Исследования на морской экспериментальной станции МЭС "Мыс Шульца" (Буланов)

Акустическая донная система с инвертированным излучателем. 

Для проведения акустического зондирования в настоящее время в б. Витязь залива Петра Великого Японского моря установлена донная станция. оснащенная инвертированным излучателем с основной частотой 60 кГц. После ремонта в летний сезон кабельных линий и другого оборудования станция установлена на дне на глубине около 12 метров. Система располагается на удалении 100 м от береговой черты и предназначена для долговременных исследований рассеяния звука в верхнем слое моря. На рисунке 1 показана функциональная схема донной системы. Режимы излучения задаются из лабораторного помещения по кабелю, программируются цифровым генератором сигналов специальной формы (ГСПФ-053), усиливаются и передаются на излучатель. Чувствительность излучателя на частоте 60 кГц: в режиме излучения 166 Па/В, в режиме приема 498 мкВ/Па, добротность на резонанасе Q=15. В настоящее время донная система находится в стадии консервации, на МЭС осталась морская часть системы, вся аппаратура вывезена для проведения профилактических работ. Подъем системы по погодным условиям произвести не было возможности и предполагается произвести в следующий экспедиционный сезон. 

Рисунок 1- Функциональная схема донной системы. 

Апробация аппаратурного комплекса для проведения испытаний параметрических излучателей и визуализации рассеянных сигналов 

На рисунке 2 показана функциональная схема аппаратурного комплекса, предназначенного для проведения испытаний излучателей в параметрическом режиме, а также для измерения рассеяния и визуализации рассеивающих структур в морских условиях. Комплекс позволял проводить оперативные испытания параметрических излучающих систем и при дополнительном размещении измерительного гидрофона на стандартном расстоянии в 2-3 метра позволял осуществлять дополнительную перекалибровку системы в полевых условиях. Комплекс также использовался для проведения оценочных модельных исследований проникновения акустических импульсов с различными частотами в донные осадки. 

Генератор синхроимпульсов задавал интервалы между посылками импульсов. Иинтервалы могли изменяться от 1 до 10 с. Генератор сигналов ГСПФ-053 формировал импульсы с различными частотами 3.5 кГц, 13.5 кГц, 29 кГц, а также ЛЧМ сигналы длительностью от 1 до 4 мс. Для усиления сигналов использовался высокочастотный широкополосный усилитель БИП, двухканальный усилитель мощности фирмы Phonic XP 5000, мощностью 5 кВт, а также широкополосный одноканальный усилитель Pioneer GM-A3702, мощностью 500 Вт. В качестве излучателей использовался макеты излучателей с частотами накачки 150 кГц и Полином, а также излучатели фирмы Furuno с частотами 200 кГц и 28 кГц. 

Рисунок 2 - Схема аппаратуры для проведения испытаний параметрических систем, проведения прекалбровок, а также измерения рассеяния звука при проникновении звука в донные осадки 

Исследования акустических характеристик верхнего слоя моря 

Акустический метод базируется на измерениях рассеяния звука и одновременных измерениях параметров, периодически отражающихся от свободной поверхности акустических импульсов. Имея информацию об амплитудах падающей на объем V волны и рассеянной в обратном направлении можно в приближении однократного рассеяния (борновском приближении) определить коэффициент объемного рассеяния: 

В качестве примера на рисунке 3 представлены изменения коэффициента объемного рассеяния звука при обрушении поверхностных волн и образования пузырьковых облаков вблизи поверхности моря на частоте 145 кГц. Измерения сделаны в летний период. Отчетливо виден приповерхностный слой толщиной около 3 м с аномальным коэффициентом рассеяния звука.

Рисунок 3 - Изменения коэффициента объемного рассеяния звука (, ) V m t z в зависимости от времени t на различных глубинах z. Частота 145 кГц.

Показанные на рисунке 3 данные для ( , ) V m t z в приповерхностном слое приводят к другим аномалиям акустических характеристик морской воды. Используя теоретические результаты, изложенные в монографии [1], на основании данных по рассеянию звука можно определить при решении обратной задачи функцию распределения пузырьков по размерам в верхнем слое моря, образованных при обрушении ветровых волн.

На рисунке 4 представлены результаты на различных глубинах при изменении во времени в процессе обрушения ветровых волн и образования пузырьковых облаков. Появление пузырьков приводит к повышенному поглощению звука, картина изменчивости которого представлена на рисунке 5. Видно, что на больших глубинах ниже 4 метров коэффицент поглощения стремится к стандартной величине поглощения звука в морской воде без пузырьков.

Рисунок 4 – Изменчивость функции распределения пузырьков радиуса 20 мкм g(R) в верхнем слое моря. 

Рисунок 5 – Коэффициент поглощения звука на частоте 145 кГц в зависимости от времени t на различных глубинах z. 

Следует обратить внимание на то, что появление пузырьковых облаков резко усиливает нелинейные свойства морской воды в приповерхностном слое. В частности, нелинейный параметр ε, характеризующий генерацию высших гармоник распространяющихся в воде волн различных типов, оказывается, резко увеличен на протяжении всего приповерхностного слоя толщиной до 4 метров. 

Рисунок 6 – Коэффициент поглощения звука на частоте 145 кГц в зависимости от времени t на различных глубинах z. 

На рисунке 6 представлены результаты на различных глубинах при изменении во времени t в процессе обрушения ветровых волн и образования пузырьковых облаков. 

Рисунок 7 – Спектральная характеристика изменчивости нелинейного параметра на глубине 1.4 м. 10 

Исследования низкочастотного рассеяния звука с проникновением в осадки 

Для изучения проникновения акустических импульсов с различными частотами в донные осадки использовался аппаратурный комплекс, который прошел испытания в береговой экспедиции в б. Витязь. В качестве излучателя использовался макет излучателя Полином. Амплитудно- частотная характеристика в низкочастотной области показана на рисунке 8. 

Рисунок 8 - Чувствительность Полинома в режиме излучения 

Были проведены измерения рассеяния звука в условиях, когда НЧ Полином был помещен на берегу в яме на глубине около 0.5 м и закрыт жидкой смесью земли с водой. Место положения излучателя И находилось на расстоянии около 17 м от береговой черты, рядом с лабораторным помещением (рисунок 9). Излучение задавалось с помощью цифрового генератора ГСПФ на частоте 3410 Гц в виде тональных импульсов длительностью 300 мс с интервалом между импульсами 2 или 4 сек. Прием акустических сигналов осуществлялся с помощью гидрофона Г, а также в режиме обратного рассеяния с помощью излучателя И и коммутатора сигналов. 

Рисунок 9 - Схема аппаратуры для измерения рассеяния звука при проникновении звука в донные осадки.

К сожалению, структура осадков и данные по скорости звука в месте проведения экспериментов нам неизвестны. Направление излучения было вертикальное, однако в силу широкой характеристики направленности можно было ожидать в том числе бокового направления излучения акустических импульсов – в осадочном слое вдоль поверхности земли, включая морское дно. В качестве оценки было взято значение скорости звука равное 1500 м/с, т.е. чуть больше или примерно равное скорости звука в морской воде. Экспериментальные исследования проводились 21-23 октября 2023 г. 
 

Рисунок 10 – Рассеяние звука на частоте 3400 Гц в толще осадков в б. Витязь. 

На рисунке 10 представлены записи сигналов обратного рассеяния звука в полосе частот 2500-4500 Гц. Видно, что на расстоянии около 1000 м и 1500-1700 м видно отражение акустического импульса. Мы предполагаем, что наблюдается распространение акустических импульсов в сторону моря, прохождение в слое осадков и отражение их от противоположного берега – от побережья о. Таранцева и дальше от побережья противоположного берега бухты. Одновременно наблюдается небольшой нестационарный фон рассеянных сигналов, который мы ассоциируем с дополнительным влиянием морской среды. Из рисунка 10 видно, что на приеме можно было регистрировать низкочастотные шумы от проходящих катеров, звук которых заходил в осадки и мог распространяться в том числе в сторону приемной системы. Так в интервале от 6 минуты и далее можно было наблюдать шум в указанной полосе частот постепенно приближающийся к месту расположения системы. Визуально в это время наблюдалось прохождение по акватории б.Витязь большого скоростного катера. 

Таким образом, показано, что с применением рассеяния звука удается выявить тонкую структуру морской воды, включая распределение пузырьков в верхнем слое моря. Разработанные методы позволяют определить изменчивость важных акустических характеристик – коэффициента рассеяния и поглощения звука, а также определить функцию распределения пузырьков и общее содержание свободного газа в морской воде на различных глубинах. Кроме того, выполнены предварительные исследования, показывающие возможность регистрации прохождения низкочастотных акустических импульсов в слое осадков. Полученные данные будут использованы для дальнейшего совершенствования низкочастотной системы изучения распространения звука в морских осадках.