Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Скорость звука как функция глубины в точке к северу от Гавайских островов в Тихом океане, полученная из Атласа Мирового океана 2005 года . Ось канала ГНФАР находится на уровне прибл. 750-м глубина

Канал SOFAR (сокращение от Sound Fixing and Ranging channel ) или глубокий звуковой канал ( DSC ) [1] - это горизонтальный слой воды в океане, на глубине которого скорость звука минимальна. Канал SOFAR действует как волновод для звука, а низкочастотные звуковые волны внутри канала могут распространяться на тысячи миль, прежде чем рассеяться. Примером был прием кодированных сигналов, генерируемых зафрахтованным ВМС судном для наблюдения за океаном Cory Chouest у острова Херд., расположенный в южной части Индийского океана (между Африкой, Австралией и Антарктидой), с помощью гидрофонов в частях всех пяти основных океанических бассейнов и на таком удалении, как 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 им. Лебедева в 1940-х годах. [8] [9] При тестировании концепции в 1944 году Юинг и Ворзель повесили гидрофон с Салуда , парусного судна, назначенного для Лаборатории подводного звука , со вторым кораблем, запускающим взрывные заряды до 900 морских миль (1 000 миль; 1700 км). миль отсюда. [10] [11]

Принцип [ править ]

Акустические импульсы распространяются в океане на большие расстояния, потому что они задерживаются 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 - 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, у поверхности океана) скорость звука выше. Температура уменьшается с глубиной, а скорость звука соответственно уменьшается до тех пор, пока температура не станет стабильной и давление не станет доминирующим фактором. Ось канала ГНФАР 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, следовательно, имеет некоторые сезонные отклонения. Существуют и другие акустические каналы, особенно в верхнем смешанном слое., но траектории лучей теряют энергию из-за отражений от поверхности или от дна. В частности, в канале SOFAR низкие частоты преломляются обратно в канал, так что потери энергии невелики и звук распространяется на тысячи миль. [9] [12] [13] Анализ данных технико-экономического обоснования острова Херд, полученных гидрофонами системы определения местоположения ракет на острове Вознесения на средней дальности 9 200 км (5 700 миль) от источника, обнаружил "удивительно высокий" сигнал для коэффициент шума 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 по оси канала SOFAR, так что один сигнал будет иметь несколько времен прихода с сигнатурой нескольких импульсов, достигающих кульминации в четко определенном конце. [10] [примечание 2] Этот четко определенный конец, представляющий почти осевую траекторию прибытия, иногда называют финалом SOFAR, а более ранние - симфонией SOFAR. [14] [15] Эти эффекты связаны с большим звуковым каналом, в котором пути лучей находятся между поверхностью и критической глубиной. [заметка 3]Критическая глубина - это точка ниже оси минимума скорости звука, в которой скорость звука увеличивается до максимальной скорости над осью. Там, где дно находится выше критической глубины, звук ослабляется, как и любой луч, 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, когда он достигает поверхности и исчезает на высоких широтах (примерно выше 60 ° с.ш. или ниже 60 ° ю.ш.), но затем звук распространяется по поверхностному каналу. В отчете Центра океанографических систем ВМС за 1980 год приводятся примеры исследования акустической трассы по большому кругу между Пертом, Австралия и Бермудскими островами, с данными в восьми точках вдоль трассы. Как в Перте, так и на Бермудских островах ось звукового канала находится на глубине около 1200 м (3937 футов). Где путь встречается с антарктической конвергенциейна 52º южной широты нет глубокого звукового канала, но есть канал глубиной 30 м (98 футов) на поверхности и неглубокий звуковой канал на высоте 200 м (656 футов). Когда трасса поворачивает на север, станция на 43º юг, 16º восточной долготы показала профиль, возвращающийся к типу SOFAR на высоте 800 м (2625 футов). [19] [20]

Приложения [ править ]

Первое практическое применение было начато во время Второй мировой войны, когда ВМС США начали экспериментировать и реализовывать возможность определения места взрыва бомбы SOFAR, используемой в качестве сигнала бедствия сбитыми пилотами. Разница во времени прибытия источника в неизвестное место в известных местах позволило вычислить общее местоположение источника. [10] Время прибытия формирует гиперболические линии положения, подобные ЛОРАНУ . Обратное, обнаружение синхронизированных сигналов от известных береговых позиций в неизвестной точке, позволило вычислить позицию в этой точке. Этому методу в обратном порядке было дано название ГНФАР: РАФОС. РАФОС определен в издании 1962 г.Американский практический навигатор среди гиперболических навигационных систем. [10] [21] [22]

Первые приложения полагались на стационарные береговые станции, часто называемые станциями SOFAR. Некоторые из них стали объектами акустических исследований, как и станция SOFAR на Бермудских островах, которая участвовала в эксперименте от Перта до Бермудских островов. [19] [20] Записи Бермудской станции ведутся Океанографическим институтом Вудс-Хоул (WHOI). [23] В недавнем прошлом исходные коды SOFAR использовались для специальных целей в приложении RAFOS. Одна такая система использовала пришвартованные на дне источники у мыса Хаттерас , у берегов Бермудских островов, а другая - на подводной горе, чтобы посылать три точно синхронизированных сигнала в день, чтобы обеспечить точность около 5 км (3,1 мили; 2,7 морских миль). [24]

Первое приложение быстро вызвало большой интерес у ВМФ не только по поиску сбитых экипажей, но и по другим причинам. Решение ВМФ в 1949 году привело к исследованиям к 1950 году, в которых рекомендовалось использовать пассивный сонарный потенциал канала SOFAR для борьбы с подводными лодками (ASW). В рекомендацию входило тратить 10 миллионов долларов в год на исследования и развитие системы. К 1951 г. испытательная установка подтвердила эту концепцию, и к 1952 г. были заказаны дополнительные станции для Атлантики. Первым крупным использованием канала SOFAR было наблюдение за океаном в секретной программе, которая привела к созданию системы звукового наблюдения.(СОСУС). Эта система оставалась засекреченной с самого начала до тех пор, пока фиксированные системы не были дополнены мобильными массивами, чтобы стать Интегрированной системой подводного наблюдения, цель и характер которой были рассекречены в 1991 году [7] [25] [примечание 5].

Мониторинг землетрясений с использованием SOSUS после того, как в 1991 году Тихоокеанской морской экологической лаборатории (PMEL) Национального управления океанических и атмосферных исследований был предоставлен ограниченный доступ для гражданских лиц, выявил в десять раз больше землетрясений на суше с лучшей локализацией, чем с наземными датчиками. Обнаружение SOSUS может определять землетрясения магнитудой около двух против четырех. Система вовремя обнаружила распространение морского дна и магматические явления в хребте Хуан-де-Фука для исследовательских судов. В результате этого успеха PMEL разработала свои собственные гидрофоны для развертывания по всему миру, которые могут быть подвешены в канале SOFAR с помощью поплавковой и якорной системы. [26]

Другие приложения [ править ]

  • Организация Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний (ОДВЗЯИ) - Международная система мониторинга (МСМ) [27]
  • Система определения местоположения ракетного удара (MILS): Система для определения места падения и определения местоположения носовых обтекателей испытательных ракет [5]
  • Акустическая томография океана : метод измерения температуры и течения океана по временной задержке звуков между двумя удаленными инструментами.
  • Поиск рейса 370 Malaysia Airlines : звуки, передаваемые по каналу SOFAR, были проанализированы, чтобы определить, обнаружено ли возможное столкновение с океаном пассажирского самолета, исчезнувшего в южной части Индийского океана.

В природе [ править ]

Загадочные низкочастотные звуки , которые приписывают финватам ( Balaenoptera Physalus ), - обычное явление в русле. Ученые считают, что финвалы могут нырять в этот канал и «петь», чтобы общаться с другими финватами за много километров. [28]

Популярная культура [ править ]

В романе «Охота за красным октябрем» описывается использование канала SOFAR для обнаружения подводных лодок.

Предполагаемое существование подобного канала в верхних слоях атмосферы , выдвинутое доктором Юингом, привело к проекту «Могул» , который проводился с 1947 до конца 1948 года.

Сноски [ править ]

  1. ^ Рисунок 1 справочного материала «The Heard Island Feasibility Test» (Munk) показывает пути лучей к местам приема. В таблице 1 перечислены участки, одно из которых канадское исследовательское судно с буксируемой группой у мыса Код .
  2. ^ Ссылка "История канала SOFAR" содержит запись и сонограмму эффекта.
  3. ^ Термин также имеет применение в биологической океанографии .
  4. ^ Рис. 2 на третьей странице справочника Уильямса / Стивена / Смита помогает понять критическую глубину, канал SOFAR, весь канал и задействованные траектории лучей.
  5. ^ Не совсем случайно, что некоторые из береговых объектов SOSUS, называемые военно-морскими объектами (NAVFAC), были расположены поблизости от старых станций SOFAR. Например, военно-морской комплекс Бермудских островов и военно-морской комплекс Пойнт Сур . Местная акустика уже была хорошо известна.

См. Также [ править ]

  • Батитермограф
  • РАФОС поплавок
  • Софар бомба
  • Система звукового наблюдения (СОСУС)
  • Подводная акустика

Ссылки [ править ]

  1. ^ Приложение ВМФ к словарю Министерства обороны США по военным и связанным с ними терминам (PDF) . Департамент Военно-Морского Флота . Август 2006. НТЗ 1-02.[ постоянная мертвая ссылка ]
  2. ^ Мунк, Уолтер Х .; Spindel, Роберт С .; Баггероэр, Артур; Бердсолл, Теодор Г. (20 мая 1994 г.). «Технико-экономическое обоснование острова Херд» (PDF) . Журнал Акустического общества Америки . Акустическое общество Америки. 96 (4): 2330–2342. Bibcode : 1994ASAJ ... 96.2330M . DOI : 10.1121 / 1.410105 . Проверено 26 сентября 2020 .
  3. ^ a b NOAA AOML (февраль 1993 г.). Прием на острове Вознесения, Южная Атлантика, сигналов, полученных в результате 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 .
  4. ^ Военное командование морских перевозок (2008). «Обзор MSC 2008 - Суда для наблюдения за океаном» . Военное командование морских перевозок . Проверено 28 сентября 2020 .
  5. ^ a b Конус, Брюс Э. (1 июля 1976 г.). Восточный испытательный полигон ВВС США - Справочник по приборам дальнего действия (PDF) . База ВВС Патрик, Флорида: Восточный испытательный полигон, Управление операций полигона. п. 1-1 . Проверено 12 сентября 2020 .
  6. ^ Де Гир, Ларс-Эрик; Райт, Кристофер (22 сентября 2019 г.). «От овец до звуковых волн - данные подтверждают ядерное испытание» . Внешняя политика (FP) . Вашингтон, округ Колумбия: FP Group, Graham Holdings Company . Проверено 23 сентября 2020 года .CS1 maint: дата и год ( ссылка )
  7. ^ a b "Интегрированная система подводного наблюдения (IUSS) История 1950 - 2010" . Ассоциация выпускников IUSS / CAESAR . Проверено 25 сентября 2020 года .
  8. ^ "Уильям Морис Юинг (1906-1974)" (PDF) . Вашингтон, округ Колумбия: Национальная академия наук. 1980: 136–137 . Проверено 25 сентября 2020 года . Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  9. ^ a b Кахарл, Виктория (март 1999 г.). «Изучение секретов океана» (PDF) . Вашингтон, округ Колумбия: Национальная академия наук . Проверено 25 сентября 2020 года . Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  10. ^ a b c d "История канала ГНФАР" . Университет Род-Айленда и Центр внутреннего космоса. 2020 . Проверено 26 сентября 2020 .
  11. ^ Военно-морская история и наследие командования. "Салуда" . Словарь американских военно-морских боевых кораблей . Военно-морское командование истории и наследия . Проверено 26 сентября 2020 .
  12. ^ Хелбер, Роберт; Бэррон, Чарли Н .; Карнес, Майкл Р .; Зингарелли, Р.А. Оценка глубины звукового слоя относительно глубины смешанного слоя (PDF) (отчет). Космический центр Стеннис, MS: Лаборатория военно-морских исследований, Отдел океанографии . Проверено 26 сентября 2020 .
  13. ^ Томпсон, Скотт Р. (декабрь 2009 г.). Соображения распространения звука для глубоководной акустической сети (PDF) (магистерская работа). Монтерей, Калифорния: Военно-морская аспирантура . Проверено 26 сентября 2020 .
  14. ^ Шпиндель, Роберт К. (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 . Проверено 26 сентября 2020 .
  15. ^ Dzieciuch, Мэтью; Мунк, Уолтер; Рудник, Дэниел Л. (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 . Проверено 26 сентября 2020 .
  16. ^ Уильямс, Клэр М .; Стивен, Ральф А .; Смит, Дебора К. (15 июня 2006 г.). «Гидроакустические явления, расположенные на пересечении трансформационных разломов Атлантида (30 ° с.ш.) и Кейн (23 ° 40′N) со Срединно-Атлантическим хребтом» . Геохимия, геофизика, геосистемы . Американский геофизический союз. 7 (6): 3–4. DOI : 10.1029 / 2005GC001127 . Проверено 27 сентября 2020 года .
  17. ^ Феннер, Дон Ф .; Кронин, Уильям Дж. Младший (1978). Упражнение «Несущая ставка: скорость звука и другие изменчивые условия окружающей среды» (PDF) (Отчет). Станция NSTL, MS: Морские исследования и разработки в области океана (NORDA). п. 3 . Проверено 26 сентября 2020 .
  18. ^ Baggeroer, Артур Б .; Шеер, Эдвард К. (2010). Океанографическая изменчивость и характеристики пассивных и активных сонаров в Филиппинском море (PDF) (Отчет) . Проверено 27 сентября 2020 года .
  19. ^ a b Душоу, Брайан Д. (10 апреля 2012 г.). Эксперимент по антиподному распространению акустических сигналов, проведенный в 1960 г. из Перта и Бермуд: мера потепления океана за полвека? (PDF) (Отчет) . Проверено 26 сентября 2020 .
  20. ^ a b Northrop, J .; Хартдеген, К. (август 1980 г.). Подводные пути распространения звука между Пертом, Австралия и Бермудскими островами: теория и эксперимент (PDF) (Отчет). Сан-Диего, Калифорния: Центр морских океанских систем. С. 3–6 . Проверено 24 сентября 2020 года . CS1 maint: дата и год ( ссылка )
  21. ^ Томас, Пол Д. (1960). Использование искусственных спутников для навигационных и океанографических исследований (Отчет). Вашингтон, округ Колумбия: Береговая и геодезическая служба США. п. 7 . Проверено 26 сентября 2020 .
  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 . Проверено 26 сентября 2020 .
  24. ^ Томас, Россби Х. (1987). «Система навигации РАФОС» . Материалы Международного симпозиума по морскому позиционированию . Дордрехт: Springer: 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» . Океан . Океанографическое учреждение Вудс-Хоул . Проверено 26 сентября 2020 .
  26. ^ Dziak, Боб (август 2008). ПМЭЛ / Вентс Оушн Акустикс (PDF) (Отчет). Тихоокеанская лаборатория морской среды . Проверено 26 сентября 2020 .
  27. ^ Лоуренс, Мартин В. (ноябрь 2004 г.). «Акустический мониторинг Мирового океана для ДВЗЯИ» (PDF) . Проверено 25 сентября 2020 года . Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  28. ^ Ориентация с помощью акустических сигналов на большие расстояния в усатых китах , Р. Пейн, Д. Уэбб, в Annals NY Acad. Наук, 188 : 110–41 (1971).

Внешние ссылки [ править ]

  • SOFAR или канал глубокого звука от NOAA
  • Как звук используется для изучения подводных землетрясений? (Запись землетрясения 11 марта 2011 года на острове Хонсю, Япония, сделанная гидрофоном, расположенным недалеко от Алеутских островов)
  • Звуковой трубопровод от Национальной академии наук
  • SOSUS, «Секретное оружие» подводного наблюдения Эдварда К. Уитмена. Подводная война
  • Ричард Мюллер, Калифорнийский университет в Беркли - лекция о волнах, SOFAR и инциденте с НЛО в Розуэлле