stringtranslate.com

канал ГНФАР

Скорость звука под водой как функция глубины. Данные получены из показаний, полученных к северу от Гавайев в Тихом океане и взятых из Атласа Мирового океана , издание 2005 года. Обратите внимание на ось канала SOFAR на глубине около  750  м , где скорость звука показана на самом низком уровне.

Канал SOFAR (сокращение от sound fixing and range channel ), или глубокий звуковой канал ( DSC ), [1] представляет собой горизонтальный слой воды в океане, на глубине которого скорость звука минимальна. Канал SOFAR действует как волновод для звука, и низкочастотные звуковые волны в канале могут распространяться на тысячи миль, прежде чем рассеяться. Примером может служить прием кодированных сигналов, генерируемых зафрахтованным ВМС США судном наблюдения за океаном Cory Chouest у острова Херд , расположенного в южной части Индийского океана (между Африкой, Австралией и Антарктидой), гидрофонами в частях всех пяти основных океанических бассейнов и на таком расстоянии, как Северная Атлантика и Северная часть Тихого океана . [2] [3] [4] [примечание 1]

Это явление является важным фактором в наблюдении за океаном. [5] [6] [7] Глубокий звуковой канал был открыт и описан независимо Морисом Юингом и Дж. Ламаром Ворзелем в Колумбийском университете и Леонидом Бреховских в Физическом институте им. Лебедева в 1940-х годах. [8] [9] При тестировании концепции в 1944 году Юинг и Ворзел подвесили гидрофон на Saluda , парусном судне, приписанном к Лаборатории подводного звука , а второе судно запускало взрывные заряды на расстоянии до 900 морских миль (1000 миль; 1700 км). [10] [11]

Принцип

Акустические импульсы проходят большие расстояния в океане, потому что они захвачены акустическим волноводом . Это означает, что когда акустические импульсы приближаются к поверхности, они поворачиваются обратно ко дну, а когда они приближаются к дну океана, они поворачиваются обратно к поверхности. Океан проводит звук очень эффективно, особенно звук на низких частотах, т. е. менее нескольких сотен Гц

Температура является доминирующим фактором в определении скорости звука в океане. В областях с более высокими температурами (например, вблизи поверхности океана) скорость звука выше. Температура уменьшается с глубиной, при этом скорость звука соответственно уменьшается, пока температура не станет стабильной, а давление не станет доминирующим фактором. Ось канала SOFAR лежит в точке минимальной скорости звука на глубине, где давление начинает доминировать над температурой, а скорость звука увеличивается. Эта точка находится в нижней части термоклина и в верхней части глубокого изотермического слоя и, таким образом, имеет некоторую сезонную дисперсию. Существуют и другие акустические каналы, особенно в верхнем смешанном слое , но траектории лучей теряют энергию либо с поверхностными, либо с донными отражениями. В канале SOFAR низкие частоты, в частности, преломляются обратно в канал, так что потеря энергии мала, и звук распространяется на тысячи миль. [9] [12] [13] Анализ данных испытаний осуществимости на острове Херд, полученных гидрофонами системы определения местоположения ракетных ударов на острове Вознесения на промежуточном расстоянии 9200 км (5700 миль; 5000 морских миль) от источника, выявил «удивительно высокие» отношения сигнал/шум , в диапазоне от 19 до 30 дБ, с неожиданной фазовой стабильностью и изменчивостью амплитуды после времени прохождения около 1 часа, 44 минут и 17 секунд. [3]

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

В канале звуковые волны прослеживают путь, который колеблется поперек оси канала SOFAR, так что один сигнал будет иметь несколько времен прибытия с сигнатурой нескольких импульсов, достигающих кульминации в резко определенном конце. [10] [примечание 2] Этот резко определенный конец, представляющий собой почти осевой путь прибытия, иногда называют финалом SOFAR, а более ранние — симфонией SOFAR. [14] [15] Эти эффекты обусловлены большим звуковым каналом, в котором лучевые пути содержатся между поверхностью и критической глубиной. [примечание 3] Критическая глубина — это точка ниже оси минимальной скорости звука, где скорость звука увеличивается до максимальной скорости над осью. Там, где дно лежит выше критической глубины, звук затухает, как и любой лучевой путь, пересекающий поверхность или дно. [16] [17] [18] [примечание 4]

Батиметрический профиль с глубиной оси канала SOFAR от острова Херд до острова Вознесения.

Ось канала больше всего меняется в зависимости от его местоположения, достигая поверхности и исчезая на высоких широтах (выше примерно 60° с. ш. или ниже 60° ю. ш.), но со звуком, затем перемещающимся по поверхностному каналу. В отчете Центра морских океанических систем за 1980 год приводятся примеры исследования акустического пути большого круга между Пертом, Австралия и Бермудскими островами с данными по восьми точкам вдоль пути. И в Перте, и на Бермудских островах ось звукового канала находится на глубине около 1200 м (3937 футов). Там, где путь встречается с Антарктической конвергенцией на 52º ю. ш., нет глубокого звукового канала, но есть поверхностный канал глубиной 30 м (98 футов) и неглубокий звуковой канал на 200 м (656 футов). Когда путь поворачивает на север, станция на 43º ю. ш., 16º в. д. показала, что профиль возвращается к типу SOFAR на 800 м (2625 футов). [19] [20]

Приложения

Первое практическое применение начало развиваться во время Второй мировой войны , когда ВМС США начали экспериментировать и внедрять возможность определения места взрыва бомбы SOFAR, используемой в качестве сигнала бедствия сбитыми пилотами. Разница во времени прибытия источника в неизвестном месте и в известных местах позволила вычислить общее местоположение источника. [10] Время прибытия образует гиперболические линии положения, похожие на LORAN . Обратное, обнаружение синхронизированных сигналов с известных береговых позиций в неизвестной точке, позволило вычислить положение в этой точке. Эта техника получила название SOFAR наоборот: RAFOS. RAFOS определена в издании 1962 года The American Practical Navigator среди гиперболических навигационных систем. [10] [21] [22]

Ранние приложения полагались на стационарные береговые станции, часто называемые станциями SOFAR. Некоторые из них стали акустическими исследовательскими центрами, как и станция SOFAR на Бермудах, которая была задействована в эксперименте из Перта на Бермуды. [19] [20] Записи станции на Бермудах ведутся Океанографическим институтом Вудс-Хоул (WHOI). [23] В недавнем прошлом источники SOFAR были развернуты для специальных целей в приложении RAFOS. Одна из таких систем развернула заякоренные на дне источники у мыса Хаттерас , у Бермудских островов, и один на подводной горе для отправки трех точно синхронизированных сигналов в день, что обеспечивало точность приблизительно в пять километров (3,1 мили; 2,7 морских миль). [24]

Первое применение быстро стало вызывать большой интерес у ВМС по причинам, отличным от поиска сбитых экипажей самолетов. Решение ВМС в 1949 году привело к исследованиям к 1950 году, рекомендующим использовать пассивный гидролокационный потенциал канала SOFAR для противолодочной борьбы (ASW) ВМС. Рекомендация включала в себя выделение 10 миллионов долларов в год на исследования и разработку системы. К 1951 году испытательный массив доказал концепцию, и к 1952 году были заказаны дополнительные станции для Атлантики. Первое крупное использование канала SOFAR было для наблюдения за океаном в секретной программе, которая привела к созданию Системы звукового наблюдения (SOSUS). Эта система оставалась засекреченной с самого начала, пока стационарные системы не были дополнены мобильными массивами, чтобы стать Интегрированной системой подводного наблюдения с миссией и характером системы, рассекреченными в 1991 году. [7] [25] [примечание 5]

Мониторинг землетрясений с использованием SOSUS после того, как в 1991 году был предоставлен ограниченный гражданский доступ в Тихоокеанскую морскую экологическую лабораторию (PMEL) Национального управления океанических и атмосферных исследований, выявил в десять раз больше землетрясений в открытом море с лучшей локализацией, чем с помощью наземных датчиков. Обнаружение SOSUS могло обнаруживать землетрясения магнитудой около двух, а не четырех. Система вовремя обнаруживала спрединг морского дна и магматические явления в хребте Хуан-де-Фука для проведения исследований исследовательскими судами. В результате этого успеха PMEL разработала собственные гидрофоны для развертывания по всему миру, которые подвешиваются в канале SOFAR с помощью поплавковой и якорной системы. [26]

Другие приложения

В природе

Таинственные низкочастотные звуки , приписываемые финвалам ( Balaenoptera physalus ), являются обычным явлением в канале. 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. ^ Рисунок 1 из справочника "The Heard Island Feasibility Test" (Munk) показывает траектории лучей к местам приема. В таблице 1 перечислены места, одним из которых является канадское исследовательское судно с буксируемой антенной решеткой у мыса Кейп-Код .
  2. ^ В справочнике «История канала ГНФАР» имеется запись и сонограмма эффекта.
  3. ^ Термин также применяется в биологической океанографии .
  4. ^ Рисунок 2 на третьей странице справочника Уильямса/Стивена/Смита полезен для понимания критической глубины, канала SOFAR, всего канала и задействованных траекторий лучей.
  5. ^ Не совсем случайно, что некоторые из береговых объектов SOSUS, называемые Naval Facilities (NAVFAC), располагались в непосредственной близости от старых станций SOFAR. Например, Naval Facility Bermuda и Naval Facility Point Sur . Местная акустика была уже хорошо известна.

Смотрите также

Ссылки

  1. ↑ Navy Supplement to the DOD Dictionary of Military and Associates Terms (PDF) . Department Of The Navy . Июнь 2012. Архивировано (PDF) из оригинала 15 апреля 2021 года . Получено 23 октября 2021 года .
  2. ^ Munk, Walter H.; Spindel, Robert C.; Baggeroer, Arthur; Birdsall, Theodore G. (20 мая 1994 г.). "The Heard Island Feasibility Test" (PDF) . Журнал Акустического общества Америки . 96 (4). Акустическое общество Америки: 2330–2342. Bibcode :1994ASAJ...96.2330M. doi :10.1121/1.410105 . Получено 26 сентября 2020 г. .
  3. ^ ab Palmer, DR; Georges, TM; Wilson, JJ; Weiner, LD; Paisley, JA; et al. (октябрь 1994 г.) [24 марта 1992 г.]. «Прием на острове Вознесения передач испытаний на пригодность острова Херд». Журнал акустического общества Америки . 96 (4): 2432–2440. doi :10.1121/1.411317. Архивировано из оригинала 19.04.2018.
  4. ↑ Military Sealift Command (2008). «MSC 2008 in Review — Ocean Surveillance Ships». Military Sealift Command. Архивировано из оригинала 10 февраля 2018 года . Получено 28 сентября 2020 года .
  5. ^ ab Cone, Bruce E. (1 июля 1976 г.). Восточный испытательный полигон ВВС США — Справочник по полигонному оборудованию (PDF) . База ВВС Патрик, Флорида: Восточный испытательный полигон, Управление полигонных операций. стр. 1-1. Архивировано (PDF) из оригинала 27 февраля 2021 г. . Получено 12 сентября 2020 г. .
  6. ^ Де Гир, Ларс-Эрик; Райт, Кристофер (22 сентября 2019 г.). «От овец до звуковых волн: данные подтверждают ядерное испытание». Foreign Policy . Вашингтон, округ Колумбия: FP Group, Graham Holdings Company . Получено 23 сентября 2020 г.
  7. ^ ab "История Интегрированной системы подводного наблюдения (IUSS) 1950 - 2010". Ассоциация выпускников IUSS/CAESAR . Получено 25 сентября 2020 г.
  8. ^ "William Maurice Ewing (1906-1974)" (PDF) . Вашингтон, округ Колумбия: Национальная академия наук. 1980: 136–137 . Получено 25 сентября 2020 . {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  9. ^ ab Kaharl, Victoria (март 1999 г.). «Sounding Out the Ocean's Secrets» (PDF) . Вашингтон, округ Колумбия: Национальная академия наук . Получено 25 сентября 2020 г. {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  10. ^ abcd "История канала SOFAR". Университет Род-Айленда и Центр внутреннего космоса. 2020. Получено 26 сентября 2020 г.
  11. ^ Naval History And Heritage Command. "Saluda". Словарь американских боевых кораблей . Naval History And Heritage Command . Получено 26 сентября 2020 г.
  12. ^ Хелбер, Роберт; Баррон, Чарли Н.; Карнс, Майкл Р.; Зингарелли, РА Оценка глубины звукового слоя относительно глубины смешанного слоя (PDF) (Отчет). Космический центр Стенниса, Миссисипи: Военно-морская исследовательская лаборатория, Отдел океанографии. Архивировано (PDF) из оригинала 11 сентября 2021 г. . Получено 26 сентября 2020 г. .
  13. ^ Томпсон, Скотт Р. (декабрь 2009 г.). Sound Propagation Considerations for a Deep-Ocean Acoustic Network (PDF) (Master's Thesis). Монтерей, Калифорния: Военно-морская аспирантура. Архивировано (PDF) из оригинала 11 сентября 2021 г. . Получено 26 сентября 2020 г. .
  14. ^ Spindel, Robert C. (2004). «Пятнадцать лет экспериментов по распространению на большие расстояния в северной части Тихого океана». Журнал Акустического общества Америки . 116 (4): 2608. Bibcode : 2004ASAJ..116.2608S. doi : 10.1121/1.4785400 . Получено 26 сентября 2020 г.
  15. ^ Dzieciuch, Matthew; Munk, Walter; Rudnick, Daniel L. (2004). «Распространение звука через пряный океан, увертюра SOFAR». Журнал акустического общества Америки . 116 (3): 1447–1462. Bibcode : 2004ASAJ..116.1447D. doi : 10.1121/1.1772397 . Получено 26 сентября 2020 г.
  16. ^ Уильямс, Клэр М.; Стивен, Ральф А.; Смит, Дебора К. (15 июня 2006 г.). «Гидроакустические события, обнаруженные на пересечении трансформных разломов Атлантис (30° с.ш.) и Кейн (23°40′ с.ш.) со Срединно-Атлантическим хребтом». Геохимия, геофизика, геосистемы . 7 (6). Американский геофизический союз: 3–4. doi : 10.1029/2005GC001127 . S2CID  128431632.
  17. ^ Феннер, Дон Ф.; Кронин, Уильям Дж. Мл. (1978). Bearing Stake Exercise: Sound Speed ​​and Other Environmental Variability (PDF) (Report). Станция NSTL, Миссисипи: Военно-морские исследования и разработки в области океана (NORDA). стр. 3. Архивировано (PDF) из оригинала 4 марта 2016 г. Получено 26 сентября 2020 г.
  18. ^ Баггерроер, Артур Б.; Шеер, Эдвард К. (2010). Океанографическая изменчивость и эффективность пассивных и активных сонаров в Филиппинском море (PDF) (Отчет) . Получено 27 сентября 2020 г.
  19. ^ ab Dushaw, Brian D (10 апреля 2012 г.). Эксперимент по антиподальному распространению звука от Перта до Бермудских островов 1960 г.: мера полувекового потепления океана? (PDF) (Отчет) . Получено 26 сентября 2020 г.
  20. ^ ab Northrop, J.; Hartdegen, C. (август 1980 г.). Underwater Sound Propagation Paths Between Perth, Australia and Bermuda: Theory and Experiment (PDF) (Report). Сан-Диего, Калифорния: Центр военно-морских океанических систем. стр. 3–6. Архивировано (PDF) из оригинала 9 ноября 2020 г. . Получено 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 (отчет). Вашингтон, округ Колумбия: Береговая и геодезическая служба США. стр. 7. Получено 26 сентября 2020 г.
  22. ↑ Американский практический навигатор . Вашингтон, округ Колумбия: Гидрографическое управление ВМС США. 1962. С. 347.
  23. ^ "Bermuda SOFAR Station Drum Records". Библиотека данных и архивы WHOI . Получено 26 сентября 2020 г.
  24. ^ Томас, Россби Х. (1987). "Система навигации RAFOS". Труды Международного симпозиума по позиционированию на море . Дордрехт: Springer. стр. 311. doi :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». Oceanus . Woods Hole Oceanographic Institution . Получено 26 сентября 2020 г.
  26. ^ Dziak, Bob (август 2008 г.). PMEL/Vents Ocean Acoustics (PDF) (Отчет). Pacific Marine Environmental Laboratory . Получено 26 сентября 2020 г.
  27. ^ Лоуренс, Мартин В. (ноябрь 2004 г.). «Акустический мониторинг мирового океана для ДВЗЯИ» (PDF) . Получено 25 сентября 2020 г. {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  28. ^ Ориентация с помощью дальних акустических сигналов у усатых китов, Р. Пейн, Д. Уэбб, в Annals NY Acad. Sci., 188 : 110–41 (1971)

Внешние ссылки