Models of the Formation of Doppler Spectrum of Surface Reverberation for Sound Waves of the Meter Range

M. B. Salin; Салин М. Б.; A. V. Ermoshkin; Ермошкин А. В.; D. D. Razumov; Разумов Д. Д.; B. M. Salin; Салин Б. М.

doi:10.31857/S032079192360035X

Models of the Formation of Doppler Spectrum of Surface Reverberation for Sound Waves of the Meter Range

Authors: Salin M.B.¹, Ermoshkin A.V.¹, Razumov D.D.¹, Salin B.M.¹
Affiliations:
1. Gaponov-Grekhov Institute of Applied Physics, Russian Academy of Sciences, 603950, Nizhny Novgorod, Russia
Issue: Vol 69, No 5 (2023)
Pages: 595-607
Section: АКУСТИКА ОКЕАНА. ГИДРОАКУСТИКА
URL: https://journals.rcsi.science/0320-7919/article/view/134473
DOI: https://doi.org/10.31857/S032079192360035X
EDN: https://elibrary.ru/NMHHKL
ID: 134473

Cite item

Full Text

Open Access
Restricted Access

Access granted
Restricted Access

Subscription Access

Abstract

Narrowband spectra of sound scattered on the surface wave in the frequency range from 500 to 3000 Hz have been analyzed. Experimental results and theoretical models are reviewed. Previously published work by the authors is reviewed and new results are presented. The first characteristic case considered is forward scattering, where the sound transmitter and receiver are substantially separated from each other in space, and a continuous emission of a sinusoidal signal is produced. For this case, it is shown that the modulation spectrum of the scattered signal repeats the frequency spectrum of the surface wave with a certain coefficient and small corrections. The second considered characteristic case is a monostatic location, where the receiver and transmitter are combined and tone-pulse signals are emitted. Previously, for this case, it was implicitly expected that the reverberation spectrum would be generated by Bragg scattering on surface waves corresponding to half of the sound wavelength, and hence the spectrum of the scattered signal would be discrete. However, the experimental results indicate that the monostatic scattering spectra have a smooth bell-shape. Explaining this requires taking the effects of modulation of short surface waves by the long-wave component into account. Additionally, to explain the experimental phenomenon, the authors include a model of sound scattering on air bubbles, which are located in the near-surface layer of water and make oscillatory movements in the field of orbital currents of surface waves.

Keywords

marine low-frequency reverberation, backscattering, forward scattering, gas bubbles in water, wind disturbance, scattering strength, reverberation spectrum

References

Урик Р.Дж. Основы гидроакустики. Л.: Судостроение, 1978.
Bjørnø L. Chapter 5. Scattering of Sound. In Applied Underwater Acoustics; Neighbors T.H., Bradley D., Eds. Elsevier: Amsterdam, The Netherlands, 2017. P. 297–362. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-811240-3.00005-9
Hartstra I., Colin M., Prior M. Active sonar performance modelling for Doppler-sensitive pulses // Proc. Meet. Acoust. 2021. V. 44. P. 022001. https://asa.scitation.org/doi/abs/10.1121/2.0001454
Dol H.S., Colin M.E., Ainslie M.A., Van Walree P.A., Janmaat J. Simulation of an underwater acoustic communication channel characterized by wind-generated surface waves and bubbles // IEEE J. Ocean. Eng. 2013. V. 38. № 4. P. 642–654. https://doi.org/10.1109/JOE.2013.2278931
Бреховских Л.М., Лысанов Ю.П. Теоретические основы акустики океана. М.: Наука, 2007. С. 249–306.
Салин Б.М., Салин М.Б. Методы расчета низкочастотной поверхностной реверберации при известных характеристиках морского волнения // Акуст. журн. 2011. Т. 57. № 6. С.818–827.
Hayek C.S., Schurman I.W., Sweeney J.H., Boyles C.A. Azimuthal dependence of Bragg scattering from the ocean surface // J. Acoust. Soc. Am. 1999. V. 105. P. 2129–2141. https://asa.scitation.org/doi/10.1121/1.426817
Лебедев А.В., Салин Б.М. Исследование эффектов локализации областей рассеяния звука на ветровом волнении // Акуст. журн. 2004. Т. 50. № 6. С. 813–826.
Салин Б.М., Салин М.Б., Spindel R.C. Расчет спектра реверберацонной помехи для доплеровской схемы локации // Акуст. журн. 2012. Т. 58. № 2. С. 258–266.
Neighbors T.H., Bjørnø L. Anomalous low frequency sea surface reverberation // Hydroacoustics. 2001. V. 4. P. 181–192.
Андреева И.Б. Сравнительные оценки поверхностного, донного и объемного рассеяния звука в океане // Акуст. журн. 1995. Т. 41. № 5. С. 699–705.
Салин Б.М., Бородина Е.Л., Салин М.Б. Оценка поверхностной реверберации и характеристик ветрового волнения, выполненные на основе анализа видеоизображения морской поверхности // Сб. тр. XXII сессии Российского акустического общества. Т. 2. М.: ГЕОС, 2010. С. 305–308.
Авербах B.C., Бондарь Л.Ф., Голубев В.Н., Гольдблат В.Ю., Долин Л.С., Нечаев А.Г., Пигалов К.Е., Смирнов Г.Е., Тумаева Е.И. Дальняя поверхностная реверберация звука в океане // Акуст. журн. 1990. Т. 36. № 6. С. 1119–1121.
Салин М.Б., Потапов О.А., Салин Б.М., Чащин А.С. Измерение характеристик обратного рассеяния звука на взволнованной поверхности в прожекторной зоне фазированной антенной решетки // Акуст. журн. 2016. Т. 62. № 1. С. 70–86.
Ermoshkin A.V., Kosteev D.A., Ponomarenko A.A., Razumov D.A., Salin M.B. Surface waves prediction based on long-range acoustic backscattering in a mid-frequency range // J. Mar. Sci. Eng. 2022. V. 10. № 6. P. 722. https://doi.org/10.3390/jmse10060722
Салин Б.М., Кемарская О.Н., Молчанов П.А., Салин М.Б. Исследование механизма уширения спектра низкочастотного реверберационного сигнала при рассеянии звука на приповерхностных неоднородностях в условиях интенсивного ветрового волнения // Акуст. журн. 2017. Т. 63. № 3. С. 314–322.
Салин Б.М., Салин М.Б. Механизмы формирования спектральных характеристик низкочастотной реверберации и прогнозные оценки // Акуст. журн. 2018. Т. 64. № 2. С. 197–206.
Ermoshkin A., Kapustin I. Estimation of the wind-driven wave spectrum using a high spatial resolution coherent radar // Russ. J. Earth Sci. 2019. V. 19. № 3. P. 1. https://doi.org/10.2205/2019ES000662
Ермошкин А.В., Капустин И.А., Мольков А.А., Богатов Н.А. Определение скорости течения на морской поверхности доплеровским радиолокатором X-диапазона // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2020. Т. 13. № 3. С. 93–103. https://doi.org/10.7868/S2073667320030089
Бурдуковская В.Г., Хилько А.И., Коваленко В.В., Хилько А.А. Анализ влияния длинных поверхностных волн на формирование рассеянного ветровым волнением акустического поля в океанических волноводах // Акуст. журн. 2019. Т. 65. № 6. С. 763–773.
Байдаков Г.А., Досаев А.С., Разумов Д.Д., Салин М.Б. Оценка уширения спектра коротких поверхностных волн при наличии длинноволнового волнения // Изв. ВУЗов. Радиофизика. 2018. Т. 61. № 5. С. 374–384.
Салин М.Б., Разумов Д.Д. Особенности дифракции звука на взволнованной водной поверхности в среднем диапазоне частот // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2021. Т. 14. № 4. С. 98–110.
Deane G.B., Stokes M.D. Scale dependence of bubble creation mechanisms in breaking waves // Nature. 2002. V. 418. № 6900. P. 839–844.
Hall M.V. A comprehensive model of wind-generated bubbles in the ocean and predictions of the effects on sound propagation at frequencies up to 40 kHz // J. Acoust. Soc. Am. 1989. V. 86. № 3. P. 1103–1117.
Vagle S., McNeil C., Steiner N. Upper ocean bubble measurements from the NE Pacific and estimates of their role in air-sea gas transfer of the weakly soluble gases nitrogen and oxygen // J. Geophys. Res.: Oceans. 2010. V. 115. № C12. C12054. P. 1–16.
Vagle S., Gemmrich J., Czerski H. Reduced upper ocean turbulence and changes to bubble size distributions during large downward heat flux events // J. Geophys. Res.: Oceans. 2012. V. 117. № C7. C00H16. P. 1–12.
Акуличев В.А., Буланов В.А. Акустические исследования мелкомасштабных неоднородностей в морской среде. Владивосток: ТОИ ДВО РАН, 2017. С. 182–188.
Akulichev V.A., Bulanov V.A. Measurements of bubbles in sea water by nonstationary sound scattering // J. Acoust. Soc. Am. 2011. V. 130. № 5. P. 3438–3449.
Акуличев В.А., Буланов В.А., Кленин С.А. Акустическое зондирование газовых пузырьков в морской среде // Акуст. журн. 1986. Т. 32. № 3. С. 289–296.
Капустин И.А., Ермошкин А.В., Богатов Н.А., Мольков А.А. Об оценке вклада приводного ветра в кинематику сликов на морской поверхности в условиях ограниченных разгонов волнения // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. Т. 16. № 2. С. 163–172.
Розенберг А.Д. Исследование морской поверхности радио и акустическими методами. Диссертация. Москва, 1980. 237 с.
Dahl P.H., Plant W.J., Nützel B., Schmidt A., Herwig H., Terray E.A. Simultaneous acoustic and microwave backscattering from the sea surface // J. Acoust. Soc. Am. 1997. V. 101. № 5. P. 2583–2595.