты испытаний элементов судового информационно-измерительного комплекса в стационарных условиях при использовании его для регистрации в ноябре 1988 г. на оз. Валдай сигналов удаленного мощного взрыва. На перспективность использования внутренних водоемов для регистрации сигналов мощных взрывов и землетрясений первыми, по-видимому, указали А. И. Клименко и Ю. Н. Жуков. В экспериментах нами были использованы две гидроакустические антенны (аналоговая и цифровая), и сейсмограф СМ-3 с резонансной частотой 1 Гц, установленный на береговом фундаменте. Сигналы взрыва были синхронно зарегистрированы сейсмографом и гидрофонами.

1 к 1

Л -и Л/\А Л лЛ Лл-ч

СЧ Ни- ■ [ Г т у ) * ■V »

2

£

1

5 Л

.м Т. У Р У Л

б' :36ь ин 1 ..... ( 1 1

40 с

время

45 с

50 с

55 с

»

и

6ч 16 ш н

5сек

Рис. 2. Сигналы удаленного взрыва, зарегистрированные на оз. Валдай. а\ — записи первого вступления сигналов.

1 — запись сигнала береговым сейсмоприемником.

2 — запись сигнала водным гидрофоном аналоговой антенны.

3 — запись сигнала донным гидрофоном аналоговой антенны.

Ь\— запись второго вступления сигнала гидрофоном цифровой антенны.

Ь

Одновременно с первым вступлением сигнала Р-фазы, были зарегистрированы колебания с двойной амплитудой 0,4 Па. Их частота (6—7 Гц) близка к частоте кратно-отраженной волны, соответствующей толщине водного слоя в месте установки гидрофонов. Полученные результаты, в частности, показали целесообразность организации на мелководных водоемах гидроакустических наблюдений, позволяющих оперативно организовывать контроль за сейсмическим режимом территории в широком диапазоне частот.

В третьей Главе исследованы шумы движения надводных и воздушных транспортных средств и пути использования их для инфразвукового мониторинга мелководных акваторий. В # 3.1 рассмотрены условия генерации инфразвука надводными транспортными средствами, его характеристики в разных диапазонах частот. При этом выделены две группы шумов судоходства: шумы, возбуждаемые судном, как самодвижущимся инженерным сооружением (вибрации корпуса, шумы механизмов и движителей), и шумы, возбуждаемые движением судна в водной среде (сейшевые колебания акватории, внутренние волны в водной среде и на границе с дном) [4*], [5*].

В 1959—1961 гг. в мелководном заливе Хара-Лахт Балтийского моря в процессе контролируемого прохождения судов разного водоизмещения над приборами [1*], [2*] нами были впервые экспериментально обнаружены и исследованы сейсмоакус-тические сигналы в диапазоне частот 0,15—-0,25 Гц. Типичные записи изменений придонного давления и смещений дна приведены на Рис. 3 а/—<}/, при этом частотные характеристики сигналов давления и сейсмических сигналов показали их полное совпадение.

Зарегистрированные сигналы характеризовались следующими величинами:

— для судна среднего водоизмещения при скорости движения около 7 м/с смещения дна имели длины волн 30—40 м с периодами от 4,8 до 5,7 с и со временем затухали экспоненциально с коэффициентом от 4,010_3 до 6,5-10~3.

— для судна большого водоизмещения при той же скорости длины волн достигали 20—30 м с периодами 4,0—4,5 с; коэффициент затухания составлял (8,4—8,9)-10 .

Амплитуды измеренных давлений р и рассчитанных по показаниям гравиметров смещений дна г составляли:

Рис. 3. Типичные записи придонного давления и смещений дна при движении судов разного водоизмещения.

а/ — вариации придонного давления на глубине 9,5 м при прохождении среднего судна со скоростями порядка 7,4 м/с ("н-к" = 8,0—8,2 с), Ь/ — смещения дна при тех же условиях на глубине 8 м, с/ — смещения дна на глубине 8 м при прохождении большого судна со скоростью 7,0 м/с ("н-к" = 17 с),

й! — смещения дна при условиях а/—Ы после длительной работы на измерительном стенде.

— для судна среднего водоизмещения при скорости 2,4—4,0 м/с р = 590—780 Па, г = 0,32—0,22 мм, а при скорости 8,0 м/с р = 780—4160 Па, г = 0,5—1,4 мм;

— для судна большого водоизмещения при скорости 6,5 м/с р = 3150 Па, смещения дна 2,8 мм.

При этом наблюдалась зависимость длины возбуждаемой волны и ее периода от скорости судна: при движении судна среднего водоизмещения со скоростью 4,5 м/с на глубине 9 м регистрировались волны с длиной 20,4 м и периодом 4,5 с, а при увеличении скорости до 7,1 м/с длина волны возрастала вдвое, период ее достигал 5,7 с.

Эти экспериментальные данные были сопоставлены с результатами теоретических и лабораторных исследований [19], в соответствии с которыми, при возбуждении изменений скорости потока в тонком слое жидкости на границе водного и донного слоев возникает волна понижения уровня со скоростью движения тела. На заднем фронта ее появляется коротковолновый

цуг, который содержит до двадцати колебаний, выделяемых над уровнем шума. Наши эксперименты показали появление аналогичных сигналов при движении судов в мелководных акваториях.

Анализ сравнительной эффективности сейсмического и акустического каналов регистрации сигналов судоходства показал, что существуют две области частот, в которых сейсмический сигнал может превышать помехи:

1. В области с минимумом инфразвуковых природных шумов могут проявляться сигналы судоходства с частотами от 0,03 до 0,1 Гц. Условием генерации этой группы сигналов является малая, до 100—150 м, глубина акватории.

2. В области частот 3—100 Гц оптимальным частотным диапазоном для измерения сигналов ближнего судоходства с использованием береговых и донных сейсмографов и гидрофонов можно считать 1—5 Гц, на частотах выше 7 Гц доминируют шумы дальнего судоходства.

В # 3.2 рассмотрены два метода диагностики шумами судоходства упругих свойств грунтов:

1/. Основываясь на теоретических оценках [19], в соответствии с которыми частоты колебаний поверхности дна зависят от соотношения плотностей водного слоя и слоя донных осадков и от волнового числа, инфранизкочастотные сигналы могут быть использованы для определения акустических характеристик донных осадков, толщина слоя которых определяется длиной возбуждаемой поверхностной волны — для частот порядка 0,25 Гц она составит сотни метров.

2/. Скорость распространения звука в донных осадках определяет величину эффекта Доплера сигналов судоходства, регистрируемых на берегу. Для его вычисления необходимо знание энергетического спектра принятых колебаний и развитие этого спектра во времени. А. Т. Ерохиным разработан метод аппроксимативного спектрального анализа [20], [6*], [7*], в соответствии с которым реализация случайного процесса рассматривается как детерминированная многоэкстремальная функция f (t), заданная на промежутке наблюдения. Использование лишь абсцисс и ординат ее экстремумов позволяет производить обработку информации в реальном масштабе времени. Возможности метода проиллюстрированы нами при анализе шумов движения катера в прибрежной части озера Валдай [8*]. Регистрация сигналов осуществлялась вертикальным сейсмографом типа СМ—3,

установленным на берегу на расстоянии 200 м от уреза воды. В полосе анализа 0—1,62 Гц при приближении шумящего объекта было установлено увеличение максимального значения частоты в спектре шумов с 0,750 Гц до 0,875 Гц.

В # 3.3 исследованы возможности диагностики состояния водного канала распространения звука с использованием фоновых шумов акватории. В наших экспериментах, проведенных в июле 1982 г. на Баренцевом море совместно с сотрудниками ВНИИ физико-технических и радиотехнических измерений Госстандарта СССР, использовались эквидистантная пятиэлементарная решетка ненаправленных приемников скалярного широкополосного звукового давления, установления с борта заякоренного судна и гидрофон, заглубленный с помощью груза в донные осадки. Спектр шумов донного гидрофона был более интенсивен и существенно обогащен кратными гармониками по сравнению с спектрами водных гидрофонов, что указывает на нелинейный механизм трансформации энергии природного давления в упругие колебания дна. При стабильности каналов распространения звука зависимость частоты взаимного фазового спектра шумовых сигналов, поступающих от пары гидрофонов, установленных в разных каналах, должна быть линейной с постоянным наклоном "линейного спектра" к оси абсцисс. Эксперименты показали, что периодические появления линейных спектров совпадают с периодами высших гармоник собственных колебаний термоклина и свидетельствуют о наличии его возмущений, частота возмущений близка к одной из частот Вяйсяля—Брента. Показано, что по углу наклона линейного фазового спектра, при наличии сведений о гидрологии, можно судить о расстоянии до источника звукоряда, или, при известном расстоянии до источника полигармонического сигнала, определять гидролого-акусги-ческие характеристики среды [9*].

В # 3.4 рассмотрены результаты исследований в водной среде шумовых сигналов низколетящего самолета, проведенных нами летом 1984 г. на Черном море вблизи г. Геленджика совместно с сотрудниками ПО "Южморгео" Мингео СССР. В ходе работ были изучены структура и закономерности распространения в водной среде непосредственно под самолетом АН-30 шума, измерявшегося буксируемым за НИС "Ю. Годин" сейсмическим приемным устройством ПСК—2м. Спектры интенсивности ira частотах до 120 Гц складывались из широкополосного шума и то-

нальных составляющих. При этом наблюдались интенсивные тональные составляющие на частотах до 10 Гц и доминирующая на 6—10 дБ над уровнем широкополосного шума узкополосная тональная составляющая на частотах вблизи 90 Гц. Частота и амплитуда этого сигнала менялись в зависимости от курса и режима полета: при полетах вдоль приемного устройства частота составляла 87 Гц с максимальной амплитудой сигнала 36 Па; при полетах поперек приемного устройства преобладали частоты 83—92 Гц с максимальной амплитудой 29 Па. Изменения интенсивности акустического сигнала с расстоянием показали удовлетворительное согласие с теорией [21]. Оценка по водным шумам акустической мощности воздушного источника составляла 11 кВт, что соответствует справочной величине для самолетов подобного типа.

Четвертая Глава посвящена экспериментальному изучению затухания звука в мелком море, где, в волноводе с поглощающим дном, наиболее существенное влияние на интенсивность звукового поля оказывает форма профиля скорости звука и геоакустические свойства дна [4]. В ней также анализируются механизмы формирования мезмасштабных гидродинамических движений, которые непосредственно влияют на скорость звука и вызывают изменения термодинамических характеристик водной среды.

В # 1.4 анализируются результаты проведенных нами исследований затухания интенсивности тональных звуковых сигналов при траверзе боксируемыми излучателями сезонного фронта раздела вод в северо-восточной части Баренцева моря на глубинах порядка 300 м с приемом сигналов на забортную акустическую антенну с борта дрейфующего судна. Измерения проводились в сентябре — октябре 1983 г. экспедиционной группой сотрудников ИОФАН и ВИНИИФТРИ Госстандарта в составе С. И. Кутакова, А. Н. Медведева, В. А. Попова совместно с сотрудниками Северного научно-исследовательского отделения (СНИО) Акустического института и Северного флота. Мощность излучения на частотах 100 Гц и 300 Гц составляла 40 Вт и 120 Вт, соответственно. Уровень излучаемых сигналов поддерживался постоянным, прием сигналов осуществлялся в диапазоне глубин 40—90 м. В связи с высоким уровнем шумов обработка результатов измерений производилась для участков записей с двукратным превышением уровня сигнала над шумом методом гетеродинирования с использованием блока обработки аналого-

вых сигналов (БАОС). В ходе рейса с излучающего судна периодически проводились гидрологические измерения зондирующим устройством с гальванической связью конструкции ВНИ-ИФТРИ, позволявшие судить о изменении скоростного разреза и о положении фронтальной зоны.

Температурный разрез вдоль профиля, пересекающего фронт, и соответствующий ему разрез профиля звука показали, что над осевой линией фронта проявляется отрицательная температурная аномалия, которой соответствует аномалия скорости распространения звука, сопровождающаяся изменением глубины оси звукового канала (Рис. 4 а/).

Результаты анализа позволили выделить область значительных, до 20 дБ, короткопериодных изменений амплитуды сигнала с расстоянием, вызванных, по-видимому, междомовой интерференцией (Рис. 4 Ь/).

О к м А7кн V 2« ЩХ.9 «9

- -- ---- /I/ 4 'Л! "П 1 \ \ *

''/ГФШ

/ \ /г" I / / И /и «V« \\ \

1 \ \ч\ \ \ X \ 1 1

/ » \ -35 НО \ \ 1 \ 1 1 1 \ 1 1

/ 1 ' ! > ! 1 1 1 1

т 118 112 106 100 94

76

"Л

\ к 100 Гц

Л, ,Л

' \ \

\ V

л V V

\

т Гк \

V.

Рис. 4а/. Профиль скорости звука.

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 ки

Рис. 4Ь/. Изменения амплитуды сигналов.

Общий характер изменения сигналов совпадал для всех гидрофонов. На Рис. 4Ь/ выделяются три зоны с различным наклоном кривой изменения амплитуды сигналов на протяжении нескольких километров, при этом наибольшее затухание интенсивности звука (1,58 дБ/км для 100 Гц и 1,93 дБ/км для 300 Гц) наблюдалось между 30—55 км трассы. Можно считать это результатом усиленного поглощения высших типов нормальных мод в области максимальных градиентов скорости звука в зоне фронта.

Средняя величина коэффициента затухания на расстоянии О—50 км составила 0,76 дБ/км на частоте 100 Гц и 0,90 дБ/км на частоте 300 Гц, в то время, как измерения коэффициента затухания интенсивности звука в ходе этой же экспедиции за пределами фронта и на других трассах показали значения от 0,048 дБ/км до 0,075 дБ/км на частоте 100 Гц и от 0,14 дБ/км до 0,202 дБ/км на частоте 300 Гц. Столь большие коэффициенты затухания звука на коротком интервале трассы распространения свидетельствуют о интенсивных процессах обмена звуковой энергией между водной средой и дном акватории под влиянием гидродинамических процессов типа фронтальных разделов, которые приводят к изменению термодинамических характеристик среды и изменяют условия распространения инфразвука.

Для определения факторов, оказывающих определяющее влияние на гидролого-акустические характеристики мелкого моря, был проведен анализ измерений интенсивности звукового поля на стационарных трассах в юго-восточной части Баренцева моря. Работы проводились летом 1982 г. сотрудниками Лаборатории прикладной гидрофизики ИОФАН, совместно с СНИК АГИН и рядом других организаций, под руководством Ф. В. Бун-кина, Ю. А. Кравцова и В. Г. Петникова в рамках Междуведомственной комплексной экспедиции [4], [20]. Прием акустических сигналов производился стационарными гидрофонами, установленными на глубине около 120 м северо-восточнее о-ва Кильдин. Эксперименты проводились по двум трассам, ориентированным, соответственно, трасса I, протяженностью около 400 км, на север и трасса П, протяженностью около 300 км, на северо-восток.

Результаты экспериментов, поведенные на Рис. 5 a/—е/ и Рис. 6 а/—е/, подтвердили, что максимальные градиенты затухания звука связаны с динамикой водной среды и рельефом дна акватории, формирующим особенности движения водных масс. При этом изменения коэффициента затухания звука коррелируют как с горизонтальными движениями водных мае, Прибрежным и Мурманским течениями, так и с вертикальными движениями, проявляющимися на поверхности в виде слабых антициклонических и устойчивых циклонических течений.

При небольших расстояниях от источника до приемника регистрируемый сигнал имеет богатый модовый состав и его уровень испытывает сильные вариации при перемещении источника. Как следует из Рис. 5 а/ (трасса I) Рис. 6 а/ (трасса II), гради-

120 !Ю 1*0 ЗОО ЗВО 470

60 /20 ¡80 240 зсо

-*П ЪЛ. В .В '

Прабрежгос

' Л 'Л'ЛУ1

Капаем« кы

J_I_L

60-180

4Й,»

'■III I I

¡20 190 2*0 300

О 60 ¡20 193 НО 300

О 60 320 180 2*5 300 ¡&з -т

Рис. 5. Трасса I

Рис. 6. Трасса I

енты коэффициента затухания звука коррелируют с изменением с (г). Среднее значение уровня сигнала на сравнительно малых расстояниях изменяется по "закону трех вторых". С ростом расстояния вариации уровня ослабевают и среднее значение уровня сигнала на обеих трассах убывает монотонно, по "закону одной второй", несмотря на наличие значительных градиентов скорости звука (Рис. 5 с/ и Рис. 6 с/), т. е. изменения акустических характеристик водного канала распространения звука перестают проявляться в интенсивности принимаемого сигнала.

По-видимому, это связано с изменением модового состава распространяющихся колебаний на резких изменениях термодинамических параметров [23], после чего колебания, представленные группой слабозатухающих мод, становятся нечувствительными к возмущениям водного канала распространения звука. Эти результаты показывают, что наличие областей с боль-

шими градиентами скорости звука вносит существенные ошибки в определение мощности удаленного источника звука по измерениям интенсивности сигнала, принятого в водном канале.

Показано, что прогноз, или, точнее, диагноз гидрологических условий в исследуемом районе может базироваться на теоретических оценках механизмов циркуляции водных масс. Как было установлено нами, в водной среде над гравитационными аномалиями, вызываемыми неоднородностями плотности земной коре и верхней мантии и особенностями рельефа дна, смещаются эквипотенциальные поверхности, возникают объемные силы, вызывающие стационарные нарушения стратификации плотности и других термодинамических параметров [10*], [11*], [24*], что оказывает значительное влияние на формирование движений водных масс. Справедливость такого механизма подтверждает анализ связи преобладающих поверхностных течений Южной части Баренцева моря с рельефом дна и гравитационным полем акватории: все рассмотренные районы с аномальными движениями водных масс характеризуются гравитационными аномалиями локального и регионального масштабов [25]. Экспериментальным подтверждением зависимости мезомасштабных гидродинамических движений от гравитационного поля акватории служит и установленная нами связь максимальных градиентов затухания интенсивности звука с гравитационным полем акватории (Рис. 5 е/ и Рис. 6 е/).

Из приведенных в Таблице 1. оценок сил, формирующих в Мировом Океане горизонтальные, геострофические, движения разного масштаба, следует, что вклад объемных сил гравитационного происхождения сопоставим с вкладом других видов ускорений, а в отдельных случаях может и превосходить их.

Таблица 1

сил (в м/с2), формирующих геострофические движения разного масштаба в Океане.

Масштаб Инерциальныс Давление Кориолиса Трение Гравит. ускор.

Гориз. Верт.

Планетарный Ю-8 КГ8 ю5 Ю-5

103—104 км КГ8 10"4

Региональный

102—103 км 10"4 1(Г5 Ю-4 Ю-4 Ю-5 Ю-3, ю4

Локальный 1(Г2'

Менее 102 км Ю-2 10-г КГ1 Ю-2 Ю-3

В # 4.2 проведен анализ гидродинамических процессов планетарного масштаба, обусловленных неоднородностями гравитационного поля Земли [13*]—[15*]. Интенсивность Т-фазы сигналов землетрясений и мощных взрывов связана с интенсивностью источника и может быть использована для его интерпретации, однако условия распространения Т-фазы в диапазоне частот 1—50 Гц при эпицентральных расстояниях порядка первых тысяч километров существенно зависят от движений водных масс, фронтов, апвеллингов, связанных с гравитационным полем. Первый пример такой связи [14*] относится к области формирования Флоридского течения Гольфстрима. Из проведенных оценок следует, что в области низких широт течение должно следовать изолиниям геоида, что и согласуется с результатами наблюдений.

Другой пример иллюстрирует связь горизонтальных течений Атлантического океана на различных глубинах [26] с рассчитанными характеристика геоида [16*]. Результаты расчетов на основе разработанного А. Т. Еро-хиным метода определения корреляции между семейством плоских кривых показали, что коэффициент корреляции зависит от знака аномалии потенциала и глубины течения и изменяется в пределах 0,751—0,850. Полученные результаты подтверждают статистически зависимую связь между течениями и аномалиями геоида.

Одним из следствий предложенной модели движения водных масс является вывод от отсутствии "неподвижного" горизонта в какой-либо части океана, поскольку аномалии гравитационного поля Земли существуют повсеместно.

Поэтому в глубоководных впадинах Мирового океана можно ожидать сильных течений, а, следовательно, и вариации скорости звука в придонном канале. Неоднородности гравитационного поля влияют не только на составляющие геострофических течений, но и на завихренность, циркуляцию и энергию жидкости.

ж Р"

/ГА '? (Ч' 1 'Ч. \ - V 4 \

3\ л»! г ^ ( .. к •ч. "О-N. \

25С=й1_Ш_и-»--1-1--

80 75 70 65 60

Рис. 7. Траектория Гольфстрима и высоты геоида, м.

130" 135° 140° Рис. 8. Вертикальные движения водных масс в юго-западной части Тихого океана и изолинии аномалии силы тяжести, в 1(Г3 см/с2. ++-++ — зоны конвергенции, оооо — зоны дивергенции, заштрихована область отрицательных значений аномалии силы тяжести.

На Рис. 8. показаны линии зон конвергенции и дивергенции водных масс в юго-западной части Тихого океана, построенные по экспериментальным данным ГЕОХИ АН СССР, которые нанесены па изолинии аномалии силы тяжести в редукции Фая, построенных Геологической обсерваторией Нью-Йоркского университета.

Из сопоставления приведенных семейств кривых можно сделать вывод о существовании связи между рассматриваемыми явлениями. Таким образом, теоретические оценки механизмов циркуляции водных масс мелководных морей Мирового океана показали, что при планировании районов проведения акустических работ, в частности, при формировании баз данных Геоинформационных Систем дистанционного зондирования Земли [12*], для учета стационарной динамики водных масс необходимо основываться на результатах гравиметрических исследований.

Определение интенсивности и расположения источника по характеристикам упругих волн, распространившихся в донном канале, основано на интенсивности и скорости распространения принятых сигналов. Времена пробега принимаемых в мелком море инфразвуковых сейсмических сигналов и изменения их энергии определяются изменениями упругих параметров среды в структурах дна акватории, в основном, под влиянием тектонических напряжений. В # 4.3 исследована связь аномалий скоростей упругих волн в земной коре с источниками ее напряженного состояния. Показано, что под действием гравитационного поля Земли на внутренние области с контрастом плотности, каждая из них создает напряженно-деформированное состояние в окружающей среде. Отмечено, что все разномасштабные экспериментально обнаруженные аномалии распространения сейсмических волн однозначно связаны с структурой аномального грави-

тационного поля. Рассчитанные нами тектонические напряжения гравитационного поля Земли были сопоставлены с обусловленными региональными отличиями невязками времен прихода продольных и поперечных сейсмических волн от удаленных землетрясений на станциях Канадской сейсмической службы [22*].

Расчеты показали, что скорость Р-волн зависит от величины и распределения нормальных, а Я-волн — тангенциальных компонент тензора расчетных тектонических напряжений. Оценка связи между семействами кривых изолиний касательного напряжения и невязок времен прихода поперечных волн показала корреляцию на уровне 0,73, что свидетельствует об уверенной положительной связи между характеристиками расчетных полей напряжений и измеренными аномалиями скоростей упругих волн. Следовательно, гравитационное поле служит источником информации не только о параметрах источника гравитационной аномалии, но и о величине и месте расположения аномалии напряженно-деформированного состояния среды, вызываемого этим источником [17*]—[21*], и может быть использовано для прогноза зон фокусировки и рассеяния упругих волн в донном канале распространения звука.

В # 4.4 анализируются существующие и перспективные подходы к измерению и определению гравитационных сил на морских акваториях [22*]—[31*].

Пятая глава посвящена изучению условий регистрации ин-фразвуковых сигналов на акваториях параметрическими приемными системами. В # 5.1 рассмотрены основные вопросы теории и методики параметрического приема инфразвука и условия его реализуемости в природных условиях [32*]. Информация о фазовом сдвиге колебательных процессов может быть получена только при условии их когерентности. В работе показано, как в условиях нестабильных волновых каналов фазовая идеология построения технических средств может быть сохранена структурными методами на основе двухканальных корреляционных преобразований узкополосных сигналов [33*].

Для получения аналитических оценок условий пространственной регистрации волновых возмущений узконаправленными колебаниями рассмотрен упрощенный случай, когда шириной измерительного ультразвукового или радиолуча можно пренебречь. Подробное исследование этого вопроса было проведено В. Д. Рубцовым [27]. Показано, что индекс модуляции зависит от

ориентации измерительного луча и от соотношения скоростей измерительных и измеряемых колебаний. Для ультразвукового измерительного луча максимум накопленного индекса модуляции будет иметь место при его ориентации в направлении распространения акустического волнового возмущения [27]. В радиолуче максимум накопленного индекса модуляции достигается при его ориентации перпендикулярно направлению распространения акустического волнового возмущения [32*]. Индекс фазовой модуляции и, следовательно, диаграмма направленности параметрической приемной антенны лучевого типа, при близких скоростях распространения измерительной и измеряемой волн, определяются отношением длины приемной части антенны к длине измеряемой волны [32*].

Переход от лучевых к объемно-резонансным приемным параметрическим системам сопряжен с рядом принципиальных вопросов, поэтому было решено искать ответы на них путем контрольных экспериментов, лабораторных и натурных. В # 5.2 рассмотрены результаты лабораторных исследований макетов параметрических приемных антенн. Для параметрической регистрации волновых возмущений направленными колебаниями А. Г. Иноземцевым был разработан и испытан в лабораторных условиях экспериментальный комплекс по приему акустических волн ультразвуковыми лучами [32*]. Проверка чувствительности и помехозащищенности протяженных волновых приемных параметрических антенн в природных условиях была проведена в серии экспериментов. В частности, были проведены испытания радиоакустической приемной антенны в застекленном строении площадью 400 м3. При этом амплитуды регистрируемых импульсных сигналов были чувствительны к акустической мощности источника — кинетической энергии падающей монеты весом 1,3 и 5 г, а общий уровень фона отслеживал вариации ветровых нагрузок, вызывающих деформации границ волновых фронтов (застекленных стен строения). Полученные результаты показали высокую эффективность такого типа антенн для обнаружения маломощных (не менее 2-10~13 Вт) акустических возмущений, усредненных по большому рабочему объему волнового резонатора с стабильностью колебаний в пределах ЮЛ

В # 5.3 анализируются результаты натурных экспериментов по проверке работоспособности объемно-резонансной параметрической приемной антенны в условиях открытого пространст-

ва. Летом 1989 г. нами были проведены испытания ее макета на оз. Валдай при наличии мелководного канала распространения звука. Схема антенны, схема экспериментов и результаты измерений приведены на Рис. 9—11 [34*], [35*].

Рис. 9. Функциональная схема объемно-резонансной радио-акустической приемной параметрической антенны.

1 и 2 —радиоакустические преобразователи, 3 — акустический излучатель, 4 — акустический приемник, 5 — излучающая радиоантенна, 6 — приемная радиоантенна.

Блок-схема приемной антенны включает акустический и радиоканалы, действие которых в работе всей радиоакустической системы может проявляться независимо. Фазовая демодуляция принятых в акустическом луче колебаний осуществлялась относительно опорного колебания, первично генерируемого во всей измерительной системе. Источник ультразвуковых колебаний охватывался положительной обратной связью через пространственный радиоканал и фазомодулированные колебания, формируемые упругими возмущениями среды, поступали на блок фазовой автоподстройки. В эксперименте рабочим каналом антенны являлся акустический, а достаточно длинноволновые (30 мГц) колебания радиоканала модулировались рабочей частотой акустического канала (10 кГц) и использовались для замыкания цепи обратной связи. Импульсными источниками "волны накач-

20 41) 60 80 100 110 Ш ¡Ь0 Ш 200 220 240

Рис. 10. Схема эксперимента с радио-акустической приемной параметрической антенной на оз. Валдай.

Рис. 11. Реакция объемно-резонансной приемной параметрической антенны на импульсные и фоновые среды.

1 — часть акватории озера, 2 — моторная лодка, 3 — траектория движения моторкой лодки, 4 — акустический излучатель колебаний 10 кГц,

К— сигнал импульсного возмущения при падении камня, М — момент включения водозаборного насоса.

5 — акустический приемник, 6 — переизлучатель УКВ-сигналов, модулированных на 10 кГц, 7 — приемник УКВ сигналов с демодуляцией частоты 10 кГц, 8 — насос для забора воды, 9 — область падения источников импульсных возмущений (камней), £ — длина акустического луча антенны, // — глубина акватории.

ки" служили сигналы от падения среды камней диаметром около 20 мм, а широкополосные возмущения среды создавались движением моторной лодки. Глубина озера в месте прокладки трассы акустического луча протяженностью 70 м с длиной волны 14,3 см составляла около 2 метров. Отношение длины антенны к длине измеряемой акустической волны близко к единице при частоте измеряемой волны 20 Гц и к 0,05 при частоте 1 Гц, т. е. акустический канал антенны сохранял направленность лишь в области высокочастотных сигналов и шумов [32*]. Типична запись сигналов, зарегистрированных в ходе экспериментов, приведена на Рис. 11 [36*]. На протяжении всего эксперимента, происходившего при достаточно свежей погоде, не наблюдалось сбоев в работе фазо-измерительного комплекса антенны и для устранения влияния флуктуаций параметров среды не потребовалось принятия специальных мер, рассмотренных в # 5.1, что указывает на правильный выбор рабочих частот радио- и акустического каналов антенны. Акустический канал характеризо-

вался достаточной чувствительностью к импульсным возмущениям среды и ожидаемой направленностью, которая проявилась в разнице среднего уровня фонового шумового сигнала в начале и конце записи по сравнению с его уровнем в средней части, когда при движении лодки параллельно трассе антенны звуковые возмущения распространялись вдоль антенны в противоположных направлениях.

Основным результатом эксперимента является констатация стабильной работы протяженной объемно-резонансной параметрической приемной антенны в условиях природных помех и уверенная фиксация ею слабых акустических сигналов.

В шестой главе обнаружены возможные пути дальнейшего развития методов пассивного инфразвукового зондирования мелководных акваторий с использованием шумов судоходства и низколетящих самолетов, а также использования параметрических антенн для определения акустических свойств природной среды на акваториях.

В # 6.1 рассмотрены перспективы использования водных шумов воздушных источников для дистанционного зондирования водного канала распространения звука. Моделирование дальнего поля воздушного источника с использованием модели распространения звука от эквивалентного ему водного источника в [28] волноводе Пекериса, (случай мелкой воды), показало, что предельная высота полета, при которой допустима такая модель, не превышает 250 м для типичных условий. По нашей оценке мощность подводного источника, создающего дальнее поле, эквивалентна полю точечного источника на высоте 200 м с мощностью 11 кВт (самолета АН-30) и частотой звука 90 Гц, составит 39 Вт. Сигналы на частоте 100 Гц буксируемого в воде источника такой мощности в условиях летней и осенней гидрологии Баренцева моря принимались гидрофонами бортовой антенны дрейфующего судна на удалениях до 180 км. По-видимому, подобные дальности можно считать возможными и при измерении звукового поля низколетящего самолета. Частота доминирующей тональной гармоники принимаемого сигнала будет меняться в зависимости от эффекта Доплера, а изменения ее интенсивности будут зависеть от высоты полета. Поэтому использование принимаемых сигналов для контроля за положением, например, фронтальных разделов вод, потребует детальной навигационной информации о режиме движения источника.

В # 6.2 рассмотрена возможность определения акустических характеристик донной среды с использованием волнения поверхности дна, создаваемого движущимися на мелководье судами. Скорость движения судов по сравнению с скоростями упругих волн пренебрежимо мала, поэтому можно считать, что система периодических воздействий на поверхность дна создается неподвижным источником, аналогичным вибрационному источнику упругих волн. Наши оценки показали, что при средней силе 45 тонн "единичной вибрации" с характерным параметром длины 15 м, возбуждаемая ею в донной среде мощность 310 Вт, имеет порядок мощности, излучаемой более высокочастотными сейс-моразведочными вибраторами. Для частотной модуляции излучаемого сигнала можно воспользоваться зависимостью длины возбуждаемой волны и ее периода от скорости судна (см. § 3.1). Полученные оценки показывают перспективность использования стационарных гармоник измеренного на берегу мелководной акватории шумового поля движущегося судна, для вибропросвечивания Земли и сейсмической разведки территорий, прилегающих к рекам и водоемам.

В # 6.3 рассмотрены возможные приложения параметрических приемных антенн для инфразвукового мониторинга мелководных акваторий. В п. 6.3.1 анализируются перспективы их использования для исследования акустических полей вблизи границы раздела природных сред [29]. В частности, одновременные измерения с помощью радио-акустической приемной параметрической антенны вблизи водной границы инфразвуковых колебаний в воздухе, микробаром, и в воде акустических полей, возбуждаемых поверхностным волнением, могут быть полезными для решения фундаментальных вопросов геофизики, связанных с развитием теории генерации микросейсм [34*]. В п. 6.3.2 исследована возможность применения параметрических систем для оценки нелинейности акустических свойств донного канала [37*], [38*]. Величины коэффициента нелинейности среды К достигают значений 100—10 ООО, а современная точность относительных фазовых измерений достигает 10~8, следовательно, уже при К = 100 может быть достигнут обнаружимый эффект изменения скорости распространения упругой волны. Располагая излучатель и приемник упругих волн в скважинах на дне акватории и формируя, по аналогии с # 5.3, цепь обратной связи с помощью гидроакустического канала, можно оценить нелинейность акус-

тических свойств донной среды и нелинейность механизма обмена звуковой энергией между водной средой и дном. Для создания поверхностной нагрузки на структуры дна можно использовать сейсморазведочные пневматические источники [33], где энергия начального импульса составляет 56,4-105 Па в диапазоне частот О—125 Гц. Их применение позволяет проводить спектральный анализ коэффициента нелинейности. Длина акустического луча приемной параметрической антенны зависит от чувствительности тракта излучение — прием и от поглощающих свойств донной среды. Оценки существующих источников гармонических колебаний позволяют говорить о длине луча в несколько первых десятков метров при работе на частотах 1,7—3,3 кГц и от 2 до 6 км — на частотах 60—100 Гц.

В Заключении приводятся основные результаты экспериментальных и теоретических исследования методов использования сигналов природных и технических источников инфразвука для акустического контроля процессов, развивающихся на акваториях, контроля свойств и состояния водного и донного каналов распространения звука в мелком море.

В результате проведенных исследований:

1. Предложены и обоснованы методы пассивного акустического зондирования водного и донного каналов распространения звука на акваториях, при которых источниками полезных сигналов являются природные источники инфразвука, в частности, землетрясения.

* Разработан и создан комплекс экспериментальной аппаратуры, позволяющей исследовать инфразвуковые сигналы и поля в стационарных и судовых условиях при оперативном развертывании вблизи ожидаемого импульсного источника.

2. Предложены и экспериментально подтверждены новые методы инфразвукового зондирования мелководных акваторий, использующие шумы окружающей среды, шумы судоходства и низколетящих самолетов.

* Экспериментально установлена возможность по изменениям угла наклона линейных участков взаимного фазового спектра фоновых шумов акватории измерять расстояние до области нарушения стратификации подводных звуковых каналов и периодичность внутреннего волнения.

* Обнаружены и исследованы сейсмоакустические сигналы в диапазоне частот 0,15—0,25 Гц, возникающие при движении су-

дов на мелководных акваториях, обоснован механизм их генерации и предложены методы их использования для определения упругих свойств донных структур.

* Измерены параметры водных шумов низколетящего самолета и установлена возможность использования дальнего поля низколетящих воздушных источников для изучения затухания инфразвука на протяженных трассах в мелком море.

3. Реализованы в различных модификациях параметрические волновые антенны с использованием акустических и радиоволн.

* В серии натурных экспериментов вблизи границы раздела вода—воздух исследован комплекс параметрической приемной антенны, включавший две пространственно разнесенных группы приборов, объединенных в цепь регенерации радио- и акустических волн.

4. Обнаружено влияние аномалий гравитационного поля на движение водных масс и установлен эффект изменения поля ин-фразвукового излучения, вызванных этим движением.

* Измерены параметры связи с аномальным гравитационным полем акватории областей интенсивного затухания инфразвука в мелком море, характеризующихся активными движениями водных масс, которые обедняют модовый состав звуковых колебаний и приводят к потере их чувствительности к изменениям профиля скорости звука.

* Предсказана и подтверждена независимыми наблюдениями возможность прогноза положения зон стационарных движений водных масс (течений, вергенций и др.) на основе информации о структуре аномального гравитационного поля.

* Предложен и обоснован механизм формирования областей с аномальными скоростями упругих волн в донном канале распространения звука за счет напряженно-деформированного состояния земной коры. Продемонстрирована возможность прогноза областей фокусировки и рассеяния упругих волн в структурах морского дна на основе интерпретации гравитационных аномалий.

Основные результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях:

1*. Маслов И. А., Науменко-Бондаренко И. И. Влияние волнения моря на показания донного гравиметра. // Прикладная геофизика— 1968. Вып. 56. — С. 112—119.

2*. Кузиванов В. А., Маслов И. А., Науменко-Бондаренко И. И. О возможности повышения точности и производительности гравиметрических работ. // Прикладная геофизика. Вып. 56, 1969. М.: Недра, С. 130—136.

3*. Кутаков С. И., Маслов И. А. Экспериментальные исследования низкочастотного гидрофона. // В кн.: "Геофизические методы мониторинга природных сред", под ред. В. Н. Сорокина. ИОФАН—ППИ, 1991. С. 267—282.

4*. Маслов И. А., Пархоменко И. С., Меламуд А. Я. и др. // Авторское свидетельство СССР № 53885 от 18.11.1970 г.

5*. Маслов И. А. Об одном источнике высокочастотных ми-кросейсм. IIВ кн.: "Геофизические методы мониторинга природных сред", под ред. В. Н. Сорокина. ИОФАН—ППИ, М., 1991. С. 97—104.

6*. Ерохин А. Т., Маслов И. А. Аппроксимация многоэкстремальных функций и вопросы сжатого представления гравиметрической информации. Ц В кн.: "Методика измерения гравитационных полей". ИЗ—ППИ, — 1994.

7*. Ерохин А. Т., Ратушный В. В., Маслов И. А. Представление многоэкстремальных функций (МЭФ) в сжатом виде // В кн.: "Исследования по теорш! динамической гравиметрии". ИФЗ АН СССР. — 1977. — С. 210—235.

8*. Ерохин А. Т., Маслов И. А., Хмелевский Б. Г., Исаев Е. В., Белоусова В. В., Сорокин В. Н. Оценка параметров движения шумящего объекта на воде при обработке методом аппроксимативного спектрального анализа гидроакустического сигнала. // В кн.: "Геофизические методы мониторинга природных сред", под ред. В. Н. Сорокина. ИОФАН—ППИ, — 1991. — С. 98—104.

9*. Кутаков С. И., Маслов И. А., Медведев А. Н., Мучкап-ский С. Д., Попов В. А. Способ определения расстояния до фронтального раздела. // Авторское свидетельство СССР № 1419334 от 22.04.1988 г.

10*. Маслов И. А. Движения жидкости, вызываемые неодно-родностями гравитационного поля Земли. // Препринт ФИАН. 1984. № 61. 29 с.

11*. Маслов И. А. Движения жидкости в неоднородном гравитационном поле. // В кн.: "Исследования по гидрофизике", под ред. Ф. В. Бункина (Труды ФИАН. Т. 156). — 1984. — С. 59—63.

12*. Maslov I. A. The Use of Gravity for Geo-Information Sistems Data Sets Optimisation. // Int. Arch, of Photogrammetry and Remote Sens. — 1996. (in print).

13*. Маслов И. А. К учету нормальной силы тяжести в уравнениях динамики океана // Краткие сообщения по физике ФИАН. — 1986. — № 9. — С. 9—10.

14*. Маслов И. А. Гравитационные силы в динамике океана. // Краткие сообщения по физике ФИАН. — 1987. — № 4. — С. 7—9.

15*. Маслов И. А. Движение материальных частиц в неоднородном гравитационном поле Земли. // Краткие сообщения по физике ФИАН. — 1986. — № 9. — С. 6—8.

16*. Исаев Е. В., Белоусова В. В., Ерохин А. Т., Маслов И. А., Сорокин В. Н., Хмелевский Б. Г. К расчету корреляции карт подводных течений и аномального гравитационного поля. // В кн.: "Геофизические методы мониторинга природных сред", под ред. В. Н. Сорокина. ИОФАН—ППИ, — 1991. — С. 112— 114.

17*. Маслов И. А., Молчанов А. Е. Модель напряженно-деформированного состояния среды в области проявления гравитационной аномалии. // Препринт ИФЗ АН СССР. — 1980. — № 2.

18*. Маслов И. А., Молчанов А. Е. Тектонические напряжения в районе источника гравитационной аномалии. //В кн.: "Модели изменения напряженно-деформированного состояния массива пород в приложении к прогнозу землетрясений". Апатиты, ИГ АН СССР. — 1982. — С. 61—67.

19*. Maslov I. A., Molchanov А. Е. The crustal surface movements model in a gravity anomaly region. // Proc. Second Int. Symp. on Problem related to the redefinition of North Amer. Vertical Geodetic Networks. 1980. Ottawa, Canada. — P. 39.

20*. Maslov I. A. Using the Gravity and Seismic Fields for the Remote Sensing of the Tectonic Stress and Surface Displacements // Int. Arch, of Photogrammetry and Remote Sens. — 1990. — V. 28. — Pt. 4. — P. 670—673.

21*. Маслов И. А. О возможной связи геокинематических явлений с локальными гравитационными аномалиями. // В кн.:

"Методы обработки гравиметрической информации". ИФЗ АН СССР—ППИ. — 1978. — С. 117—143.

22*. Маслов И. А. Динамическая гравиметрия. М.: Наука. 1983. 151 с.

23*. Маслов И. А. К вопросу об изучении фигуры Земли на движущемся основании. // В кн.: "Методика измерения гравитационных полей". ИФЗ АН СССР. — 1974. — С. 42—49.

24*. Ващилов 10. Я., Маслов И. А. Оценки величины изменения уклонения отвеса. // В кн.: "Методика измерения гравитационных полей". ИФЗ—ППИ. — 1974. — С. 50—54.

25*. Беляев В. П., Бурьян Ю. А., Маслов И. А., Ратушный В. В. Исследование возможности измерения уклонений отвесной линии методами инерциальной навигации. // В кн.: "Исследования по теории динамической гравиметрии". — ИФЗ АН СССР. — 1977. —С. 112—117.

26*. Бурьян Ю. А., Беляев В. П., Маслов И. А., Ратушный В. В. Исследование инструментальных погрешностей аналитической инерциальной системы. // В кн.: "Вопросы теории и методики гравитационных измерений на движущемся основании". ИФЗ АН СССР. — 1976. — С. 42—55.

27*. Маслов И. А. Сравнительный анализ ошибок двух методов разделения ускорений и гравитации на движущемся основании. // В кн.: "Методы измерений и обработка наблюдений в морской гравиметрии". ИФЗ АН СССР. — 1980. — С. 4—17.

28*. Маслов И. А., Ратушный В. В. О возможности автономного определения гравитационного поля Земли на движущемся основании. // В кн.: "Методика измерения гравитационных полей". ИФЗ АН СССР. — 1974. — С. 26—36.

29*. Иноземцев А. Г., Голован А. А., Маслов И. А. К возможности создания гирокомпасируемой маловозмущаемой инерциальной вертикали. // В кн.: "Геофизические методы мониторинга природных сред", под ред. В. Н. Сорокина. ИОФАН—ППИ. — 1991. —С. 213—231.

30*. Маслов И. А. Об одной возможности измерения вторых производных гравитационного потенциала на море. // В кн.: "Методика измерения гравитационных полей". ИФЗ АН СССР. — 1974. —С. 37—41.

31*. Коленко А. В., Маслов И. А. Тензор вторых производных геопотенциала в локальной системе координат. // Изв. АН СССР. Сер. Физика Земли. — 1978. —№7. — С. 90—94.

32*. Маслов И. А. Определение рельефа дна океана по локальному геоиду. //В кн.: "Дистанционное зондирование океана", под ред. Ф. В. Бункина и К. И. Воляка (Труды ИОФАН. Т. 1). — 1986. — С. 71—84.

33*. Иноземцев А. Г., Маслов И. А. Пространственная фильтрация волновых процессов протяженными антеннами. // Препринт ИОФАН. — 1989. — № 96. — 29 с.

34*. Иноземцев А. Г., Маслов И. А. Пространственная фильтрация лучевыми антеннами волновых процессов в среде с большими флуктуациями параметров. // Препринт ИОФАН. — 1989. — № 97. — 25 с.

35*. Иноземцев А. Г., Маслов И. А. О возможности изучения механизма генерации океанических микросейсм с помощью протяженной радиоакустической лучевой антенны. // Препринт ИОФАН. — 1989. — № 84. — 22 с.

36*. Маслов И. А., Иноземцев А. Г. Волновое зондирование неоднородностей и динамики природных сред. // В кн.: "Геофизические методы мониторинга природных сред", под ред. В. Н. Сорокина. ИОФАН—ППИ. — 1991. — С. 68—83.

37*. Акт испытаний объемно-резонансной волновой антенны (ОРВА) в реальных условиях. //Моск. Ин-т Приборостроения — ИОФАН, М., 1989 г.

38*. Маслов И. А. Контроль коэффициента нелинейности верхних толщ земной коры по вариациям скоростей сейсмических волн // Краткие сообщения по физике ФИАН. — 1992. — № 7—8. — С. 31—34.

39*. Маслов И. А. Об одной возможности сейсмического мониторинга напряженного состояния земной коры. // В кн.: "Геофизические методы мониторинга природных сред", под ред. В. Н. Сорокина. ИОФАН—ППИ. — 1991. — С. 50—60.

40*. Маслов И. А., Иноземцев А. Г. Диагностика неоднородностей земной коры высокочастотным зондированием вынужденной вибрацией среды. // В кн.: "Геофизические методы мониторинга природных сред", под ред. В. Н. Сорокина. ИОФАН— ППИ. — 1991. — С. 61—67.

Цитируемая литература

1. Бреховеких Л. М. Волны в слоистых средах. 2-е изд., М.: Наука. 1973. 343 с.

2. Бреховеких JI. М., Гончаров В. В. Введение в механику сплошных сред (в приложении к теории волн). М.: Наука. 1982. 335 с.

3. Worzel J. L., Ewing M. Explosion Sounds in Shallow Water. — in: Propagation of Sound in the Ocean. Geol. Soc. Amer., Memoir 27.1948. / В кн.: "Распространение звука в океане". М.: ИЛ. 1951. С. 48—156.

4. Кацнельсон Б. Г., Кравцов Ю. А., Петников В. Г. Основные методы теории распространения звука в стратифицированных горизонтально-неоднородных волноводах с поглощающей границей. — В. кн. "Дистанционное зондирование океана" под ред. Ф. В. Бункина, К. И. Воляка (Труды ИОФАН. Т. 1). М.: Наука,

1986. С. 136—166.

5. Бункин Ф. В., Кравцов 10. А., Омельченко H. Н. и др. Результаты исследования стабильности звуковых сигналов на стандартных акустических трассах. — В кн. "Акустические волны в океане" (под ред. Л. М. Бреховеких, И. Б. Андреевой). М.: Наука.

1987.

6. Вайхарт Г. Д. Применение геофизических методов в исследованиях морского дна. — В кн. "Акустика дна океана", (под ред. У. Купермана, Ф. Енсена, перевод под ред. 10. Ю. Житковского). М.: Мир. 1984. С. 46—56.

7. Кадыков И. Ф. Акустика подводных землетрясений. М.: Наука. 1986. 125 с.

8. Соловьев С. Л. История и перспективы развития морской сейсмологии. М.: Наука. 1985. 152 с.

9. Веденев А. И., Гончаров В. В. Зондирование донных осадков шумовыми сигналами над скважиной глубоководного бурения № 643 в Норвежском море. — Акуст. ж., 1994. Т. 40, № 2. С. 337—338.

10. Latter J. H. Sinusoidal disturbances due to shipping on seismo-grams at Rabaul, New Britain. — Nature. 1965. № 4999. P. 845—847.

11. Горелик А. Г., Зверев В. А. К вопросу о взаимодействии звуковых волн. — Акуст. ж., 1955. Т. 1, № 4. С. 40—47. •

12. Иноземцев А. Г., Рубцов В. Д., Жуков В. В. Прием и пространственная фильтрация упругих волн с помощью узконаправленных колебаний. — В кн.: "Геофизические методы монито-

ринга природных сред", под ред. В. Н. Сорокина. ИОФАН— ППИ, 1991. С. 35—49.

13. Новиков Б. К., Руденко О. В., Тимошенко В. И. Нелинейная гидроакустика. JL: Судостроение. 1981. 264 с.

14. Dozorov T. A., Soloviev S. L. Spectra of ocean-bottom seismic noise in the 0,01—10 Hz Range. — Geopys. J. Int., 1991. V. 106, № 1. P. 113—121.

15. Нестеров В. А. Штормовые микросейсмы на острове Шикотан и дне Тихого океана. — Вулканология и сейсмология, 1982, № 2. С. 73—79.

16. Keenan R. Е., Dyer I. Noise from Arctic Ocean earthquakes. — J. Acoust. Soc. Am., 1984, V. 75, № 3, P. 819—825.

17. Кутаков С. И. Аналого-цифровая гидроакустическая антенна. В кн.: "Геофизические методы мониторинга природных сред", под ред. В. Н. Сорокина, ИОФАН—ППИ, 1991. С. 250— 267.

18. Кутаков С. И. Отчет начальника отряда акустики ИОФАН СССР. 1989.

19. Букреев В. И., Гаврилов Н. В., Знобшцев К. Р. Экспериментальное исследование волн в двухслойной жидкости со сдвигом скорости между слоями. — В кн. "Динамика сплошной среды". Новосибирск. 1983. Вып. 64. С. 3—10.

20. Ерохин А. Т. Гармонический анализ с использованием аппроксимативного адаптивного временного окна. — В кн.: "Геофизические методы мониторинга природных сред", под ред. В. Н. Сорокина. ИОФАН—ППИ. 1991. С. 125—136.

21. Коломенский Ал. А. Звуковое поле в морской среде от источника, расположенного в воздухе. Препринт ИОФАН № 142, 1984,27 с.

22. Бункин Ф. В., Вавилин А. В., Журавлев В. А. и др. Исследование природного распространения звуковых сигналов с высокостабильной частотой. — Изв. АН СССР. Физ. атмосферы и океана, 1984, т. 20, № 2. С. 210—213.

23. Кацнельсон Б. Г., Кравцов Ю. А., Кузькин В. М. и др. Упрощенная теория распространения звука в мелком море. Труды ФИАН. Т. 156 (под ред. Ф. В. Бункина), 1984. С. 41—55.

24. Иванов С. С. Переменное гравитационное поле океана. ИОАН, М.; 1987, 124 с.

25. Edholm О., Talvani M. Sediment distribution and structural framework of the Barents Sea. — Geol. Soc. Am. Bull., 1977. V. 88. № 7. P. 1015—1029.

Российс^дд^Академия Инст]

наук

1АН ун

На правах рукописи УДК 634 (204.1); 551.663

Маслов Игорь Александрович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ИНФРАЗВУКОВОГО МОНИТОРИНГА МЕЛКОГО МОРЯ

(Специальность — 01.04.06-акустика)

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва 1997

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................5

Глава I АКУСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ПРИРОДНЫХ

СРЕД НА АКВАТОРИЯХ..................................11

#1.1 Современное состояние и некоторые тенденции развития методов акустического контроля природных сред на

акваториях ...............................................11

#1.2 Особенности распространения инфразвука в мелком море .....................................................18

Выводы по Главе I.................................................24

Глава II ПРИРОДНЫЕ ИНФРАЗВУКОВЫЕ ПОЛЯ НА АКВАТОРИЯХ И РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ СРЕДСТВ ИХ РЕГИСТРАЦИИ ДЛЯ АКУСТИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА........26

#2.1 Механизмы генерации и возможности использования природных инфразвуковых шумов на акваториях для контроля состояния и динамики природных сред......................26

# 2.2 Возбуждение и распространение на акваториях акустических сигналов мощных взрывов и землетрясений..............36

п. 2.2.1 Акустические характеристики сигналов землетрясений и мощных подземных взрывов ...........................40

# 2.3 Информативные параметры гидроакустических сигналов землетрясений и мощных взрывов и требования к информационно-измерительным системам для их регистрации судовыми средствами ..........................................46

# 2.4 Разработка и испытания элементов гидроакустического

информационно-измерительного комплекса....................52

п. 2.4.1 Разработка измерительных преобразователей ...........53

п. 2.4.2 Разработка элементов информационно-измерительного комплекса............................................60

п. 2.4.3 Судовые испытания аналого-цифровой гидроакустической антенны ...........................................65

# 2.5 Измерения сигналов удаленного подземного взрыва на мелководной внутриконтинентальной акватории................71

Выводы по Главе II................................................75

Глава III ШУМЫ ДВИЖЕНИЯ СУДОВ И САМОЛЕТОВ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЛЯ ИНФРАЗВУКОВОГО МОНИТОРИНГА МЕЛКОВОДНЫХ АКВАТОРИЙ....................78

#3.1 Задачи акустического мониторинга и структура инфра-звуковых шумов, возбуждаемых движением судов и самолетов ....................................................78

# 3.2 Диагностика шумами судоходства акустических свойств

донного канала распространения звука........................88

#3.3 Диагностика состояния водного канала с использованием фоновых шумов судоходства..............................97

#3.4 Исследование в водной среде шумовых сигналов низколетящего самолета ........................................111

Выводы по Главе Ш ..............................................117

Глава IV ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ГРАВИТАЦИОННЫХ СИЛ НА ФОРМИРОВАНИЕ УСЛОВИЙ РАСПРОСТРАНЕНИЯ

ИНФРАЗВУКА НА АКВАТОРИЯХ........................120

#4.1 Экспериментальное изучение факторов, влияющих на затухание интенсивности звукового поля в мелком море ........120

# 4.2 Гидродинамические процессы в неоднородном гравитационном поле Земли ......................................134

# 4.3 Исследование связи аномалий скоростей упругих волн в земной коре с источниками ее напряженного состояния.........154

# 4.4 Гравитационные силы на морских акваториях и способы

их определения...........................................160

Выводы по Главе IV ..............................................164

Глава V ИЗУЧЕНИЕ УСЛОВИЙ РЕГИСТРАЦИИ ИНФРАЗВУ-КОВЫХ СИГНАЛОВ НА АКВАТОРИЯХ ПАРАМЕТРИЧЕСКИМИ ПРИЕМНЫМИ СИСТЕМАМИ..................165

#5.1 Параметрический прием инфразвука и условия его реализуемости в природных условиях...........................165

# 5.2 Результаты лабораторных и натурных исследований реализуемости параметрических приемных антенн.............173

# 5.3 Использование параметрической приемной антенны в воде для регистрации импульсных сигналов и возмущений водной среды.............................................176

Выводы по Главе V...............................................185

Глава VI ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ СРЕДСТВ ДЛЯ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ПРИРОДНЫХ СРЕД НА АКВАТОРИЯХ .....................................................186

#6.1 Использование шумов воздушных источников в воде для зондирования водного канала распространения звука...........186

# 6.2 Использование низкочастотных шумов судоходства для анализа акустических свойств дна акватории..................189

# 6.3 Некоторые приложения параметрических приемных

антенн ..................................................192

п. 6.3.1 Измерения акустических полей вблизи границы

раздела природных сред ...................................192

п. 6.3.2 Использование параметрических систем для оценки нелинейности упругих свойств донного звукового канала....... .193

Выводы по Главе VI ..............................................198

ЗАКЛЮЧЕНИЕ .................................................200

ЛИТЕРАТУРА ..................................................205

ВВЕДЕНИЕ

Гидроакустика как специализированная отрасль науки и техники имеет большую историю, однако современная эра ее количественных исследований началась в период Второй мировой войны и сопровождалась открытием и использованием волноводного распространения звука. В последующие годы ее практическое применение распространилось на область исследования и освоения морских акваторий [1], [2]. Быстрое развитие акустики океана прежде всего стимулируется требованиями практики освоения ресурсов океана.

В последние десятилетия большой интерес в гидроакустике привлекают мелководные шельфовые зоны Океана и внутренних морей, прилегающие заливы и поднятия дна в связи с возможными направлениями их экономического использования. Сюда входят как традиционные направления — судоходство, рыболовство, — так и более современные — добыча полезных ископаемых и вопросы экологии. Звуковыми колебаниями контролируются движения водных масс в районах перспективного рыболовства и изменения напряжённого состояния среды, естественная и техногенная сейсмичность и т. п.

В настоящее время отчетливо проявляется тенденция понижения частот звуковых колебаний, применяемых для гидроакустических исследований — от, в перспективе, 0,1 Гц до десятков герц — из-за малого затухания инфразвука и низкого уровня природных шумов, особенно в диапазоне частот 1—10 Гц. Проблемам распространения звуковых волн низких частот (10—1000 Гц) в мелких морях посвящена обширная литература [3]—[5].

Ограниченные возможности расширения диапазона излучаемых сигналов в область более низких частот стимулируют развитие методов пассивного акустического зондирования, при которых в некоторых случаях источниками полезных сигналов могут являться природные источники инфразвука, например, землетрясения и мощные взрывы с сигналами в диапазоне частот от сотых долей до сотен герц [6], [7], в других — использоваться технические шумы. Пер-

спективным представляется использование шумов транспортных средств, в первую очередь — инфразвуковых шумов судоходства, которые носят регулярный характер, обладают значительной мощностью и, при определенных режимах движения и в отдельных частотных диапазонах, могут рассматриваться как полезные сигналы при зондировании водной толщи и дна акватории [8], [9].

Для контроля на акваториях за импульсными источниками звука применяются различные системы измерений. В 60-х годах в Тихом океане, в частности, у островов Уэйк, Эниветок и Мидуэй, для контроля ядерных взрывов в океане и распознавания цунамигенных землетрясений были развернуты донные станции, оснащенные низкочастотными гидрофонами [6]. В 70-е годы, в связи с появлением теории "тектоники плит", основными инструментами в рамках программы исследования сейсмичности становятся автономные донные станции, оборудованные сейсмометрами и гидрофонами [7].

Все эти системы наблюдений частично или полностью являются стационарными. Вместе с тем определенные методические достоинства имеют судовые наблюдения с буксируемыми или дрейфующими антеннами, позволяющие оперативно организовать автономные пункты регулярных наблюдений вблизи эпицентральных зон. Для этой цели необходимо разработать систему измерений акустических сигналов в широких частотном и динамическом диапазонах, которая должна работать в ждущем режиме, обеспечивающем возможность обработки информации в ходе поступления данных.

К числу основных информативных параметров при акустическом мониторинге акваторий относятся интенсивность принимаемых сигналов и скорость их распространения, которые весьма чувствительны к изменениям акустических свойств каналов распространения звука. На формирование условий распространения звука наиболее существенное влияние оказывают движения водных масс, приводящие к формированию вертикального профиля скорости звука в водном слое и геоакустические свойства подстилающей среды. Достоверная интерпретация результатов измерений может базироваться на теоретическом прогнозе положения зон затухания интенсивности звуковых полей в водном ка-

нале под влиянием движения водных масс и в структурах донного канала под влиянием тектонических напряжений в земной коре.

Современный уровень средств преобразования информации, передаваемой упругими волнами, в значительной степени определяется возможностями приёмных чувствительных элементов. В последние десятилетия наблюдается тенденция перехода к созданию пространственных сенсорных полей. Направленный приём колебаний осуществляется многоэлементными антенными системами в гидроакустике и протяжёнными антенными системами в сейсмологии (NORSAR, LASA и др.). При этом информация о волновом поле собирается в зоне контакта с ним отдельных преобразователей, что предъявляет специфические требования к идентификации условий приёма и преобразования информации.

Наряду с этим успешно развивается подход к регистрации волновых процессов в среде, основанный на воздействии исследуемого волнового процесса на физические свойства среды распространения [10], [11], [12], которое приводит к фазочастотной модуляции измерительного луча или волнового измерительного поля, созданного в среде.

Исследование условий генерации и распространения звука в мелком море позволяет ставить вопрос о едином методическом подходе к инструментальным наблюдениям для контроля состояния природных сред и развивающихся в них процессов — инфразвуковом методе мониторинга природных сред. Объектами исследования при этом являются геофизические поля и процессы, ответственные за генерацию упругих волн на акваториях и за характеристики распространения в природных средах, приводящие к временной и пространственной изменчивости волновых полей.

Целью работы является решение общих задач инфразвукового мониторинга природных сред на акваториях: исследование потенциальных возможностей использования природных и технических подводных шумов в качестве источников информации для осуществления инфразвукового мониторинга стационарными, бортовыми и береговыми приемными системами.

ч

Эта задача включает в себя, во-первых — анализ акустических шумов, излучаемых в инфранизких частотных диапазонах природными и техническими источниками звука, разработку методов их использования для мониторинга, организацию и проведение лабораторных и натурных экспериментов для проверки предлагаемых аппаратурных и методических решений.

Во-вторых — оптимизацию приемной аппаратуры для измерения инфра-' звуковых полей в том числе, разработку методов измерения инфразвуковых полей с использованием параметрических приемников и приемных систем, и разработку эффективных способов анализа измерительной информации.

В-третьих — разработку теоретических основ прогноза стационарных особенностей каналов распространения звука с целью повышения информативности и достоверности результатов дистанционного акустического зондирования акваторий.

Поставленные задачи решались так, чтобы наряду с развитием экспериментальных средств и проведения экспериментов, провести интерпретацию имеющихся экспериментальных данных по ряду перспективных направлений, внедрить результаты анализа и новые представления о их использовании в практику экспериментальных исследований и стимулировать их дальнейшее развитие.

Научная новизна диссертационной работы определяется тем обстоятельством, что к моменту опубликования практически все основные данные, приведенные в ней, были новыми.

В результате проведенных исследований в работе:

* обнаружены и исследованы сейсмоакустические сигналы в инфраниз-ком диапазоне частот, 0,15—0,25 Гц, сопровождающие движение судов, предложены и подтверждены экспериментально новые способы инфразвукового зондирования мелководных акваторий с использованием шумов окружающей среды, шумов судоходства и низколетящих самолетов.

* осуществлена разработка оригинальных измерительных средств для проведения низкочастотных и инфранизкочастотных акустических измерений, в том числе получил дальнейшее развитие подход к измерению акустических

волновых полей, основанный на использовании параметрического приема звука акустическими, радио и оптическими приемными устройствами.

* установлена связь аномального затухания низкочастотного звука с гравитационным полем акватории и дано теоретическое обоснование механизма этого явления.

* предложена и подтверждена экспериментальными данными возможность прогнозирования аномальных условий распространения звука в водном и донном каналах.

Практическую значимость диссертационной работы представляют

* мобильный информационно-измерительный комплекс на базе инфра-низкочастотных гидрофонов и цифровых гидроакустических антенн, обеспечивающий возможность осуществлять в ждущем режиме контроль за природными и техническими импульсными сигналами в судовых и стационарных условиях.

.». __и и

* развитие подхода к измерению акустических волновых полей в водной и воздушной среде, основанного на использовании звуковых, оптических и СВЧ параметрических приемных устройств: реализация двухконтурной радиоакустической параметрической системы для измерений акустических сигналов от субгерцового до килогерцового диапазонов частот в зоне контакта воздушной и водной сред в реальных погодных условиях.

* развитие фазовых методов измерения изменчивости звуковых полей: способ контроля стратификации среды и определения расстояния до источника звукоряда окружающих шумов мелководной акватории на основе анализа фазовых спектров сигналов пар гидрофонов, располагаемых в различных каналах распространения звука.

* исследование структуры инфразвуковых шумов судоходства и реализация методов их использования для диагностики акустических свойств донного канала распространения звука.

* экспериментальный анализ гидроакустических сигналов от воздушного источника, показавший возможность использования шумов низколетящих самолетов для оперативного контроля затухания звука на длинных трассах.

* обнаружение влияния гравитационного поля акватории на затухание инфразвука и разработка методов прогнозирования аномальных условий распространения звука в водном и донном каналах мелкого моря.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Развитие новых научных представлений по актуальному направлению акустики природных сред — инфразвуковой акустике мелкого моря.

2. Разработка экспериментальных средств для акустических методов контроля состояния и изменчивости каналов распространения звука.

3. Экспериментальная реализация акустического мониторинга с использованием звуковых, оптических и СВЧ параметрических приемных систем.

4. Теоретическое и экспериментальное обоснование новых методов ин-фразвукового зондирования и контроля состояния мелкого моря, основанных на использовании природных и технических шумов в качестве источников сигналов.

5. Результаты исследования связи гидрологоакустических параметров, определяющих условия затухания низкочастотного звука в мелком море, с гравитационным полем акватории.

6. Предложение и обоснование возможности эффективного прогноза мест формирования аномальных условий в водном и донном каналах распространения звука.

Глава I.

АКУСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ПРИРОДНЫХ СРЕД НА АКВАТОРИЯХ

# 1.1 Современное состояние и некоторые тенденции развития методов акустического контроля природных сред на акваториях

Прошедшие после Второй Мировой Войны десятилетия характеризовались активным развитием гидроакустики и расширением областей ее применения, позволившим [2] говорить о становлении молодой отрасли науки — "акустики океана". Быстрое развитие этой отрасли науки прежде всего стимулируется требованиями практики, поскольку широкое освоение морских ресурсов становится для человечества задачей ближайшего будущего, а основная толща водной среды является практически недоступной для дистанционного зондирования с помощью любых средств, кроме акустических