(руководитель В.А. Буланов).
2.1. Введение.
Экспедиционные работы проводились в соответствии со следующими программами и проектами:
Исследования взаимодействия звука с микронеоднородными средами, разработка методов акустического мониторинга и изучение структуры и динамики мелкомасштабных неоднородностей деятельного слоя океана (Раздел 4 темы: "Нелинейная динамика океана" (Индекс научного направления 7.8; 7.10; 7.13; 1.4; 2.2; 2.5.), проект 09-I-П17-04 "Исследования неоднородностей водной среды в деятельном слое дальневосточных морей методами акустического зондирования" в рамках Программы №17 фундаментальных исследований Президиума РАН, интеграционный проект ДВО РАН с научными учреждениями Сибирского и Уральского отделений РАН № 09-II-УО-03-003, инициативный проект ДВО РАН 09-III-А-07-314 " Исследования пространственной и временной изменчивости структуры мелкомасштабных неоднородностей верхнего слоя дальневосточных морей нелинейными акустическими методами зондирования", проект РФФИ 09-02-01030-а, экспедиционный проект РФФИ 10-05-10008
2.2. Цели экспедиции.
Исследования неоднородностей водной среды в деятельном слое дальневосточных морей методами акустического зондирования, исследования физических механизмов взаимодействия звука с микронеоднородностями морской среды, апробация методов акустического мониторинга, изучение структуры и динамики мелкомасштабных неоднородностей деятельного слоя моря
2.3. Задачи экспедиции.
Исследования рассеяния и распространения звука на различных частотах во всей водной толщи при различных гидрологических условиях, исследования акустической нелинейности морской воды:
-
выполнить измерения на ходу судна характеристик рассеяния звука в верхнем слое моря вдоль трасс в заливе Петра Великого, -
провести всестороннее изучение возможностей новых акустических методов зондирования на основе измерения нелинейных характеристик взаимодействия акустических импульсов с различными типами мелкомасштабных неоднородностей в шельфовой зоне моря -
провести измерения параметра акустической нелинейности морской воды, -
провести измерения профиля течений акустическим профилографом вдоль выбранных трасс, -
для изучения распространения звука выполнить акустические измерения в процессе буксировки излучающих систем на трассах -
совместно с лабораторией лазерной оптики и спектроскопии провести совместные акустические и оптические исследования в шельфовой зоне моря.
Для решения указанных задач требовалось проведение экспедиционных исследований в различные сезоны и при различных состояниях морской среды (температура, ветер, волнение и пр.), что потребовало разбиение экспедиционных исследований на 3 этапа в различные сезоны.
2.4. Методы измерений и обработки данных.
Функциональная схема типичной акустической системы для измерения рассеяния звука представлена на рис.1.
Рис. 1.
Использовались акустические излучатели с различными частотами 150 кГц и 200 кГц, которые крепились на носу и по борту судна на глубине около 1.3 м. Запись сигналов осуществлялась в цифровом виде с помощью многоканального цифрового регистратора МА 16 фирмы "Руднев и Шиляев" и платы La2 USB фирмы L-card. Обработка сигналов с целью визуализации пространственных структур проводилась с применением специально разработанных программ SCATTER и AViewer, которые ранее в различных версиях неоднократно использовалась в морских экспедициях.
Проводились испытания и измерения с помощью акустического профилографа течений ADP фирмы SONTEC, который позволял также изучать рассеяние звука на частоте 250 кГц. Акустический профилограф крепился на борту судна на специальной штанге, что позволяло использовать его на ходу судна.
Все работы по исследованию рассеяния звука проводились непрерывно на протяжении всего маршрута судна, как на полигонах, так и между полигонами №1 и №2.
2.5. Используемые технические средства и их краткая характеристика.
В состав оборудования, предназначенного для акустического мониторинга деятельного слоя моря, входили:
-
система для измерения обратного рассеяния звука в деятельном слое моря на различных частотах в интервале от 100 кГц до 700 кГц; -
двухчастотный гидролокатор на базе рыбопоискового эхолота FURUNO FCV 1150 c рабочими частотами, настраиваемыми в зависимости от типа излучателя в интервале от 28 кГц до 200 кГц. -
мобильный двухчастотный гидролокатор на базе эхолота Black Box Fish Finder c фиксированными частотами 50 и 200 кГц. -
система низкочастотного излучения с пьезокерамическим излучателем на 2500 Гц; -
акустический профилограф течений ADP фирмы SONTEC, позволяющий проводить измерения коэффициентов рассеяния звука на частоте 250 кГц; -
навигационная система GPS со специализированным программным обеспечением для задач акустического мониторинга.
Акустическая система измерения рассеяния звука включала в себя тракт излучения звука с различными частотами, пьезокерамические преобразователи, тракт приема и систему ввода и первичной обработки акустической информации. Система ввода и первичной обработки акустической информации включала в себя интерфейсную 14-ти разрядную плату ввода фирмы "Руднев и Шиляев" Ла2 USB с предельной частотой квантования 400 кГц, многоканальный цифровой регистратор фирмы "Руднев и Шиляев" МА-16 с предельной частотой записи 200 кГц, интерфейсную 12-ти разрядную плату ввода фирмы "Л-Кард" E20-10 с предельной частотой квантования 10 МГц, персональные компьютеры и специальные программы обработки и визуализации акустических сигналов.
Система низкочастотного излучения с пьезокерамическим излучателем на 2500 Гц предназначалась для изучения распространения звука в шельфовой зоне моря.
Система включала в себя цифровой генератор ГСПФ 053 фирмы "Руднев и Шиляев", который управлял частотой сигнала излучения, формируя ЛЧМ- сигнал. Пределы изменения частоты ЛЧМ- сигнала контролировались с помощью частотомера. В качестве усилителя мощности использовался трансляционный усилитель УМ-100. Максимальная выходная мощность усилителя составляет 100 Вт при максимальном выходном напряжении 200 В. На выход усилителя подключался пьезокерамический излучатель с резонансной частотой 2500 Гц, частота ЛЧМ- сигнала изменялась от 1500 до 3300 Гц с периодом повторения 50 с. Конструкция излучателя позволяла работать не только при стационарном положении – на дне, но также в судовых условиях НИС "Малахит" в дрейфе и осуществлять буксировку на скорости до 5-ти узлов.
Навигационная система на базе прибора GPSMAP-130 обеспечивала привязку временного распределения данных по рассеянию на измеряемых трассах к географическим координатам. При работе низкочастотной системы излучения навигационная система регистрировала положение и перемещение источников звука на шельфе.
2.6. Объемы выполненных работ.
Работы проводились в в 3 этапа в различные сезоны.
1 этап - 17 мая 2010 г.– 22 мая 2010 г.,
2 этап – 13 июля 2010 г.– 21 июля 2010 г.,
3 этап – 30 сентября 2010 г.– 10 октября 2010 г.
Работы лаб 3/3 в экспедициях на НИС "Малахит" № 77, 92 и "Импульс" № 32 проводились в следующем составе:
Буланов В.А., д.ф.-м.н., зав.лаб. 3/3, руководитель работ
Корсков И.В., к.ф.-м.н., с.н.с. лаб.3/3
Попов П.Н, к.ф.-м.н., с.н.с. лаб.3/3
Стороженко А.В., м.н.с..лаб.3/3
Левушкин О.В., вед.инж. лаб.3/3
В первом рейсе в начале июня значительный объем работ был проведен по замене отдельных элементов и ремонту донной акустической станции в б.Витязь (глубина 14 метров), простоявшей около года, а также проведения калибровки, испытанию и настройке акустических систем для проведения морских измерений.
Во всех рейсах проводились исследования рассеяния звука на различных частотах на ходу судна вдоль всего маршрута Владивосток - МЭС"Шульц" и обратно. Были выполнены полигонные измерения акустических характеристик верхнего слоя моря внутри б.Витязь, в заливе Посьет, на гидрофизическом полигоне ТОИ вблизи мыса Шульц, в б. Алексеева о.Попова, а также на отдельных полигонах вблизи о.Попова и вблизи о.Русский. С целью изучения временных вариаций акустических характеристик в б.Витязь было сделано 3 многочасовых станций (до 10 часов)
-
Проведены систематические измерения коэффициентов рассеяния звука на различных частотах 150, 200 и 250 кГц на звукорассеивающих слоях различного происхождения в водной толще вдоль различных трасс в важных районах залива Петра Великого. Районы работ представлены в Приложении. -
Выполнены исследования с применением акустического профилографа течений ADP фирмы SONTEC, проводилась отработка методик измерения профилографом течений ADP совместно с каналом рассеяния звука. -
Проведены совместно с лабораторией лазерной оптики и спектроскопии совместные акустические и оптические исследования в шельфовой зоне моря (многократные профили рассеяния звука и флуориметрические измерений морской воды) -
Проведены исследования распространения звука в параметрическом режиме с учетом отражения от дна, выявлены особенности формирования поля разностной частоты в мелком море, которые ранее были слабо изучены
2.7. Предварительные научные результаты.
На рис.2 представлена схема трасс и расположение полигонов, на которых проводились акустические исследования в Заливе Петра Великого.
В результате проведения исследований по акустическому зондированию верхнего слоя морской воды развиты акустические методы на основе широкополосного обратного рассеяния звука для мониторинга мелкомасштабных неоднородностей в деятельном слое моря.
Большая часть экспедиционного времени времени была затрачена на настройку и адаптацию для задач исследования рассеяния звука двухчастотного гидролокатора на базе рыбопоискового эхолота FURUNO FCV 1150. В итоге была решена задача съема информации с наименьшими помехами, которая позволила провести в дальнейшем исследования по рассеянию звука в районах с малой концентрацией микронеоднородностей в морской среде. Принципиальная схема подключения эхолота FURUNO FCV 1150 в нашу измерительную схему представлена на рис. 3.
Получены данные о гидрофизических характеристиках верхнего слоя моря, включая данные о характерных пространственных структурах и характерных временных масштабах вариаций различных гидрофизических параметров приповерхностного слоя моря.
На рис. 4 представлены результаты исследований рассеяния звука на частоте 250 кГц вдоль трассы Владивосток-Шульц (расположение трассы см. рис.2 в ) летом 2010 г. Видно мощное рассеяние практически во всей толще. В зависимости от расположения трассы по отношению к островам на шельфе залива (рис.2) видно существенное изменение характера рассеяния звука и связанных с этим процессом распределения неоднородностей в морской воде. Обращает на себя внимание существенное внедрение неоднородностей в толщу воды в районе между архипелагом Римскова-Корсакова и мысом Гамова. Эта глубоководная часть залива является открытой для беспрепятственного захода внутренних волн из открытого моря, что иллюстрируется на рис. 4.
а)
|
б)
|
в) |
г) |
Рис.2. Схема районов, в которых проводились акустические исследования в Заливе Петра Великого. Линии – измерения по ходу движения судна; точки – измерения по глубине во время стоянки судна.
Рис. 3. Принципиальная схема подключения эхолота FURUNO FCV 1150 в измерительную схему с цифровым вводом в компьютер через высокочастотную интерфейсную плату E20-10.
Рис. 4. Рассеяние звука на частоте 250 кГц вдоль трассы Владивосток-Шульц 15.07.2010 г.
В качестве сравнения результатов по рассеянию звука в толще морской воды на рис.5 представлены акустические данные на частоте 200 кГц, полученные на частоте 200 кГц с помощью эхолота FURUNO FCV1150 на трассе Шульц–Владивосток. Из результатов, представленных на рис.4 и рис.5, видно, насколько резко отличается структура поля рассеянного звука, обусловленного различным расположением мелкомасштабных неоднородностей в толще морской воды в различные сезоны.
Рис. 5. Рассеяние звука на частоте 200 кГц на трассе Шульц – Владивосток 6.10.2010 г.
Как видно из рис. 4 и рис.5 основное рассеяние звука сосредоточено вблизи поверхности в слое 10-20 метров.
На рис. 6. представлено распределение поля скорости звука вдоль трассы Шульц – Владивосток на отдельных станциях, указанных на рис. 2 г. Характер распределения скорости звука указывает на те закономерности распределения поля рассеянного звука, которые видны из рис.5. Последнее указывает на то, что рассеяние звука тесно связано с гидрофизическими параметрами, модулирующими распределение мелкомасштабных неоднородностей, которые и являются непосредственными источниками рассеяния звука в море.
Рис. 6. Распределение поля скорости звука вдоль трассы Шульц – Владивосток
6.10.2010 г. на отдельных станциях, указанных на рис. 2 г.
Важным направлением были исследования динамики внутренних волн при их взаимодействии с морским дном. На рис. 5 представлена типичная картина прохождения внутренней волны через подводную возвышенность. Хорошо видно разрушение структуры внутренней волны при ее частичном отражении и прохождении за возвышенность.
Рис. 6. Прохождение внутренней волны через подводную возвышенность.
Важной задачей экспедиции было провести всестороннее изучение возможностей нелинейных акустических методов зондирования на основе измерения взаимодействия акустических импульсов с различными типами мелкомасштабных неоднородностей в параметрическом режиме. На рис. 7 и рис.8 представлено осевое распределение акустического поля в параметрическом режиме с разностными частотами 15 кГц и 20 кГц при накачке в бигармоническом режиме с средней частотой 200 кГц и амплитудой вблизи поверхности излучателя 300 кПа.
Видно, что за счет нелинейного взаимодействия формируется пучок остронаправленного излучения на низких частотах 15 и 20 кГц с достаточно высокой амплитудой в дальнем поле, составляющем на частоте 15 кГц величину около 3-4 кПа*м. Следует особо подчеркнуть высокую концентрацию излучения на низких частотах, характеристика направленности на частоте 15 кГц составляет всего лишь 4.50 . Для формирования такой узкой характеристики направленности в обычном линейном режиме на частоте 15 кГц потребовался бы огромный излучатель с апертурой не менее 1.5 м. В нашем случае такую же узкую характеристику направленности удалось достичь для излучателя с диаметром излучающей поверхности всего 9 см.
Рис. 7. Осевое распределение поля разностной частоты 20 кГц при накачке 200 кГц.
Рис. 8. Осевое распределение акустического поля на различных разностных частотах 15 кГц и 20 кГц при накачке 200 кГц, амплитуда 300 кПа.
Кроме подобного рода исследований по распространению звука были проведены исследования рассеяния звука с применением параметрических излучателей. Важным итогом было изучение рассеяния звука в приповерхностном слое моря. Были выявлены особенности рассеяния звука, обусловленного изменением структуры пузырьковых облаков, вовлекаемых ветровыми напряжениями и индуцированными течениями, типичными для мелкого моря при скорости ветра до 12 м/с. Показано, что наблюдается значительное вовлечение пузырьков в толщу морской воды (обнаружимое до 10 метров). При этом обнаруживается существенная частотная зависимость, что свидетельствует о наличии широкого распределения пузырьков по размерам, вид функции которого оказывается изменяющимся от глубины вовлечения пузырьков в толщу моря.
Анализ полученных результатов по широкополосному рассеянию звука показал, что функция распределения пузырьков по размерам R в приповерхностном слое моря имеет максимум в области около 10 мкм и степенную зависимость R при больших размерах (низкие частоты). В дальнейшем при проведении экспедиционных работ предполагается усилить наблюдение структуры приповерхностного слоя моря с распределенными воздушными пузырьками, образующимися в результате обрушения ветровых волн.
2.8. Выводы.
Основные запланированные работы выполнены. На основе полученных данных в дальнейшем будут выявлены характерные особенности тонкой структуры звукорассеивающих слоев в важных районах залива Петра Великого совместно с пространственной структурой течений и динамикой внутренних волн в мелком море.
Была изучена возможность использования нелинейных параметрических излучателей для зондирования неоднородностей морской среды и показана его эффективность.
Результаты исследований с применением акустического профилографа течений ADP фирмы SONTEC позволят соспоставить результаты измерения структуры течений и поля рассеяния звука в море.
Основная новизна работ, проводимых в экспедициях, заключалась в применении новых методов изучения структуры, основанных на использовании многочастотного рассеяния звука и применении сложных сигналов, в том числе с использованием работостронаправленных параметрических акустических излучающих систем.
Полученные данные будут реализованы при выполнении указанных выше проектов ДВО РАН и проектов РФФИ.