Флуктуации интенсивности звука, вызванные движением солитонов внутренних волн в эксперименте ASIAEX

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Рассматривается один из эпизодов эксперимента ASIAEX 2001 (Южно-Китайское море), в котором вдоль двух стационарных акустических трасс длиной 32 и 19 км двигался крупный солитон внутренних волн, и наблюдались связанные с этим флуктуации интенсивности низкочастотного звука (224 и 300 Гц). В ходе исследования было обнаружено явление постоянства доминирующей частоты флуктуаций с течением времени. Например, при шестичасовом движении солитона вдоль длинной трассы, где глубина моря изменялась в три раза (с 350 до 120 м), а скорость солитона – в два раза (с 2 до 1 м/с), доминирующая частота флуктуаций оставалась приблизительно постоянной и равной 1.5 ц/ч с точностью 10%. В работе анализируются причины данного явления. Для этого солитон рассматривается в рамках двухслойной модели водной среды, а распространение звука – в рамках модовой и лучевой теорий. Согласно лучевой теории, доминирующая частота флуктуаций определяется отношением скорости солитона к циклу луча, ответственному за доминирующие флуктуации. В модовой теории получено аналогичное выражение, где роль цикла луча играет комбинация пространственных периодов биения нескольких пар мод. Показано, что при изменении глубины моря скорость солитона и цикл луча изменяются практически пропорционально, в результате чего доминирующая частота флуктуаций остается постоянной. Описанное явление может иметь универсальный характер и не ограничиваться акваторией ASIAEX. Постоянство доминирующей частоты позволяет, в частности, определить переменную скорость солитона как функцию времени или расстояния, что успешно продемонстрировано в работе и может быть использовано для акустического мониторинга солитонов.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

В. А. Григорьев

Воронежский государственный университет; Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской Академии Наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: grig4@yandex.ru
Россия, 394018, Воронеж, Университетская пл. 1; 119991, Москва, ул. Вавилова 38

Список литературы

  1. Newhall A., Costello L., Duda T., Dunn J., Gawarkiewicz G., Irish J., Kemp J., McPhee N., Liberatore S., Lynch J., Ostrom W., Schroeder T., Trask R., Keith von der Heydt. Preliminary acoustic and oceanographic observations from the ASIAEX 2001 South China Sea experiment // Woods Hole Oceanog. Inst. 2001. Tech. Rep. WHOI-2001–12.
  2. Apel J.R., Ostrovsky L.A., Stepanyants Y.A., Lynch J.F. Internal solitons in the ocean // Woods Hole Oceanog. Inst. 2006. Tech. Rep. WHOI-2006–04.
  3. Jackson C.R., Apel J.R. An atlas of internal solitary-like waves and their properties. Global Ocean Associates. 2nd Edition. 2004. http://www.internalwaveatlas.com
  4. Duda T.F., Lynch J.F., Irish J.D., Beardsley R.C., Ramp S.R., Chiu C.-S., Tang T.Y., Yang Y.-J. Internal tide and nonlinear internal wave behavior at the continental slope in the northern South China Sea // IEEE J. Oceanic Eng. 2004. V. 29. № 4. P. 1105–1130.
  5. Huang X., Zhao W., Tian J., Yang Q. Mooring observations of internal solitary waves in the deep basin west of Luzon Strait // Acta Oceanol. Sin. 2014. V. 33. № 3. P. 82–89.
  6. Серебряный А.Н. Исследование особенностей внутренних волн в проливе Лусон Южно-Китайского моря по их поверхностным проявлениям с помощью судового радиолокатора // Шестая всероссийская открытая ежегодная конференция “Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса”. Москва, ИКИ РАН, 10–14 ноября 2008. http://d33.infospace.ru/d33_conf/2008_conf_pdf/L/Serebreniu.pdf
  7. Ramp S.R., Yang Y.J., Bahr F.L. Characterizing the nonlinear internal wave climate in the northeastern South China Sea // Nonlin. Processes Geophys. 2010. V. 17. № 5. P. 481–498.
  8. Ramp S.R., Tang T.Y., Duda T.F., Lynch J.F., Liu A.K., Chiu C.-S., Bahr F.L., Kim H.-R., Yang Y.-J. Internal solitons in the northeastern South China Sea. Part I: sources and deep water propagation // IEEE J. Oceanic Eng. 2004. V. 29. № 4. P. 1157–1181.
  9. Кацнельсон Б.Г., Переселков С.А. Горизонтальная рефракция низкочастотного звукового поля, вызванная солитонами внутренних волн в мелководном волноводе // Акуст. журн. 2000. Т. 46. № 6. С. 779–788.
  10. Кацнельсон Б.Г., Бади М., Линч Дж. Горизонтальная рефракция звука в мелком море и ее экспериментальные наблюдения // Акуст. журн. 2007. Т. 53. № 3. С. 362–376.
  11. Grigorev V.A., Katsnelson B.G., Lynch J.F. Bottom attenuation estimation using sound intensity fluctuations due to mode coupling by nonlinear internal waves in shallow water // J. Acoust. Soc. Am. 2016. V. 140. № 5. P. 3980–3994.
  12. Katsnelson B., Grigorev V., Lynch J.F. Intensity fluctuations of mid-frequency sound signals passing through moving nonlinear internal waves // J. Acoust. Soc. Am. 2008. V. 124. № 3. Pt. 2. P. EL78–EL84.
  13. Katsnelson B.G., Grigorev V., Badiey M., Lynch J.F. Temporal sound field fluctuations in the presence of internal solitary waves in shallow water // J. Acoust. Soc. Am. 2009. V. 126. № 1. P. EL41–EL48.
  14. Григорьев В.А., Кацнельсон Б.Г. Флуктуации интенсивности высокочастотных акустических импульсов, вызванные движением солитонов внутренних волн в мелком море // Акуст. журн. 2009. Т. 55. № 1. С. 47–55.
  15. Григорьев В.А., Кацнельсон Б.Г., Lynch J.F. Угловая зависимость флуктуаций интенсивности высокочастотных сигналов, пересекающих фронт движущихся интенсивных внутренних волн // Доклады XII научной школы-семинара им. акад. Л.М. Бреховских “Акустика океана”, совмещенной с XXI сессией Российского Акустического Общества. М.: ГЕОС, 2009. С. 63–66.
  16. Григорьев В.А., Кацнельсон Б.Г., Lynch J.F. Флуктуации энергии высокочастотных звуковых сигналов в мелком море в присутствии нелинейных внутренних волн // Акуст. журн. 2013. Т. 59. № 4. С. 485–493.
  17. Григорьев В.А., Кацнельсон Б.Г. Флуктуации звука, обусловленные взаимодействием мод на движущихся нелинейных внутренних волнах в мелком море // Акуст. журн. 2014. Т. 60. № 3. С. 262–271.
  18. Григорьев В.А., Кацнельсон Б.Г., Lynch J.F. Флуктуации интенсивности звука, обусловленные взаимодействием мод на движущихся нелинейных внутренних волнах в мелком море // Ученые записки физического факультета МГУ. 2014. № 6. 146333.
  19. Jiang Y., Grigorev V., Katsnelson B. Sound field fluctuations in shallow water in the presence of moving nonlinear internal waves // J. Mar. Sci. Eng. 2022, 10(1), 119.
  20. Katsnelson B., Grigorev V., Jiang Y. Intensity fluctuations due to mode coupling in the presence of moving internal waves in shallow water and estimation of bottom parameters // Proc. of the 29th Int. Congress on Sound and Vibration. Edited by Eleonora Carletti. Prague, 9–13 July 2023. P. 1–5.
  21. Apel J.R., Badiey M., Ching-Sang Chiu, Finette S., Headrick R., Kemp J., Lynch J.F., Newhall A., Orr M.H., Pasewark B.H., Tielbuerger D., Turgut A., Keith von der Heydt, Wolf S. An overview of the 1995 SWARM shallow-water internal wave acoustic scattering experiment // IEEE J. Oceanic Eng. 1997. V. 22. № 3. P. 465–500.
  22. Newhall A.E., Duda T.F., Keith von der Heydt, Irish J.D., Kemp J.N., Lerner S.A., Liberatore S.P., Ying-Tsong Lin, Lynch J.F., Maffei A.R., Morozov A.K., Shmelev A., Sellers C.J., Witzell W.E. Acoustic and oceanographic observations and configuration information for the WHOI moorings from the SW06 experiment // Woods Hole Oceanog. Inst. 2007. Tech. Rep. WHOI-2007–04.
  23. Vincenty T. Direct and inverse solutions of geodesics on the ellipsoid with application of nested equations // Survey Review. 1975. V. 23. № 176. P. 88–93. http://www.movable-type.co.uk/scripts/latlong-vincenty.html
  24. Pelinovsky E., Talipova T., Didenkulova I., Didenkulova (Shurgalina) E. Interfacial long traveling waves in a two-layer fluid with variable depth // Stud. Appl. Math. 2018. P. 1–15.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Район проведения эксперимента ASIAEX с указанием батиметрии. Показаны глубины 200, 500, 2000 м. Солитоны рождались в проливе Лусон и через двое суток, пройдя глубоководную часть моря, наблюдались в районе ASIAEX.

Скачать (182KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Солитон амплитудой 150 м при глубине моря 350 м, зарегистрированный 09.05.2001 в эксперименте ASIAEX с помощью термисторной цепочки E1.

Скачать (49KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Типичный спутниковый снимок солитона, сделанный 05.05.2001 в момент прохождения акустических трасс ASIAEX. Трассы выделены красным цветом. Белая линия, пересекающая трассы, – это фронт солитона.

Скачать (1MB)
Метаданные
5. Рис. 4. Эксперимент ASIAEX (07.05.2001): (а) – вид сверху, (б) и (в) – вид сбоку на трассу 1 (S1–VLA) и трассу 2 (S2–VLA), (г) – невозмущенный профиль скорости звука в воде [19]. Синяя линия на рис. 4а – фронт солитона в момент времени 12:20. Синяя линия на рис. 4б и 4в – изолинии скорости звука (1525 и 1535 м/с), соответствующие максимальной амплитуде солитона (100 и 55 м), в моменты времени 09:45 и 12:40 (горизонтальный и вертикальный масштабы соблюдены). Красные точки – термисторные цепочки E1–E5. Синие точки – приемная антенна VLA, источники S1, S2. Расположение всех элементов соответствует реальным координатам.

Скачать (137KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Записи на термисторных цепочках E1–E4 (07.05.2001), пересчитанные в скорость звука. Каждая панель по вертикали соответствует глубине моря. Горизонтальные пунктиры показывают границы цепочек. Значения выше и ниже этих границ восстановлены по невозмущенному профилю скорости звука (рис. 4г). Вертикальные пунктиры показывают времена прихода солитона на цепочки.

Скачать (252KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Средняя экспериментальная, теоретическая и измеренная скорости солитона на трассах 1 и 2.

Скачать (190KB)
Метаданные
8. Рис. 7. С помощью цветовой шкалы показаны экспериментальные спектрограммы флуктуаций интенсивности на трассах 1 и 2. Картины нормированы на максимум на каждой вертикали. Желтая полоса соответствует доминирующим флуктуациям. Черные линии – теоретические дисперсионные кривые 1–3 и 1–6 порядков для трасс 1 и 2.

Скачать (610KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Проверка пропорциональности между теоретической скоростью солитона и циклом луча на трассе 1. Цикл луча вычислен в рамках модовой теории на основе дисперсионных кривых 1, 2 и 3 порядков.

Скачать (35KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Гистограммы распределения локальных максимумов, определяемых на каждой вертикали в спектрограммах.

Скачать (78KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Красные сплошные линии – границы экспериментальных доверительных интервалов доминирующей частоты. Синие сплошные линии – границы теоретических доверительных интервалов доминирующей частоты, полученные при заданном числе мод. Интервалы максимально близки при 7 на обеих трассах.

Скачать (66KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Зависимость модулей амплитуд мод от расстояния на трассах 1 и 2. Картины нормированы на максимум на каждой вертикали.

Скачать (84KB)
Метаданные
13. Рис. 12. (а) – Пространственные периоды биений мод с номерами m и m+1 для трассы 1. (б) – Цикл луча, определяющий доминирующие флуктуации, полученный в рамках модовой и лучевой теорий для трассы 1.

Скачать (81KB)
Метаданные
14. Рис. 13. Анализ лучей на трассе 1. (а) – Угловой спектр интенсивности собственных лучей, связывающих источник и приемник, в зависимости от угла выхода из источника. (б) – Траектория луча, ответственного за доминирующие флуктуации (угол скольжения на выходе из источника равен 0.18 рад).

Скачать (72KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024