|
Введение
 В настоящее время получают развитие нетрадиционные акустические методы изучения Мирового океана. Прогресс в указанных областях связывают с освоением низких частот – ниже сотен герц и, в перспективе, единиц герц и долей герца. Широкий круг вопросов, который в связи с этим предстоит решить, осложняется сравнительно слабой изученностью акустико-океанологических условий и свойств океанической среды на низких частотах, недостаточным развитием методов экспериментальных исследований и расчетов низкочастотных акустических полей. В равной степени это относится и к естественному низкочастотному шумовому полю океана, изученному лишь на начальном этапе. Проблема изучения подводного низкочастотного шума океана, которой посвящена книга, является одной из важных в акустике океана. Достоверные оценки дальности действия гидроакустических средств различного назначения невозможны без учета шума океана как помехи. С другой стороны, низкочастотный шум океана является источником информации о свойствах и параметрах океана. Содержащиеся в книге обширные данные о спектрально-энергетических и пространственных корреляционных характеристиках поля шума составляют основу для поиска методов решения ряда задач океанологии, морской геологии, подводной акустики. Заметим, что эти методы являются экологически чистыми, так как не требуют применения искусственно излучаемых сигналов. Рассматриваемый в книге низкочастотный диапазон шума – от тысячных долей герца до сотен герц – актуален для использования в перспективных низкочастотных гидроакустических средствах, обладающих преимуществами по дальности действия и скрытности перед существующими техническими средствами. Особое значение в связи с этим придается изучению спектрально-энергетических и пространственно-корреляционных характеристик низкочастотного шумового поля в различных районах океана, характеристик изменчивости уровня и структуры шума, особенностей шума, связанных с акустико-океанологическими условиями в глубоком океане, мелком море, на шельфе, подводном континентальном склоне. На основе использования этих характеристик возможен поиск методов повышения помехоустойчивости гидроакустических систем. Источники низкочастотного шума в океане можно условно разделить на два класса: источники длительного действия, (такие, как волнение, ветер, судоходство), и низкочастотные сигналы высокой интенсивности, вызванные землетрясениями. Гидроакустическая компонента сигналов землетрясений приходит в точку приема по водному слою с больших, нередко трансокеанических, эпицентральных расстояний фаза имеет шумоподобный характер, поскольку ее длительность составляет от нескольких минут до нескольких часов. Изучение таких сигналов представляет интерес, так как с освоением низких частот они становятся заметной помехой работе гидроакустических систем в районах с высокой сейсмической активностью. Вместе с тем, эти сигналы могут использоваться для озвучивания океана по протяженным трассам и для решения ряда сейсмологических и акустико-океанологических задач. Необходимо отметить, что рассматриваемый низкочастотный диапазон шума океана в настоящее время гораздо менее исследован, чем высокочастотный шум. Это объясняется рядом факторов, прежде всего трудностями проведения экспериментальных исследований в этой области частот. Основным препятствием в изучении является существование значительных помех неакустической природы при регистрации низкочастотного шума океана. Кроме того, существует некоторая трудность, связанная с необходимостью применения достаточно узкополосной анализирующей аппаратуры, рассчитанной для работы на низких частотах в реальном масштабе времени. Как будет показано ниже, применение узкополосного анализа с шириной полосы в сотые доли герца необходимо из-за наличия многочисленных дискретных составляющих в спектре низкочастотного шума, а также некоторых эффектов, занимающих сравнительно узкую область частот. Существует еще одна очевидная трудность исследования низкочастотных шумов океана. Известно, что низкочастотные шумы океана собираются от источников, расположенных на обширной, радиусом порядка 1000км, акватории. Обеспечение контроля метеорологической и судоходной обстановки на столь обширной акватории для интерпретации данных по шумности является в настоящее время технически трудноосуществимой задачей. Указанный низкочастотный диапазон шума примечателен тем, что для всех глубин океана распространение колебаний не ограничивается водной толщей, а в значительной мере захватывает дно. Это делает сложной задачу учета процесса распространения шума по водному слою, так как приводит к некоторым особенностям, которые связаны со значительным увеличением потерь энергии низкочастотного звука при его распространении в океане, а также с необходимостью учета других типов волн, кроме акустических волн в воде. Кроме совершенствования техники и методики эксперимента по изучению шума океана, первоочередными задачами собственно изучения низкочастотного шума являются следующие: – детальное изучение спектрально-энергетических и пространственно-корреляционных характеристик поля шума при широком охвате различных условий образования шума – от мелководных и шельфовых областей до открытого глубокого океана в разных районах; – выявление особенностей мелководного и глубоководного окружающего шума; – изучение шума от различных источников, в том числе шумоподобных гидроакустических сигналов в океане, вызванных землетрясениями, а также излучения окружающего судоходства. В той или иной мере решение этих задач затронуто в книге. Необходимо отметить, что появление книги является результатом анализа и обобщения обширного экспериментального материала по шуму, полученного автором в условиях прибрежных и комплексных океанических экспедиций на специализированных малошумных судах Акустического института, что в свое время потребовало больших материальных затрат. Наблюдения подводного акустического окружающего шума проводились в различных районах Атлантического, Тихого и Индийского океанов, в Филиппинском, Средиземном, Черном, Балтийском, Охотском и Японском морях, как в глубоководных, так и в мелководных шельфовых районах. Полученные данные являются оригинальными, не имеющими аналогов в известных публикациях, как отечественных, так и зарубежных. Выполненные исследования позволили получить достоверные данные по структуре спектров и пространственной когерентности поля шума, условиям формирования шума в водном слое. Была выявлена природа источников, даны объяснения наблюдаемым особенностям и различиям низкочастотного шума на шельфе и в глубоком океане, определены волновой состав, модовая структура и параметры компонент поля шума. Были получены ранее неизвестные количественные характеристики изменчивости низкочастотного шума на шельфе и в мелком море по результатам его долговременной, до 30 суток, регистрации. Разработана модель низкочастотного шума судоходства для количественного описания наблюдаемой линейчатой структуры спектров шума, ее связи с параметрами судоходства. Необходимость углубленного понимания процесса шумообразования для широкого круга специалистов в области гидроакустики, океанологии, морской геологии и сейсмологии делает актуальным и своевременным опубликование книги – первой по низкочастотному подводному шуму океана. Стремление облегчить читателю усвоение материала побудило начать изложение с краткого ознакомления с основными положениями низкочастотной гидроакустики, относящимися к теме исследования. Проведен ретроспективный анализ известных результатов изучения низкочастотного шума океана, рассмотрены задачи и направления исследований, дана оценка современного состояния проблемы. Отдельная глава посвящена методическим вопросам организации экспериментальных исследований низкочастотного шума, условиям его измерений и регистрации. Основой книги служит полученный автором обширный материал экспериментальных исследований спектрально-энергетических характеристик и пространственной когерентности поля окружающего низкочастотного шума в мелком море, в шельфовых и глубоководных областях океана, нашедший частичное отражение в работах []. На основе численных исследований и полученных экспериментальных данных выявляется волновой состав, модовая структура поля шума, природа источников, процесс формирования шума, проводится обобщение данных по шуму, полученных в разных районах океана. Рассматриваются спектры и условия формирования шумоподобных сигналов землетрясений в океане. Описываются некоторые результаты наблюдений шума океана в более высокочастотной области, непосредственно примыкающей к низкочастотной. Выясняется, при каких условиях традиционно более высокочастотные шумы могут "проникать" в низкочастотную область. В последней главе затронуты вопросы практического использования низкочастотного шума океана с учетом полученных результатов экспериментальных исследований. Приведем некоторые основные термины и понятия, которые используются в книге. В отличие от шума или сигнала от локализованного источника (например, излучения отдельного судна), под окружающим шумом океана понимается постоянно наблюдаемый шумовой фон от распределенных по большой площади источников шума, будь то источники на водной поверхности или совокупность большого числа судов. В этом отношении шумоподобные акустические сигналы, вызываемые землетрясениями, занимают особое место, поскольку они вызываются коротким импульсным воздействием, локализованным в очаге землетрясения, а регистрируются как длительный шум, который может продолжаться десятки минут из-за переизлучения колебаний дном океана на обширной площади. Шельф – подводная мелководная равнина, непосредственно примыкающая к побережью океанов и морей. Обычно ее ширина составляет несколько десятков километров, а глубина не превышает 100–200м. В ряде районов шельфовая область сужается до нескольких километров или, наоборот, расширяется до сотен километров. Некоторые моря, например, Балтийское, представляют собой обширные шельфовые области. Для условий приема гидроакустических сигналов важной характеристикой шельфа является то, что он обычно покрыт толстым слоем осадков. Подводный континентальный склон – примыкающая к шельфу с океанической стороны зона, которая характеризуется сравнительно резким уклоном, порядка 5–10°С (иногда доходит до 40–45°). Поверхность склона обычно сложена коренными породами, сильно изрезана, имеет уступы, величина которых составляет десятки и сотни метров в любом направлении. Глубины, до которых сохраняется уклон, лежат для разных районов океана в диапазоне 1500-м. В геологическом плане сравнительно узкая зона подводного континентального склона (ее ширина обычно не превышает нескольких десятков километров) является границей перехода от континентальных областей к океаническим. Ложе океана – основная по площади часть дна океана. Ее характерная особенность – сравнительно сглаженный рельеф, который в отдельных ограниченных областях перемежается возвышенностями, системами подводных хребтов или сравнительно узкими глубоководными впадинами. Ложе океана расположено в основном на глубинах 4–5км. Автор глубоко благодарен Ю.М.Сухаревскому, С.М.Звереву и Д.Г.Тонконогову за труд по просмотру рукописи и ее обсуждение; сотрудникам Акустического института Н.Н.Охрименко и Г.М.Дронову, экипажам судов за помощь в постановке океанических экспериментов и обработке записей; всем сотрудникам института, принимавшим участие в обсуждении материала книги; руководству НИЦ "Кристалл" за помощь в подготовке рукописи к печати. Оглавление
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||