Development of acoustic sounding methods of inhomogeneous marine environment based on nonlinear acoustics principles

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

A brief review of the studies of the acoustic signal of a parametric antenna in the ocean at megameter distances is given. The features of the propagation of a broadband signal of a parametric antenna in a shallow-water marine waveguide are also discussed. In this case, the frequency dispersion of the sound velocity in the marine waveguide allows for the compression of a broadband single-mode signal. Such compression leads to an increase in the efficiency of marine environment sounding. The possibility of branching propagation of directional acoustic radiation in an inhomogeneous ocean is discussed. It is shown that nonlinear acoustics opens up new possibilities, not implemented by known methods, for the use of hydroacoustic antennas in long-range signal propagation in a heterogeneous marine environment.

Full Text

Restricted Access

About the authors

I. B. Esipov

N.N. Andreev Acoustics Institute; Gubkin Russian State University of Oil and Gas (National Research University)

Author for correspondence.
Email: igor.esipov@mail.ru
Russian Federation, Moscow; Moscow

References

  1. Зверев В.А., Калачев А.И., Степанов Н.С. К вопросу об использовании нелинейных эффектов в гидроакустике // Акуст. журн. 1967. Т. 13. № 3. С. 380–382.
  2. Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика. Л.: Судостроение, 1981.
  3. Наугольных К.А., Островский Л.А. Нелинейные волновые процессы в акустике. М.: Наука, 1990.
  4. Есипов И.Б., Попов О.Е., Воронин В.А., Тарасов С.П. Дисперсия сигнала параметрической антенны в мелком море // Акуст. журн. 2009. Т. 55. № 1. С. 56–61.
  5. Бреховских Л.M. Океан и человек: Настоящее и будущее. М.: Наука, 1987.
  6. Мюир Т.Дж., Голдсбери Т.Дж. Вопросы обработки сигналов в нелинейной акустике // Подводная акустика и обработка сигналов. Под ред. Бьерно Л. М.: Мир, 1985. 488 с. Muir T.G., Goldsberry T.G. Approaches to signal processing in nonlinear acoustics / in Underwater Acoustics and Signal Processing. Proc. of the NATO advanced study institute. Ed. by Leif Bjorno. Denmark, 1980.
  7. Зверев В.А. Как зарождалась идея параметрической акустической антенны // Акуст. журн. 1999. Т. 45. № 5. С. 685–692.
  8. Донской Д.М., Зайцев В.Ю., Наугольных К.А., Сутин А.М. Экспериментальные исследования поля мощного параметрического излучателя в мелком море // Акуст. журн. 1993. Т. 39. № 2. С. 266–274.
  9. Есипов И.Б., Калачев А.И., Соколов А.Д., Сутин А.М., Шаронов Г.А. Исследования дальнего распространения сигналов мощного параметрического излучателя // Акуст. журн. 1994. Т. 40. № 1. С. 71–75.
  10. Есипов И.Б., Зименков С.В., Калачев А.И., Назаров В.Е. Зондирование океанического вихря направленным параметрическим излучением // Акуст. журн. 1993. Т. 39. № 1. С. 173–176.
  11. Есипов И.Б., Попов О.Е., Воронин В.А., Тарасов С.П. Дисперсия сигнала параметрической антенны в мелком море // Акуст. журн. 2009. Т. 55. № 1. С. 56–61.
  12. Есипов И.Б., Попов О.Е., Солдатов Г.В. Компрессия сигнала параметрической антенны в мелководном волноводе // Акуст. журн. 2019. Т. 65. № 4. С. 490–498.
  13. Гурбатов С.Н., Зайцев В.Ю., Прончатов-Рубцов Н.В. О нелинейной генерации низкочастотного звука в рефракционном акустическом волноводе // Акуст. журн. 1989. Т. 35. № 4. С. 620–625.
  14. Зайцев В.Ю., Островский Л.А., Сутин А.М. Модовая структура поля параметрического излучателя в акустическом волноводе // Акуст. журн. 1987. Т. 33. № 1. С. 37–42.
  15. Colosi J.A., Baggeroer A.B., Birdsall T.G., Clark C., Cornuelle B.D., Costa D., Dushaw B.D., Dzieciuch M., Forbes A.M.G., Howe B.M., Menemenlis D., Mercer J.A., Metzger K., Munk W., Spindel R.C., Worcester P.F., and Wunsch C. A review of recent results on ocean acoustic wave propagation in random media: Basin scales. IEEE J. Ocean Eng. 1999.V. 24. P. 138–155.
  16. Patsyk A., Sivan U., Segev M. et al. Observation of branched flow of light // Nature. 2020. V. 583. P. 60–65. https://doi.org/10.1038/s41586-020-2376-8
  17. Wolfson M.A. and Tomsovic S. On the stability of long-range sound propagation through a structured ocean // J. Acoust. Soc. Am. 2001. V. 109(6). P. 2693–2703.
  18. Moffett M.B. and Mellen R.H. Model for parametric acoustic source // J. Acoust. Soc. Am. 1977. V. 61. No 2. P. 325–337.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Scheme of signal formation by a parametric antenna: 1 — high-frequency pump emitter, 2 — intensity-modulated high-frequency pump radiation, 3 — nonlinear acoustic interaction region, 4 — low-frequency parametric radiation signal.

Download (27KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Directional pattern of a parametric antenna in the ocean. ■ — frequency 230 Hz, distance 200 km; ○ — frequency 400 Hz, distance 200 km, ■ — frequency 230 Hz, distance 1000 km.

Download (89KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Ocean surface temperature map in the experimental area. 1 and 2 are the positions of the R/V ABK and R/V ANA, respectively. The R/V ABK passes stations sequentially from No. 1 to No. 5.

Download (164KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Angular characteristics of acoustic signals that passed through the vortex along the paths, according to the stations of the NIS ABK in Fig. 3.

Download (107KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Vertical distribution of the relative amplitude of pulses (red) for a frequency of 15 kHz and the 1st mode of the waveguide eigenfunction (blue) for the experimental sound profile and the sound speed in the bottom (longitudinal) of 1600 m/s, soil density of 1700 kg/m3.

Download (85KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Signals on a vertical chain of receivers, distance 1000 m. Frequency 15 kHz (filter band 500 Hz), pulse duration 2 ms.

Download (95KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Dependence of signal intensity on distance. 1 — Isotropic medium I(r) = I0(R/r)2; 2 — waveguide propagation I(r) = I0(R/r); 3 — frequency dispersion I(r) = I0(R/r)T0/(T+τ).

Download (76KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. A typical type of branching propagation in an inhomogeneous medium [16]: (a) — illustrates the limitation of diffraction in signal propagation channels, (b) — experimental observation of the diffraction broadening of a Gaussian beam of the same size as in the experiment (a), but in a homogeneous medium, (c) — comparison of the beam width in the channel marked by the arrow in (a) with the diffraction width of the beam in a homogeneous medium in (b).

Download (213KB)
Indexing metadata
10. Fig. 9. Model of sound propagation in an inhomogeneous ocean [17]. 1 — Stable beam emanating from a source located at the minimum of the speed of sound. 2 — Unstable, branching beam. l — spatial scale of inhomogeneity.

Download (89KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 The Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».