Подводный звуковой канал (ПЗК)Типичная для ПЗК лучевая картина приведена на рис. 3.1. Характер лучевой картины существенно зависит от положения излучателя относительно оси ПЗК. При размещении излучателя вблизи оси ПЗК образуется группа лучей, вдоль которых акустическая энергия распространяется на большие расстояния без потерь на границах среды. При расположении источника звука на оси ПЗК каждый луч пересекает ее на всем протяжении его траектории под углом, равным углу выхода из излучателя. Глубины проникновения лучей в области отрицательных и положительных градиентов zm и величины полуциклов
Рис. 3.1. Лучевая картина ПЗК. Источник на оси ПЗК
Все приведенные рассуждения справедливы для излучателя, расположенного на оси ПЗК. По мере ухода горизонта источника с оси канала в ту или другую сторону появляется группа лучей, пересекающих ось ПЗК и претерпевающих полное внутреннее отражение на горизонтах, где скорость звука определяется выражением: Сг =Co/cos Здесь Со – скорость звука на горизонте источника звука. Изменение горизонта излучателя приводит к формированию на оси ПЗК зон акустической тени. Удаление излучателя от оси ПЗК сопровождается уменьшением углового раствора канальных лучей. Для практических целей значительный интерес представляет усредненный закон спадания интенсивности, который на больших расстояниях имеет вид:
где r0 – переходное расстояние, начиная с которого сферический закон спада интенсивности сменяется цилиндрическим. Зоны конвергенции в океане. Их вырождение. Анализ лучевых картин применительно к ПЗК показывает, что при условии сп > сд и размещении источника выше оси канала образуется группа лучей, периодически выходящая к поверхности. Образующиеся при этом вторичные освещенные области называются дальними зонами акустической освещенности (ДЗАО) или зонами конвергенции. Условия формирования этих зон и их основные параметры представляют значительный практический интерес. На рис. 3.2 представлена зависимость c(z) и лучевая картина при расположении источника звука вблизи поверхности. Лучи, ограниченные сверху значением
Рис. 3.2. Лучевая картина ПЗК. Источник вблизи поверхности.
Для акустического поля в этом случае характерна зональная структура поля. Ненаправленный источник звука находится в центре ближней зоны акустической освещенности (БЗАО), за которой находится протяженная зона акустической тени; за ней размещается первая зона конвергенции (1–я ДЗАО). Затем снова зона тени, вторая зона конвергенции и т. д. Схематически характер поля в условиях зональной структуры при ненаправленном источнике звука изображен на рис. 3.3.
Рис. 3.3. Схематический вид пространственного распределения поля в условиях зональной структуры поля у поверхности
Подчеркнем, что при неизменных профиле с (z) и глубине океана подобное чередование зон будет перемещаться в пространстве со скоростью источника звука. При направленном источнике звука непрерывного излучения акустическое поле характеризуется энергетической трубкой определенного углового размера, вырезающей на поверхности кольцо. Элементами зон конвергенции для фиксированного горизонта наблюдения являются расстояние до зоны, протяженность и толщина. Значения элементов зон конвергенции зависят от целого ряда факторов: глубины оси ПЗК и величины Протяженность первой зоны может быть порядка 10.. 15 км, второй порядка 20 км. Толщина первой зоны достигает нескольких сот метров. При значительном удалении горизонта наблюдения от поверхности океана зона конвергенции разделится на две части, что соответствует восходящей и нисходящей частям пучка водных лучей. Размеры зон освещенности и тени с увеличением номера зоны постепенно изменяются – горизонтальная протяженность освещенных зон увеличивается, а протяженность и толщина зон тени сокращается. В благоприятных условиях удавалось зарегистрировать до 10... 11 зон конвергенции. В дальнейшем зоны конвергенции перекрываются, образуя сплошную зону акустической освещенности. Увеличение глубины погружения излучателя приводит к расширению зон конвергенции и соответствующему уменьшению зон тени. При размещении излучателя на оси ПЗК вся область канала оказывается засвеченной лучами. В ряде случаев зоны конвергенции могут формироваться на некоторой глубине, не выходя к поверхности океана (глубинные зоны конвергенции). Подобное явление возникает в районах океана, где скорость звука у поверхности больше скорости звука у дна сп > сд. При этом излучатель располагается на горизонтах, где скорость звука меньше скорости звука у дна. Обязательным условием формирования вторичных освещенных зон на некоторой глубине также является наличие подводного звукового канала. Потери на распространение в условиях зональной структуры поля определяются в соответствии с выражением ПР = – 201gr – Условно в гидроакустике распределения скорости звука по глубине разделяют на 7 типов (рис. 3.4). Это разделение сложилось у практиков-гидроакустиков исторически: Тип 1 – практически изотермия от поверхности до дна, т.е. положительный градиент скорости звука. Данный тип часто встречается в Северном Ледовитом океане; Тип 2 – положительный градиент скорости звука изменяется на отрицательный при глубинах порядка десятка метров, что имеет место, когда наблюдается резкое охлаждение поверхностного и приповерхностного слоя морей; Тип 3 – положительный градиент изменяет знак на отрицательный, а затем снова на положительный, что характерно для глубоководных районов Мирового океана в зимний или осенний периоды; Тип. 4 – дважды происходит изменение знака градиента с положительного на отрицательный. Такое распространение скорости звука может наблюдаться в мелководных районах океана, мелком море и шельфовой зоне; Тип 5 – уменьшение скорости звука с глубиной, что характерно для мелководных районов и в летнее время; Тип 6 – отрицательный знак градиента изменяется на положительный. Данный тип ВРСЗ имеет место практически во всех глубоководных районах Мирового океана; Тип 7 – отрицательный градиент изменяется на положительный, а затем вновь на отрицательный. Данный тип ВРСЗ имеет место в районах мелкого моря. Следует отметить, что в различной литературе и описаниях боевых информационных управляющих систем (БИУС) встречается типизация, отличающаяся от вышеуказанных 7 типов, в некоторых БИУС до 19 ¸ 33. Распределение ВРСЗ по 7 типам является классическим, а построение лучевых картин на ПЭВМ для любого распределения не представляет каких–либо трудностей.
Рис. 3.4. Типы ВРСЗ
|
определены значениями этих градиентов и остаются неизменными на всем протяжении. Поскольку значения градиентов в слое выше оси ПЗК составляют в среднем (3... 6) 10–3 м–1, а ниже оси 1, 2 
, нижние циклы лучей длиннее и дальше отходят от оси, чем верхние.
(3.1)
, (3.2)
и внизу 
образуют трубку, в пределах которой акустическая энергия переносится без потерь при отражении на границах среды.
. Для типичных условий открытого океана расстояние до первой зоны конвергенции составляет 55 … 70 км, до второй – 110...140 км и т. д.
r +101gAf, где фактор аномалии Af рассчитывается с пуском всего многообразия лучей, приходящих в точку наблюдения. Применительно к Атлантическому океану оценить возможность выхода дальних зон к поверхности и расстояние до первой зоны освещенности можно с помощью выше приведённых формул.
