stringtranslate.com

Канал ГНФАР

Скорость звука под водой как функция глубины. Данные получены на основе показаний, полученных к северу от Гавайев в Тихом океане и взяты из Атласа Мирового океана , издание 2005 года. Обратите внимание на ось канала ГНФАР на расстоянии ок. Глубина  750  м , где скорость звука показана наименьшей.

Канал ГНФАР (сокращение от «канал фиксации звука и дальности »), или канал глубокого звука ( DSC ), [1] представляет собой горизонтальный слой воды в океане, на глубине которого скорость звука минимальна. Канал ГНФАР действует как волновод для звука, и низкочастотные звуковые волны внутри канала могут преодолевать тысячи миль, прежде чем рассеяться. Примером может служить прием кодированных сигналов, генерируемых зафрахтованным ВМФ судном наблюдения за океаном «Кори Чоуэст» у острова Херд , расположенного в южной части Индийского океана (между Африкой, Австралией и Антарктидой), с помощью гидрофонов в частях всех пяти основных океанских бассейнов и на расстоянии Северная Атлантика и северная часть Тихого океана . [2] [3] [4] [примечание 1]

Это явление является важным фактором наблюдения за океаном. [5] [6] [7] Глубокий звуковой канал был открыт и описан независимо Морисом Юингом и Дж. Ламаром Ворзелем из Колумбийского университета и Леонидом Бреховских из Физического института Лебедева в 1940-х годах. [8] [9] При тестировании концепции в 1944 году Юинг и Ворзель повесили гидрофон на Салуда , парусное судно, приписанное к Лаборатории подводного звука , а второй корабль запускал заряды взрывчатого вещества на расстоянии до 900 морских миль (1000 миль; 1700 км). прочь. [10] [11]

Принцип

Акустические импульсы распространяются в океане на большие расстояния, потому что они улавливаются в акустическом волноводе . Это означает, что по мере приближения акустических импульсов к поверхности они поворачиваются обратно ко дну, а по мере приближения к дну океана они поворачиваются обратно к поверхности. Океан очень эффективно проводит звук, особенно звук на низких частотах, то есть менее нескольких сотен Гц.

Температура является доминирующим фактором, определяющим скорость звука в океане. В областях с более высокими температурами (например, вблизи поверхности океана) скорость звука выше. Температура снижается с глубиной, при этом скорость звука соответственно уменьшается, пока температура не станет стабильной, а давление не станет доминирующим фактором. Ось канала ГНФАР лежит в точке минимальной скорости звука на глубине, где давление начинает доминировать над температурой и скорость звука увеличивается. Эта точка находится внизу термоклина и на вершине глубокого изотермического слоя и, следовательно, имеет некоторую сезонную изменчивость. Существуют и другие акустические каналы, особенно в верхнем перемешанном слое , но пути лучей теряют энергию при отражениях либо от поверхности, либо от дна. В канале ГНФАР, в частности, низкие частоты преломляются обратно в канал, так что потери энергии невелики, а звук распространяется на тысячи миль. [9] [12] [13] Анализ данных технико-экономического обоснования острова Херд, полученных гидрофонами системы определения места падения ракеты острова Вознесения на промежуточном расстоянии 9200 км (5700 миль; 5000 морских миль) от источника, обнаружил удивительно высокое соотношение сигнала к коэффициент шума в диапазоне от 19 до 30 дБ с неожиданной стабильностью фазы и изменением амплитуды после времени в пути около 1 часа 44 минут и 17 секунд. [3]

Профиль, показывающий ось звукового канала и дно на критической глубине. Там, где профиль дна вмешивается в звуковой канал, распространение звука ограничено дном.

Внутри воздуховода звуковые волны прослеживают путь, который колеблется поперек оси канала ГНФАР, так что один сигнал будет иметь несколько времен прибытия с характерной чертой нескольких импульсов, достигающих кульминации в четко определенном конце. [10] [примечание 2] Этот четко очерченный конец, представляющий почти осевую траекторию прибытия, иногда называют финалом ГНФАР, а более ранние - симфонией ГНФАР. [14] [15] Эти эффекты обусловлены более крупным звуковым каналом, в котором пути лучей проходят между поверхностью и критической глубиной. [примечание 3] Критическая глубина — это точка ниже минимальной оси скорости звука, где скорость звука увеличивается до уровня максимальной скорости над осью. Там, где дно находится выше критической глубины, звук ослабляется, как и любой путь луча, пересекающий поверхность или дно. [16] [17] [18] [примечание 4]

Батиметрический профиль с глубиной канала ГНФАР от острова Херд до острова Вознесения.

Ось канала больше всего варьируется: ее местоположение достигает поверхности и исчезает в высоких широтах (выше примерно 60 ° с.ш. или ниже 60 ° ю.ш.), но затем звук распространяется в поверхностном канале. В отчете Центра военно-морских океанских систем за 1980 год приводятся примеры исследования акустической трассы по большому кругу между Пертом, Австралия , и Бермудскими островами , с данными из восьми мест на этом пути. И в Перте, и на Бермудских островах ось звукового канала проходит на глубине около 1200 м (3937 футов). Там, где путь пересекает антарктическую конвергенцию на 52° южной широты, нет глубокого звукового канала, но есть поверхностный канал глубиной 30 м (98 футов) и неглубокий звуковой канал на высоте 200 м (656 футов). Когда трасса поворачивает на север, станция на 43 градусах южной широты и 16 градусах восточной долготы показала, что профиль возвращается к типу ГНФАР на высоте 800 м (2625 футов). [19] [20]

Приложения

Первое практическое применение началось во время Второй мировой войны , когда ВМС США начали экспериментировать и внедрять возможности определения места взрыва бомбы ГНФАР , используемой сбитыми пилотами в качестве сигнала бедствия. Разница во времени прибытия источника в неизвестное место в известных местах позволила вычислить общее местоположение источника. [10] Времена прибытия образуют гиперболические линии положения, подобные LORAN . Обратное, обнаружение синхронизированных сигналов от известных позиций на берегу в неизвестной точке, позволило вычислить позицию в этой точке. Эта техника получила название ГНФАР наоборот: РАФОС. RAFOS определен в издании «Американский практический навигатор» 1962 года среди гиперболических навигационных систем. [10] [21] [22]

Первые приложения основывались на стационарных береговых станциях, часто называемых станциями ГНФАР. Некоторые из них стали центрами акустических исследований, как и Бермудская станция SOFAR, которая участвовала в эксперименте Перт-Бермудские острова. [19] [20] Записи Бермудской станции ведутся Океанографическим институтом Вудс-Хоул (WHOI). [23] В недавнем прошлом источники ГНФАР использовались для специальных целей в приложении РАФОС. Одна такая система развернула донные источники у мыса Хаттерас , у Бермудских островов и один на подводной горе для отправки трех точно синхронизированных сигналов в день, чтобы обеспечить точность примерно на пять километров (3,1 мили; 2,7 морских миль). [24]

Первое применение быстро вызвало большой интерес у ВМФ не только по причинам, связанным с поиском экипажей сбитых самолетов. Решение ВМФ в 1949 году привело к проведению к 1950 году исследований, в которых рекомендовалось использовать потенциал пассивного гидролокатора канала ГНФАР для противолодочной борьбы (ПЛО) ВМФ. Рекомендация включала в себя трату 10 миллионов долларов в год на исследования и разработку системы. К 1951 году испытательная установка подтвердила эту концепцию, а к 1952 году были заказаны дополнительные станции для Атлантики. Первым крупным использованием канала ГНФАР было наблюдение за океаном в рамках секретной программы, которая привела к созданию системы звукового наблюдения (SOSUS). Эта система оставалась засекреченной с момента создания до тех пор, пока стационарные системы не были дополнены мобильными антеннами и превратились в Интегрированную систему подводного наблюдения, предназначение и характер которой были рассекречены в 1991 году. [7] [25] [примечание 5]

Мониторинг землетрясений с использованием SOSUS после того, как ограниченный гражданский доступ был предоставлен Тихоокеанской морской экологической лаборатории (PMEL) Национального управления океанических и атмосферных исследований в 1991 году, выявил в десять раз больше морских землетрясений с лучшей локализацией, чем с наземными датчиками. Обнаружение SOSUS может обнаружить землетрясения магнитудой около двух, а не четырех. Система обнаружила распространение морского дна и явления магмы на хребте Хуан-де-Фука как раз вовремя, чтобы исследовательские суда могли их исследовать. В результате этого успеха компания PMEL разработала собственные гидрофоны для развертывания по всему миру, которые будут подвешиваться в канале ГНФАР с помощью поплавковой и якорной системы. [26]

Другие приложения

В природе

Загадочные низкочастотные звуки , приписываемые финвалам ( Balaenoptera physalus ), — обычное явление в протоке. Ученые полагают, что финвалы могут нырять в этот канал и петь, чтобы общаться с другими финвалами, находящимися на расстоянии многих километров. [28]

Популярная культура

В романе «Охота за «Красным Октябрем» описывается использование канала ГНФАР для обнаружения подводных лодок.

Сноски

  1. ^ На рисунке 1 справочника «Технико-экономическое обоснование острова Херд» (Манк) показаны пути лучей к местам приема. В Таблице 1 перечислены места, одно из которых представляет собой канадское исследовательское судно с буксируемой установкой у Кейп-Кода .
  2. ^ В справочнике «История канала ГНФАР» есть запись и сонограмма эффекта.
  3. ^ Этот термин также имеет применение в биологической океанографии .
  4. ^ Рисунок 2 на третьей странице справочника Уильямса/Стивена/Смита помогает понять критическую глубину, канал ГНФАР, весь канал и задействованные траектории лучей.
  5. ^ Не совсем случайно, что некоторые береговые объекты SOSUS, называемые военно-морскими объектами (NAVFAC), располагались вблизи старых станций ГНФАР. Например, военно-морской комплекс Бермуды и военно-морской комплекс Пойнт-Сур . Местная акустика уже была хорошо известна.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Дополнение ВМФ к словарю военных и связанных с ними терминов Министерства обороны США (PDF) . Департамент Военно-Морского Флота . Июнь 2012 г. Архивировано (PDF) из оригинала 15 апреля 2021 г. Проверено 23 октября 2021 г.
  2. ^ Мунк, Уолтер Х.; Шпиндел, Роберт С.; Баггерер, Артур; Бердсолл, Теодор Г. (20 мая 1994 г.). «Технико-экономическое обоснование острова Херд» (PDF) . Журнал Акустического общества Америки . 96 (4). Акустическое общество Америки: 2330–2342. Бибкод : 1994ASAJ...96.2330M. дои : 10.1121/1.410105 . Проверено 26 сентября 2020 г.
  3. ^ ab NOAA AOML (февраль 1993 г.). Прием на острове Вознесения в Южной Атлантике передач с технико-экономического обоснования острова Херд (Технический меморандум NOAA ERL AOML-73) (PDF) (Отчет). Майами, Флорида: Национальное управление океанических и атмосферных исследований, Атлантическая океанографическая и метеорологическая лаборатория . Проверено 26 сентября 2020 г.[ постоянная мертвая ссылка ]
  4. ^ Военное командование морских перевозок (2008). «Обзор MSC 2008 — корабли наблюдения за океаном». Военное командование морских перевозок. Архивировано из оригинала 10 февраля 2018 года . Проверено 28 сентября 2020 г.
  5. ^ ab Cone, Брюс Э. (1 июля 1976 г.). Восточный испытательный полигон ВВС США — Справочник по приборному обеспечению (PDF) . База ВВС Патрик, Флорида: Восточный испытательный полигон, Управление полигонов. п. 1-1. Архивировано (PDF) из оригинала 27 февраля 2021 г. Проверено 12 сентября 2020 г.
  6. ^ Де Гир, Ларс-Эрик; Райт, Кристофер (22 сентября 2019 г.). «От овец до звуковых волн: данные подтверждают ядерное испытание». Внешняя политика . Вашингтон, округ Колумбия: FP Group, Graham Holdings Company . Проверено 23 сентября 2020 г.
  7. ^ ab «История интегрированной подводной системы наблюдения (IUSS) 1950–2010 гг.» Ассоциация выпускников IUSS/CAESAR . Проверено 25 сентября 2020 г.
  8. ^ «Уильям Морис Юинг (1906-1974)» (PDF) . Вашингтон, округ Колумбия: Национальная академия наук. 1980: 136–137 . Проверено 25 сентября 2020 г. {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
  9. ^ Аб Кахарл, Виктория (март 1999 г.). «Исследование тайн океана» (PDF) . Вашингтон, округ Колумбия: Национальная академия наук . Проверено 25 сентября 2020 г. {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
  10. ^ abcd "История канала ГНФАР". Университет Род-Айленда и Центр внутреннего космоса. 2020 . Проверено 26 сентября 2020 г.
  11. ^ Командование военно-морской истории и наследия. «Салуда». Словарь боевых кораблей американского флота . Командование военно-морской историей и наследием . Проверено 26 сентября 2020 г.
  12. ^ Хелбер, Роберт; Бэррон, Чарли Н.; Карнс, Майкл Р.; Зингарелли, Р.А. Оценка глубины звукового слоя относительно глубины смешанного слоя (PDF) (Отчет). Космический центр Стенниса, MS: Военно-морская исследовательская лаборатория, Отдел океанографии. Архивировано (PDF) из оригинала 11 сентября 2021 г. Проверено 26 сентября 2020 г.
  13. ^ Томпсон, Скотт Р. (декабрь 2009 г.). Аспекты распространения звука в глубоководной акустической сети (PDF) (магистерская диссертация). Монтерей, Калифорния: Военно-морская аспирантура. Архивировано (PDF) из оригинала 11 сентября 2021 г. Проверено 26 сентября 2020 г.
  14. ^ Шпиндел, Роберт С. (2004). «Пятнадцать лет экспериментов по распространению распространения на большие расстояния в северной части Тихого океана». Журнал Акустического общества Америки . 116 (4): 2608. Бибкод : 2004ASAJ..116.2608S. дои : 10.1121/1.4785400 . Проверено 26 сентября 2020 г.
  15. ^ Дзечух, Мэтью; Мунк, Уолтер; Рудник, Дэниел Л. (2004). «Распространение звука через пряный океан, увертюра ГНФАР». Журнал Акустического общества Америки . 116 (3): 1447–1462. Бибкод : 2004ASAJ..116.1447D. дои : 10.1121/1.1772397 . Проверено 26 сентября 2020 г.
  16. ^ Уильямс, Клэр М.; Стивен, Ральф А.; Смит, Дебора К. (15 июня 2006 г.). «Гидроакустические явления, расположенные на пересечении разломов Атлантида (30 ° с.ш.) и Кейн (23 ° 40 'с.ш.) Трансформации со Срединно-Атлантическим хребтом». Геохимия, геофизика, геосистемы . 7 (6). Американский геофизический союз: 3–4. дои : 10.1029/2005GC001127 . S2CID  128431632.
  17. ^ Феннер, Дон Ф.; Кронин, Уильям младший (1978). Упражнение на подшипниковый столб: скорость звука и другие изменения окружающей среды (PDF) (отчет). Станция NSTL, MS: Деятельность военно-морских исследований и разработок океана (NORDA). п. 3. Архивировано (PDF) из оригинала 4 марта 2016 г. Проверено 26 сентября 2020 г.
  18. ^ Баггерер, Артур Б.; Шир, Эдвард К. (2010). Океанографическая изменчивость и характеристики пассивных и активных гидролокаторов в Филиппинском море (PDF) (Отчет) . Проверено 27 сентября 2020 г.
  19. ^ Аб Душоу, Брайан Д. (10 апреля 2012 г.). Эксперимент по антиподальному распространению акустической энергии от Перта до Бермудских островов 1960 года: мера полувекового потепления океана? (PDF) (Отчет) . Проверено 26 сентября 2020 г.
  20. ^ AB Нортроп, Дж.; Хартдеген, К. (август 1980 г.). Подводные пути распространения звука между Пертом, Австралия, и Бермудскими островами: теория и эксперимент (PDF) (Отчет). Сан-Диего, Калифорния: Центр военно-морских океанских систем. стр. 3–6. Архивировано (PDF) из оригинала 9 ноября 2020 г. Проверено 24 сентября 2020 г.{{cite report}}: CS1 maint: дата и год ( ссылка )
  21. ^ Томас, Пол Д. (1960). Использование искусственных спутников для навигации и океанографических исследований (Доклад). Вашингтон, округ Колумбия: Береговая и геодезическая служба США. п. 7 . Проверено 26 сентября 2020 г.
  22. ^ Американский практический навигатор . Вашингтон, округ Колумбия: Гидрографическое управление ВМС США. 1962. с. 347.
  23. ^ "Барабанные записи станции SOFAR на Бермудских островах" . Библиотека и архивы данных WHOI . Проверено 26 сентября 2020 г.
  24. ^ Томас, Россби Х. (1987). «Навигационная система РАФОС». Труды Международного симпозиума по морскому позиционированию . Дордрехт: Спрингер. п. 311. дои : 10.1007/978-94-009-3885-4_30. ISBN 978-94-010-8226-6.
  25. ↑ Смит, Дебора Х. (3 августа 2004 г.). «Уши в океане». Океанус . Океанографический институт Вудс-Хоул . Проверено 26 сентября 2020 г.
  26. ^ Дзиак, Боб (август 2008 г.). PMEL/Vents Ocean Acoustics (PDF) (Отчет). Тихоокеанская лаборатория морской окружающей среды . Проверено 26 сентября 2020 г.
  27. ^ Лоуренс, Мартин В. (ноябрь 2004 г.). «Акустический мониторинг Мирового океана для ДВЗЯИ» (PDF) . Проверено 25 сентября 2020 г. {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
  28. ^ Ориентация с помощью акустической сигнализации дальнего действия у усатых китов, Р. Пейн, Д. Уэбб, в Annals NY Acad. Sci., 188 : 110–41 (1971).

Внешние ссылки