Гидроакустика
Гидроаку́стика — раздел акустики, изучающий излучение, приём и распространение звуковых волн в реальной водной среде (в океанах, морях, озёрах и т. д.) для целей подводной локации, связи и т. п.
Главная особенность подводных звуков — их малое затухание, вследствие чего под водой звуки могут распространяться на значительно бо́льшие расстояния, чем, например, в воздухе.
Кроме затухания, обусловленного свойствами самой воды, на дальность распространения звуков под водой влияют рефракция звука, его рассеяние и поглощение различными неоднородностями среды, обусловленные разницей температур, солености или плотности воды[1].
Термины и определения гидроакустики
Применение гидроакустики
Гидроакустика получила широкое практическое применение для решения задач подводной локации и связи. Поскольку эффективность систем передачи электромагнитных волн под водой на расстояниях более десятков метров незначительна[1], гидроакустика является наиболее распространённым средством подводной связи.
Для этих целей пользуются звуковыми частотами от 300 до 10000 гц, и ультразвуками — от 20 000 гц и выше. В качестве излучателей и приёмников в звуковой области используются электродинамические и пьезоэлектрические излучатели и гидрофоны, а в ультразвуковой — пьезоэлектрические и магнитострикционные. Кроме звукоподводной связи гидроакустика применяется для:
- Обнаружения шумовых сигналов и определения направления на них;
- Излучения акустических сигналов, обнаружения отраженных сигналов и определения координат;
- Классификации обнаруженных сигналов.
Наиболее существенные применения гидроакустики:
- для решения военных задач (обнаружение надводных судов, подводных лодок, безэкипажных подводных аппаратов, торпед, водолазов[1], мин и т.д.);
- морская навигация;
- звукоподводная связь;
- рыбопоисковая разведка;
- океанологические исследования;
- сферы деятельности по освоению богатств дна Мирового океана;
- использование акустики в бассейне (дома или в тренировочном центре по синхронному плаванию)
- тренировка морских животных.
Гидроакустические средства
Применение гидроакустики реализуется с помощью гидроакустических средств. Гидроакустическое устройство представляет собой техническое устройство или совокупность устройств, принцип действия которых основан на использовании акустических волн в водной среде. К гидроакустическим средствам можно отнести:
- Гидроакустические комплексы (гидроакустическая система), состоят из: гидроакустический буй, гидроакустическая станция и пр.;
- эхолоты — являются разновидностью гидролокаторов более узкого назначения;
- гидролокаторы;
- Шумопеленгаторы (пассивные средства подводного наблюдения) — определяют направление источника шума.
Площадная съемка
Имеется несколько особенностей использования средств площадной съёмки в мелководном море[2]:
- высокая плотность информации о глубинах внутри полосы обзора;
- избыточность информации (несколько измеренных глубин в одной точке);
- неравная точность информации (глубины внутри полосы обзора имеют разную точность).
Представление данных
В настоящее время существует несколько подходов к обработке и представлению данных площадных съёмок.
Традиционный подход, который чаще всего используется в настоящее время, унаследовал идеологию, принятую ещё со времен однолучевой батиметрии. Такой подход предполагает редактирование каждой отдельной глубины с использованием возможностей компьютерной техники. При этом на этапе окончательной обработки основное время уходит на интерактивное (ручное) редактирование полученных глубин. В итоге для представления на отчетном планшете отбираются только наименьшие глубины акватории, характеризующие сугубо «гидрографический» подход к съемке рельефа, направленный, прежде всего, на обеспечение безопасности мореплавания. При данном подходе теряется значительная часть полезной информации о микрорельефе, кроме того, достаточно сложно получить апостериорную оценку точности выполненной съемки.[2]
Альтернативный подход к обработке данных площадных съемок, результаты которых могут быть использованы как для обеспечения безопасности мореплавания, так и для исследовательских целей, был предложен в последние годы. Взамен представления отдельных глубин предлагается создавать так называемую «навигационную поверхность» (Navigation Surface). Данная методология получила наименование CUBE (Combined Uncertainty and Bathymetiic Estimator) [37, 38, 39, 60]. Методика «CUBE» — это одна из разновидностей создания регулярной сети, когда в результате обработки кроме оценок глубин обеспечивается также получение оценки погрешности глубины в каждом узле грида. Методику «CUBE» возможно использовать и для фильтрации грубо ошибочных измерений, которые не удалось устранить на предшествующих этапах обработки.[2]
Рефракция звука
Скорость распространения звука изменяется с глубиной, причём изменения зависят от времени года и дня, глубины водоёма и ряда других причин.
Звуковые волны, выходящие из источника под некоторым углом к горизонту, изгибаются, причём направление изгиба зависит от распределения скоростей звука в среде:
- летом, когда верхние слои теплее нижних, лучи изгибаются книзу и в большинстве отражаются от дна, теряя при этом значительную долю своей энергии;
- зимой, когда нижние слои воды сохраняют свою температуру, между тем как верхние слои охлаждаются, лучи изгибаются кверху и многократно отражаются от поверхности воды, при этом теряется значительно меньше энергии. Поэтому зимой дальность распространения звука больше, чем летом.
Вертикальное распределение скорости звука (ВРСЗ) и градиент скорости оказывают определяющее влияние на распространение звука в морской среде. Распределение скорости звука в различных районах Мирового океана различно и меняется во времени.
Различают несколько типичных случаев ВРСЗ:
- изотермия
- положительная рефракция
- отрицательная рефракция
- неоднородное распределение
Вследствие рефракции могут образоваться мёртвые зоны — области, расположенные недалеко от источника, в которых слышимость отсутствует.
Наличие рефракции может приводить и к увеличению дальности распространения звука — явлению сверхдальнего распространения звуков под водой.
Рассеивание и поглощение звука неоднородностями среды
На распространение звуков высокой частоты, когда длины волн очень малы, оказывают влияние мелкие неоднородности, обычно имеющиеся в естественных водоёмах: пузырьки газов, микроорганизмы и т. д.
Эти неоднородности действуют двояким образом: они поглощают и рассеивают энергию звуковых волн. В результате с повышением частоты звуковых колебаний дальность их распространения сокращается. Особенно сильно этот эффект заметен в поверхностном слое воды, где больше всего неоднородностей.
Рассеяние звука неоднородностями, а также неровностями поверхности воды и дна вызывает явление подводной реверберации, сопровождающей посылку звукового импульса: звуковые волны, отражаясь от совокупности неоднородностей и сливаясь, дают затягивание звукового импульса, продолжающееся после его окончания.
Пределы дальности распространения подводных звуков так же ограничиваются собственными шумами моря, имеющими двоякое происхождение:
- часть шумов возникает от ударов волн на поверхности воды, от морского прибоя, от шума перекатываемой гальки и т. п.;
- другая часть связана с морской фауной (звуки, производимые гидробионтами: рыбами и др. морскими животными). Этим очень серьёзным аспектом занимается биогидроакустика.
ПО для гидрографии, гидролокации
- Реального времени;
- PDS-2000 фирмы Reson Inc.
- SIS (Seabed Information System)) фирмы Kongsberg MaritimeJnc.
- HYPACK фирмы HYPACK
- HYSWEEP МАХ фирмы HYPACK
- QINS фирмы QPS
- Постобработка
- CARIS HIPS (Kongsberg Maritime)
- Neptune (Kongsberg Maritime)
- HYSWEEP (HYPACK)
- MBE (HYPACK)
Примечания
Ссылки
- Гидроакустика — статья из Большой советской энциклопедии.