Экспериментальные низкочастотные гидроакустические исследования в прибрежной зоне Японского моря (залив петра Великого)

Вестник ДВО РАН. 2016. № 5

УДК 534.231,551.463.2

АН. САМЧЕНКО, Р.А. КОРОТЧЕНКО, А.В. КОШЕЛЕВА, А.А. ПИВОВАРОВ, А Н. ШВЫРЕВ, И.О. ЯРОЩУК

Экспериментальные низкочастотные гидроакустические исследования в прибрежной зоне Японского моря

Обсуждаются результаты низкочастотного гидроакустического эксперимента, проведенного в зал. Петра Великого Японского моря в 2014 г. Целью эксперимента было исследование возможностей низкочастотной гидроакустической излучающей системы на частотах 20—24 Гц и условий распространения низкочастотного звука в условиях шельфа. Также проведено моделирование прохождения акустического сигнала 22 и 33 Гц по натурной акустической трассе с помощью широкоугольного параболического уравнения и проведено сравнение полученных модельных результатов с экспериментальными данными. Обработка данных базируется на детальной геоакустической модели акустических трасс.

Ключевые слова: низкочастотная гидроакустика, геоакустическая модель, залив Петра Великого.

Low-frequency hydroacoustic experimental studies carried out in coastal zone of the Sea of Japan (Peter the Great Bay). A.N. SAMCHENKO, R.A. KOROTCHENKO, A.V. KOSHELEVA, A.A. PIVOVAROV, A.N. SHVYRYOV, I.O. YAROSHCHUK (V.I. Il'ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS, Vladivostok).

The paper considers the results of low-frequency hydroacoustic experiment carried out in Peter the Great Bay, the Sea of Japan, in 2014. The aim of the experiment was to study the capabilities of low-frequency hydroacoustic emitting system at frequencies of20—24 Hz, and the conditions of low-frequency sound propagation in the shelf zone conditions. Also, the simulation of propagation of 22 and 33 Hz acoustic signals along an acoustic track was carried out using a wide-angle parabolic equation, and the results were compared with experimental data. Data processing was based on a detailed geoacoustic model of the acoustic tracks.

Key words: low-frequency hydroacoustics, geoacoustic model, Peter the Great Bay.

Отечественными и зарубежными исследователями широко освещены вопросы распространения акустических сигналов, в том числе низкочастотных, в глубоком океане. Исследование распространения акустических сигналов на шельфе осложняется ввиду высокой изменчивости акустических характеристик в водном слое и влияния морского дна [3]. Акустическими исследованиями на шельфе установлено, что при меньшей частоте используемого сигнала влияние донных осадков и коренных пород, слагающих дно, на распространение звука возрастает [1].

* САМЧЕНКО Александр Николаевич - кандидат географических наук, старший научный сотрудник, КОРОТЧЕНКО Роман Анатольевич - кандидат технических наук, КОШЕЛЕВА Александра Васильевна - научный сотрудник, ПИВОВАРОВ Александр Анатольевич - научный сотрудник, ШВЫРЕВ Алексей Николаевич - кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, ЯРОЩУК Игорь Олегович - доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией (Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева, Владивосток). *Е-таП: samchenco@poi.dvo.ru

Исследование поддержано программой фундаментальных исследований ДВО РАН «Дальний Восток» 20152017 гг. (проект № 15-1-1-034) и программой фундаментальных исследований Президиума РАН 2015-2016 гг.

В зал. Петра Великого Японского моря регулярно проводятся низкочастотные гидроакустические экспериментальные исследования [2, 8, 10]. Кроме того, для этого района создана детальная геоакустическая модель дна [7]. В октябре 2014 г. были проведены экспериментальные работы с борта маломерного научно-исследовательского судна (НИС) «Малахит» (рис. 1). В их ходе изучалось распространение низкочастотных гидроакустических сигналов на океаническом шельфе, а также тестировался новый низкочастотный гидроакустический излучатель с несущей частотой 22 Гц. В эксперименте использовали два низкочастотных гидроакустических излучателя, погружаемые с борта НИС «Малахит» на глубину порядка 15 м: с несущей частотой 22 Гц (новая система) и 33 Гц (опробованная система) [8]. Новая низкочастотная гидроакустическая излучающая система электромагнитного типа предназначена для генерации сигналов в диапазоне от 19 до 26 Гц при глубинах погружения излучателя от 2 до 40 м. Амплитуда объемного колебательного смещения излучателя - до 0,0123 м3 (на частоте 20 Гц излучатель развивает эффективное звуковое давление на расстоянии 1 м от центра излучателя до 10 кПа). Второй излучатель - также электромагнитного типа, с генерацией гидроакустических сигналов в полосе частот 25-40 Гц, с рабочей глубиной погружения до 20 м. Излучатель развивает эффективное звуковое давление на расстоянии 1 м от центра излучателя до 1 кПа.

В ходе эксперимента в каждой точке с помощью двух излучающих систем проводилось излучение гармонических и сложных фазоманипулированных одиночными М-последовательностями сигналов. Применялись последовательности длиной 63, 127, 255 и 511 символов, с 4-10 периодами несущей частоты на символ. Конструктивные особенности обоих излучателей обеспечивают существенный уровень излучения нечетных гармоник, которые сохраняют способность сворачиваться, так же как и основной сигнал. В данном случае третья гармоника обоих излучателей (66 и 99 Гц соответственно) и пятая гармоника излучателя 22 Гц (110 Гц) заметно превышали уровень морских шумов. Приемной системой в эксперименте служила автономная донная приемная двухканальная гидроакустическая станция [6]. Излучение акустического сигнала проводили в 4 точках залива (точки 1-4 на рис. 1), «веером» от точки приема (точка А01 на рис. 1). Акустические исследования сопровождались гидрологическими измерениями. В заливе были установлены пять автономных термогирлянд (рис. 1), представляющих собой совокупности дискретных термодатчиков, равномерно распределенных по глубине с шагом 3 м (4 термогирлянды) и 1 м (1 термогирлянда). Данные с термодатчиков передаются по кабелю в расположенный на дне контейнер с системой регистрации.

131°0'0"Е 131°10'0"Е

Рис. 1. Схема гидроакустического эксперимента. Звездочками отмечены точки излучения акустических сигналов 22 Гц и 33 Гц, кружком А01 - автономная донная гидроакустическая приемная станция, треугольниками - точки постановки автономных термогирлянд

Рис. 2. Геологическая модель акустической трассы. I - осадочный слой позднеплей-стоцен-голоценового возраста; II - толща осадков нижнего-среднего плейстоцена; III - осадочный слой неогенового возраста; IV - гранитоиды позднепермского возраста

Рассмотрим одну из акустических трасс, показанную на рис. 1, протяженностью от точки излучения 1 до точки приема 9200 м, на которой моделировали распространение акустических сигналов 22 и 33 Гц с помощью широкоугольного параболического уравнения [9]. Вдоль акустической трассы дно моря достаточно ровное с глубиной 37-40 м (по данным ранее проведенных детальных батиметрических исследований [4, 5]), а верхняя кромка гранитного слоя имеет наклон [7]. Глубина залегания гранитного слоя в точке излучения - примерно 100 м относительно уровня моря, а в точке приема сигнала - 220 м. Граничные условия для моделирования были получены из геоакустической модели района [7] (рис. 2). По ее данным, первый осадочный слой вдоль акустического профиля имеет среднюю продольную скорость звука порядка 1725 м/с. Во втором осадочном слое эта скорость равна 1850 м/с. Акустический фундамент в месте проведения гидроакустического эксперимента представлен диорит-гранитным гамовским комплексом позднепермского возраста. В геоакустической модели продольная скорость гранитного слоя равна 5400 м/с.

Рис. 3. Корреляционные функции гидроакустических сигналов, излученных в точке 1 и принятых на автономную донную гидроакустическую приемную станцию: а - основного сигнала с частотой 33 Гц и его третьей гармоники 99 Гц; б - основного сигнала с частотой 22 Гц, третьей гармоники 66 Гц и пятой гармоники 110 Гц

Воемя. с

На рис. 3а приведена корреляционная функция гидроакустического основного фазо-манипулированного сигнала 33 Гц и его третьей гармоники 99 Гц. Сигнал излучался в точке 1 и был принят автономной приемной станцией. На корреляционных функциях ноль временной шкалы соответствует времени прихода основного сигнала. На рис. 3а видно, что акустический сигнал с частотой 33 Гц сформировал одну моду по акустической трассе, что отражено единственным пиком на коррелограмме. В то же время пик третьей гармоники 99 Гц распался на три составляющие, которые, по нашему мнению, соответствуют трем модам, сформированным под влиянием двух осадочных слоев с различными акустическими характеристиками в них, которые прослеживаются по акустической трассе.

На рис. 3б показана корреляционная функция гидроакустического основного фазома-нипулированного сигнала частотой 22 Гц, а также его третьей и пятой гармоник (66 Гц и 110 Гц соответственно). Можно отметить следующий факт - мощность излученного сигнала 22 Гц по отношению к излученному сигналу 33 Гц была в несколько раз больше, а принятые сигналы по амплитуде разнятся несущественно. По нашему мнению, в точке излучения толщина волновода не позволила в полной мере сформировать модовую структуру излученного сигнала 22 Гц. На коррелограмме основной сигнал 22 Гц, как и в случае с сигналом 33 Гц, имеет один пик. Когда излучение проводилось из точки 4, где мощность осадочного слоя превышала 220 м, амплитуды принятых сигналов 22 Гц и 33 Гц соответствовали заявленной разнице.

На рис. 4 показана модель интенсивности акустических полей 22 и 33 Гц по экспериментальной трассе, рассчитанная с помощью широкоугольного параболического уравнения. В модели использовались акустические параметры волновода, основанные на геоакустической модели дна и гидрологических измерениях, выполненных с помощью стационарных термогирлянд и гидрологического зонда ИВЯ ХЕХ-620. Продольные скорости звука в осадочных слоях указаны выше, плотность в первом осадочном слое равна 2,04, во втором - 2,18, в фундаменте - 2,33 г/см3. Средние значения ослабления продольной скорости звука, рассчитанные при 100 кГц, в первом слое осадков 52,1, во втором - 43, в фундаменте - 35 Дб/м. По всей видимости, из-за небольшой толщины волновода (примерно 100 м) в точке излучения сигнала 22 Гц не сформировалась четкая модовая структура по акустической трассе, что видно на рис. 4а. Согласно модели на рис. 4б, максимальные мощности наблюдаются вдоль дна для сигнала 33 Гц. Заметно влияние наклонного дна.

Таким образом, экспериментально подтверждена работоспособность нового низкочастотного гидроакустического излучателя, а обработка и анализ полученных результатов

Рис. 4. Модель интенсивности акустического поля: а - 22 Гц, б -акустической трассе

33 Гц по экспериментальной

показали, что волноводом для низкочастотных сигналов служит как водный слой, так и слой рыхлых осадков до границы фундамента. По нашему мнению, результаты моделирования с помощью широкоугольного параболического уравнения на акустической трассе, с учетом геоакустических свойств волновода, дают адекватную картину распространения акустических сигналов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Акустика океана / под ред. Л.М. Бреховских. М.: Наука, 1974. 78 с.

2. Долгих Г.И., Долгих С.Г., Пивоваров А.А. и др. О перспективах применения лазерных деформографов для диагностики морского дна // Докл. АН. 2013. Т. 452, № 3. С. 321-326.

3. Канцельтон Б.Г., Петников В.Г. Акустика мелкого моря. М.: Наука, 1997. 191 с.

4. Коротченко Р.А., Самченко А.Н., Ярощук И.О. Применение статистических методов в изучении рельефа шельфовой зоны залива Посьета (Японское море) // Вестн. ДВО РАН. 2011. № 6. С. 54-59.

5. Коротченко Р.А., Самченко А.Н., Ярощук И.О. Пространственно-временной анализ геоморфологии океанического дна залива Петра Великого Японского моря // Океанология. 2014. Т. 54, № 4. С. 538-545.

6. Леонтьев А.П., Пивоваров А.А. Автономная приемная двухканальная гидроакустическая станция // Приборы и техника эксперимента. 2013. № 4. С. 144—145.

7. Самченко А.Н., Карнаух В.Н., Аксентов К.И. Геолого-геофизические исследования верхней части осадочного чехла и геоакустическая модель шельфа залива Посьета (Японское море) // Тихоокеан. геология. 2013. Т. 32, № 1. С. 65-75.

8. Самченко А.Н., Швырев А.Н., Пивоваров А.А., Коротченко Р.А. Распространение низкочастотного акустического сигнала в мелком море с учетом влияния неоднородностей в донных осадках // Подвод. исследования и робототехника. 2011. № 2 (12). С. 52-56.

9. Трофимов М.Ю. Широкоугольные модовые параболические уравнения // Акуст. журн. 2002. Т. 48, № 6. С. 274-278.

10. Samchenko A.N., Kosheleva A.V., Shvyrev A.N., Pivovarov A.A. Low-frequency hydroacoustic experiments on the shelf using the data of geoacoustic sediment model // Chin. Phys. Letters. 2014. Vol. 31, iss. 12. P. 1243011-124301-4. doi:10.1088/0256-307X/31/12/124301.