Штормы в морях и океанах являются мощными источниками инфразвука. Он возникает вследствие турбулентности потоков жидкостей и газов, имеющей место при шторме. При этом инфразвуковые волны, называемые «голосом моря» и имеющие частоту 8–13 Гц, обгоняя распространение самого шторма, передвигающегося со скоростью Vш = 20–30 м/с (72–108 км/ч), могут служить предвестником шторма в приморских районах [1].
Они распространяются своеобразно: излучение сначала идет вверх, на высотах порядка 50 км изменяет свое направление, а затем на расстоянии 200–300 км от источника возвращается к поверхности Земли, отражается от нее и вновь уходит вверх, обгоняя распространение самого шторма, и доходит до берега по воде со скоростью Vвода = 1600 км/ч, а по воздуху – Vвозд = 1200 км/ч. Его регистрация может быть использована для раннего предупреждения метеослужб приморских аэропортов о приближающихся опасных атмосферных возмущениях. При расстоянии R = 1000 км от района шторма до аэропорта время прихода инфразвука составляет:
по воде –
Твода = R/Vвода ≈ 0,63 ч ≈ 37,5 мин,
а по воздуху
Твозд = R/Vвозд ≈ 0,83 ч ≈ 50 мин,
что существенно меньше времени прихода шторма
Тш = R/Vш = = 9,3–13,9 ч.
Инфразвук занимает относительно небольшой участок частотной шкалы: от 20 до 0 Гц. Он разбит на ряд поддиапазонов: от 20 до 1 Гц; от 1 до 0,1 Гц; от 0,1 до 0,01 Гц, от 0,01 до 0,001 Гц. При этом акустические колебания ниже 0,01 Гц называются субинфразвуковыми. Интенсивность инфразвука в децибелах относительно порога слышимости I0 = 10–12 Вт/м2 [3] составляет 75–95 дБ, что соответствует интенсивности I = 3,2⋅10–5 – 3,2⋅10–3 Вт/м2. Поскольку избыточное звуковое давление dР, вызванное возмущением среды типа акустических волн, связано с их интенсивностью соотношением
(1)
где m и а – плотность среды и скорость распространения в ней регистрируемой волны, для воды соответственно, равные 103 кг/м3 и 1,5⋅103 м/с, а для воздуха – 1,3 кг/м3 и 330 м/с, указанному выше диапазону значений интенсивности соответствует диапазон значений избыточного давления dР: 6,9–69 мбар для воды и 0,4–3,6 мбар для воздуха.
Многие составляющие спектра инфразвука, особенно в его низкочастотной части, не регистрируются обычными измерительными приборами. В этой связи поиск технических средств, не имеющих таких ограничений, является актуальной научно-технической задачей. В [4] рассмотрен принцип приема упругих (в частности, акустических) волн, основанный на регистрации продуктов параметрического взаимодействия волн в среде, накопленных по длине зондирующего луча, колебания в котором имеют ту же, что и регистрируемые колебания, или отличную от них физическую природу. Это могут быть СВЧ. оптический или ультразвуковой лучи. При этом с точки зрения условий распространения для регистрации возмущений в воздухе целесообразно использование СВЧ луча, а в воде – ультразвукового.
В [4] показано, что девиация фазы колебаний в луче, вызванная изменением скорости распространения волн в нем под воздействием возмущения среды, равна
(2)
где Dy = 2pmgzρ – максимум девиации фазы; m = dc/c – относительное изменение скорости в луче под воздействием возмущения среды; g = a/c; z = n/w; r = L/l, L и l – длины луча и волны регистрируемых колебаний; a и c – скорости распространения регистрируемых волн и волн в зондирующем луче; w и n – угловые частоты этих волн; a – угол между лучом и направлением распространения возмущения.
Поскольку для накопления полезного эффекта в зондирующем луче необходимо, чтобы за время распространения в нем волн t = L/c волновой процесс существенно не изменялся, полоса пропускания регистрирующего устройства на зондирующем луче может быть принята равной
df = 1/t = c/L. (3)
При этом, так как скорость распространения ультразвука существенно меньше скорости распространения электромагнитных волн, регистрирующее устройство на ультразвуковом луче существенно узкополоснее устройства на СВЧ луче. При регистрации инфразвука с использованием устройств на ультразвуковом и СВЧ лучах в (1) параметр g приближенно можно положить соответственно равным 1 и 0.
Зависимость dy(r, a) от a может рассматриваться как диаграмма направленности (ДН) регистрирующего устройства. Из анализа (2) следует, что максимум ДН в случае использования СВЧ зондирующего луча имеет место при a = ±p/2, а в случае использования ультразвукового луча – при a = 0. При этом ширина ее главного лепестка по нулевому уровню в указанных случаях при условии r >> 1 соответственно равна
da = (2/r) рад. (4)
и
da = 2(2/r)1/2 рад. (5)
В предположении относительно небольшой величины вызванного возмущением среды избыточного давления dP приближенная линеаризованная зависимость приращения скорости распространения волн в зондирующем луче dc от dP может быть представлена в виде
dc = (dc/dP) dP, (6)
где dc/dP – крутизна зависимости c(P) для невозмущенной среды, которая в случае регистрации акустических волн в воздухе с использованием электромагнитного, в частности СВЧ, луча равна 81 м/с мбар [4]. Для случая регистрации акустических (в частности, инфразвуковых) волн, как показано в [5], эта крутизна равна 6,7⋅10–7 м/с мбар.
Для оценки чувствительности устройств регистрации волновых возмущений на зондирующих лучах различной физической природы необходимо произвести анализ максимума девиации фазы, который с учетом (2) и (6) можно представить в виде
Dy = (2pfL/c2)(dc/dP) dP, (7)
где f = n/2p – частота волн в зондирующем луче в герцах.
Максимально возможная длина ультразвукового зондирующего луча Lmax может быть определена из условия согласования полосы пропускания регистрирующего устройства, определяемой соотношением (3), с полосой, занимаемой регистрируемым инфразвуком, порождаемым океаническими штормами. При этом с учетом того, что, как отмечалось, dfmax = 13 Гц, из (3), полагая скорость распространения ультразвука в воде c = 1,5⋅103 м/с, имеем Lmax = 111,5 м. Поскольку при скорости распространения СВЧ радиоволн в воздухе с = 3⋅108 м/с, как следует из (3), полоса пропускания регистрирующего устройства на СВЧ луче при любых реальных длинах луча практически не ограничена, длина луча может выбираться достаточно произвольно.
Заметим, что узкополосность регистрирующего устройства с ультразвуковым зондирующим лучом может рассматриваться как его достоинство, поскольку она позволяет избежать влияния на него помех с частотами, выходящими за диапазон инфразвука.
При анализе примем следующие значения параметров зондирующего луча и среды. Для СВЧ луча при работе в воздушной среде: f = n/2p = 9,4 ГГц, что соответствует типичной для СВЧ техники длине волны l = 3,2 см; L = 100 м; с = 3∙108 м/с; dc/dP = 81 м/с∙мбар; dP = 0,4–3,6 мбар. Для ультразвукового луча при работе в водной среде: f = n/2p = 100 кГц; L = 100 м, c = 1,5⋅103 м/с, dc/dP = 6,7⋅10–7 м/с∙мбар, dP = 6,9–69 мбар.
При этом из проведенных по формуле (7) расчетов следует, что для диапазонов значений избыточного давления dP, соответствующих указанной выше интенсивности сопровождающего океанические штормы инфразвука I = 3,2⋅10–5 – 3,2⋅10–3 Вт/м2 максимум девиации фазы для СВЧ луча в воздухе находится в пределах Dy = 2,1⋅10–3 – 1,9⋅10–2 рад., а для ультразвукового луча в воде Dy = 1,3⋅10–4 – 1,3⋅10–3 рад.
Оценим также направленные свойства рассматриваемых устройств регистрации инфразвука. При длине луча L = 100 м, полагая частоту вызываемой штормом инфразвуковой волны равной ее среднему значению f = 10,5 Гц, которому соответствует длина волны в воде λ = a/f = 143 м (a = 1,5⋅103 м/с) и длина волны в воздухе λ = a/f = 31,4 м (a = 330 м/с), имеем: для ультразвукового луча в воде r = L/λ = 0,7, для СВЧ луча в воздухе r = L/λ = 3,2. При этом из (4) получаем ширину ДН регистрирующего устройства на СВЧ луче da = 0,63 рад. = 36°. Что касается ДН регистрирующего устройства на ультразвуковом луче, то ее можно считать практически всенаправленной, поскольку при r < 1 ДН устройства близка к круговой. С учетом того, что направление прихода инфразвуковой волны точно не известно, слабую направленность ДН устройства на СВЧ луче и всенаправленность ДН устройства на ультразвуковом луче следует отнести к их достоинствам.
Узкополосность регистрирующего устройства на ультразвуковом луче в рамках решаемой задачи также следует отнести к его положительным качествам, так как оно не реагирует на волновые возмущения вне инфразвукового диапазона частот и, следовательно, достаточно хорошо защищено от помех.
Остановимся на вопросах аппаратурной реализации параметрического регистрирующего устройства. На рисунке приведен вариант структурной схемы радиоакустического регистрирующего устройства с ультразвуковым и СВЧ зондирующими лучами, предназначенного для регистрации инфразвука в двух средах: водной и воздушной. Оно работает следующим образом. Формирование ультразвукового сигнала в зондирующем луче осуществляется с помощью акустического излучателя (АИ), состоящего из источника колебаний (ИК), в котором производится преобразование электрических колебаний в акустические колебания ультразвукового диапазона, и гидрофона (ГФ), излучающего ультразвуковые колебания в водную среду. На приемном конце зондирующего луча осуществляется обратное преобразование акустических колебаний в электрические с помощью акустического приемного устройства (АПУ), состоящего из ГФ и регенератора (РГ). Гидроакустический канал регистрирующего устройства может рассматриваться в качестве пространственного генератора, в котором роль цепи обратной связи играет радиоканал.
При этом из колебаний, поступающих с выхода ИК, с помощью умножителя частоты (УЧ) формируются СВЧ колебания, излучаемые далее СВЧ радиопередающим устройством (СВЧ РПДУ). Прием СВЧ колебаний в зондирующем луче осуществляется супергетеродинным СВЧ радиоприемным устройством (СВЧ РПУ), в котором гетеродинная частота формируется из сигнала, поступающего с выхода РГ на приемном конце гидроакустического канала, чем обеспечивается когерентность обработки в радиоакустическом регистрирующем устройстве.
Структурная схема радиоакустического регистрирующего устройства с ультразвуковым и СВЧ зондирующими лучами, предназначенного для регистрации инфразвука в водной и воздушной средах
Особенность обработки сигнала в радиоканале заключается в том, что опорная фаза колебаний передается не по УКВ радиоканалу, как это делается в регистрирующем устройстве с СВЧ зондирующим лучом, описанном в [6], а по гидроакустическому каналу, используемому для регистрации инфразвуковых колебаний в водной среде. Сигналы на выходах гидроакустического и радиоканала формируются с помощью усилителей (Ус.) и полосовых фильтров (ПФ), включенных на выходах фазовых дискриминаторов (ФД), выделяющих сигналы рассогласования в системах фазовой автоподстройки (ФАП).
Заметим, что рассматриваемое регистрирующее устройство может быть использовано как для раннего предупреждения об океанических штормах, так и для создания системы защиты акваторий от несанкционированного проникновения в них морских судов. При этом, поскольку полоса частот с максимальным уровнем акустического излучения морских судов расположена в диапазоне от 16 до 31,5 Гц, для расширения полосы пропускания регистрирующего устройства необходимо уменьшение длины зондирующего луча L. Полагая L = 40 м, из (3) получаем df = c/L = 37,5 Гц, что достаточно для регистрации акустического излучения морских судов.
Для регистрации достаточно малых фазовых сдвигов в регистрирующем устройстве на ультразвуковом зондирующем луче, целесообразно использование методов микрофазометрии, позволяющих регистрировать фазовые сдвиги порядка 10–8 рад. [2]. Предложен векторный микрофазометрический преобразователь, принцип работы которого состоит в следующем. Производится периодическое векторное вычитание колебаний, разность фаз между которыми подлежит измерению,
U1(t) = Umsin (vt – y1)
и
U2(t) = Um sin (vt – y2)
из опорного сигнала той же частоты U0 (t) = Um sin vt.
В предположении малости y1 и y2 формируется амплитудно-модулированное колебание с глубиной модуляции, определяемой разностью фаз колебаний U1(t) и U2(t). При этом амплитуда этих колебаний с периодом Т = 2p/W, где W – частота коммутации устройства векторного вычитания колебаний, изменяется, принимая значения DUi @ Umyi, i = 1, 2, причем изменение амплитуды пропорционально измеряемому фазовому сдвигу
DU = U2 – U1 @ Um(y2 – y1) = UmDy. (8)
Заметим, что различие в скорости распространения инфразвуковых волн, сопровождающих штормы в морях и океанах, может быть использовано для определения расстояния R до места возникновения шторма. Действительно, поскольку задержка момента регистрации инфразвука по воздушному каналу относительно момента регистрации по водному каналу равна
DT = (R/Vвозд) – (R/Vвода) = = R/[(Vвода – Vвозд)/Vвозд⋅Vвода] = R[км]/4800 ч.
Отсюда получаем
R[км] = 4800 DT[ч]. (9)
Рецензенты:
Строганова Е.П., д.т.н., профессор кафедры «Метрология, стандартизация и измерения в инфокоммуникациях», ФГБОУ ВПО «Московский технический университет связи и информатики», г. Москва;
Козлов А.И., д.ф.-м.н., профессор кафедры «Техническая эксплуатация радиоэлектронного оборудования воздушного транспорта», ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет гражданской авиации», г. Москва.