hydrophysicsФундаментальная и прикладная гидрофизикаFundamental and Applied Hydrophysics2073-66732782-5221St. Petersburg Research Center of the Russian Academy of Sciences10.7868/S2073667320010050hydrophysics-7Research ArticleГИДРОАКУСТИКАHYDROACOUSTICSИнтерферометрия гидродинамики океанического шельфа, вызванной интенсивными внутренними волнамиInterferometry of hydrodynamics of oceanic shelf caused by intensive internal wavesБадиМ.BadieyM.

г. Неварк

Newark

КузькинВ. М.Kuz’kinV. M.

г. Москва

Moscow

ПересёлковС. А.PereselkovS. A.

г. Воронеж

Voronezh

pereselkov@yandex.ruУниверситет штата ДелаверСоединённые Штаты АмерикиUniversity of DelawareUnited StatesИнститут общей физики им. А. М. Прохорова РАНРоссияProkhorov General Physics Institute of the Russian Academy of SciencesRussian FederationВоронежский государственный университетРоссияVoronezh State UniversityRussian Federation2020281120211314555Copyright © Бади М., Кузькин В.М., Пересёлков С.А., 20212021Бади М., Кузькин В.М., Пересёлков С.А.Badiey M., Kuz’kin V.M., Pereselkov S.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://hydrophysics.spbrc.ru/jour/article/view/7

Представлены результаты интерферометрической обработки данных крупномасштабного океанографического эксперимента SWARM-95 на побережье Нью-Джерси. В ходе эксперимента была проведена детальная регистрация гидродинамики водных слоев с помощью разработанной системы океанографических сенсоров (CTD). Данная система позволила выполнить океанографические съемки интенсивных внутренних волн с высоким разрешением, используя как заякоренные, так и буксируемые сенсоры. Акустическая составляющая эксперимента SWARM-95 проводилась с использованием двух стационарных акустических трасс, ориентированных под разными углами к фронту интенсивных внутренних волн. Интенсивные внутренние волны в эксперименте приводили к значительным акустическим эффектам, обусловленным рефракцией модовых лучей в горизонтальной плоскости и взаимодействием вертикальных мод. В работе показано, что в результате голографической обработки интерференционной структуры поля в точке приема формируются две отдельные группы спектральных пятен. Первый набор спектральных пятен соответствует звуковому полю в невозмущенном волноводе. Второй набор спектральных пятен соответствует гидродинамическому возмущению звукового поля интенсивными внутренними волнами. Данный эффект наблюдается для обеих акустических трасс эксперимента. Показано, что интерференционная структура звукового поля в невозмущенном волноводе и его гидродинамическое возмущение восстанавливаются отдельно путем фильтрации спектральных пятен в области голограммы. В работе продемонстрированно восстановление передаточной функция невозмущенного волновода и временная изменчивость гидродинамики океанской среды.

The results of data interferometric processing of the oceanographic large-scale experiment SWARM-95 on the coast of New Jersey are submitted in the paper. During the experiment, numerous sensors were deployed for registrations of hydrodynamics of water layers. They performed high-resolution oceanographic surveys of intensive internal waves by using conductivity–temperature–depth (CTD) casts and tows sensors. The acoustic component of experiment SWARM-95 is carried out on two stationary acoustic tracks at presence of intensive internal waves. The intensive internal waves led to significant 3D acoustic effects: horizontal refraction of modes and modes coupling. Within framework of experimental data processing the interference pattern of source sound field in receiver is analyzed by holographic processing. In result of holographic processing of interference pattern the two separated sets of spectral spots are obtained. The first set of spectral spots corresponds to sound field in unperturbed waveguide. The second set of spectral spots corresponds to hydrodynamic perturbation of sound field by IIW. The interference patterns of sound field in unperturbed waveguide and its hydrodynamic perturbation are recovered separately by filtering of one set of spectral spots in hologram domain. The transmission function of the unperturbed waveguide and the temporal variability of the ocean environment are restored.

гидродинамикаокеанический шельфвнутренние волнызвуковое полеинтерферограммаголограммаhydrodynamicsoceanic shelfinternal wavessound fieldinterferogramhologramThis research was supported by grants of RFBR (№ 19–29–06075 and № 19–38–90326).ReferencesЧупров С.Д. Интерференционная структура звукового поля в слоистом океане // Акустика океана. Современное состояние. М.: Наука, 1982. С. 71–82.Chuprov S.D. Interference Structure of Sound in a Layered Ocean. Ocean Acoustics. Current State. Moscow, Nauka, 1982, 71–82 (in Russian).Орлов Е.Ф. Интерференционная структура широкополосного звука в океане // Проблемы акустики океана. М.: Наука, 1984. С. 85–92.Orlov E.F. Interference Structure of Broadband Sound in Ocean. Problems in Ocean Acoustics. Moscow, Nauka, 1984, 85–92 (in Russian).Kuz’kin V.M., Lyakhov G.A., Pereselkov S.A. Method for measuring the frequency shifts of interference maxima in monitoring of dispersion media: theory, implementation, and prospects // Phys. Wave Phenom. 2010. 18, 196–222.Kuz’kin V.M., Lyakhov G.A., Pereselkov S.A. Method for measuring the frequency shifts of interference maxima in monitoring of dispersion media: theory, implementation, and prospects. Phys. Wave Phenom. 2010, 18, 196–222.Kuz’kin V.M., Kutsov M.V., Pereselkov S.A. Frequency shifts of sound field maxima in few-mode propagation, which are initiated by internal wave solitons // Phys. Wave Phenom. 2013. 21. P. 139–151.Kuz’kin V.M., Kutsov M.V., Pereselkov S.A. Frequency shifts of sound field maxima in few-mode propagation, which are initiated by internal wave solitons. Phys. Wave Phenom. 2013, 21, 139–151.Thode A.M. Source ranging with minimal environmental information using virtual receiver and waveguide invariant theory // J. Acoust. Soc. Am. 2000. 108. P. 1582–1594.Thode A.M. Source ranging with minimal environmental information using virtual receiver and waveguide invariant theory. J. Acoust. Soc. Am. 2000, 108, 1582–1594.Cocrell K.L., Smidt H. Robust passive range estimation using the waveguide invariant // J. Acoust. Soc. Am. 2010. 127. P. 3780–2789.Cocrell K.L., Smidt H. Robust passive range estimation using the waveguide invariant. J. Acoust. Soc. Am. 2010, 127, 3780–2789.Rouseff D., Zurk L.M. Striation-based beam forming for estimating the waveguide invariant with passive sonar // J. Acoust. Soc. Am. Express Lett. 2011. 130. P. 76–81.Rouseff D., Zurk L.M. Striation-based beam forming for estimating the waveguide invariant with passive sonar. J. Acoust. Soc. Am. Express Lett. 2011, 130, 76–81.Kuznetsov G.N., Kuz’kin V.M., Pereselkov S.A., Kaznacheev I.V. Noise source localization shallow water // Phys. Wave Phenom. 2017. 25. P. 156–163.Kuznetsov G.N., Kuz’kin V.M., Pereselkov S.A., Kaznacheev I.V. Noise source localization shallow water. Phys. Wave Phenom. 2017, 25, 156–163.Kuznetsov G.N., Kuz’kin V.M., Pereselkov S.A., Kaznacheev I.V., Grigor’ev V.A. Interferometric method for estimating the velocity of a noise sound source and the distance to it in shallow water using a vector-scalar receiver // Phys. Wave Phenom. 2017. 25. P. 299–306.Kuznetsov G.N., Kuz’kin V.M., Pereselkov S.A., Kaznacheev I.V., Grigor’ev V.A. Interferometric method for estimating the velocity of a noise sound source and the distance to it in shallow water using a vector-scalar receiver. Phys. Wave Phenom. 2017, 25, 299–306.Kuznetsov G.N., Kuz’kin V.M., Pereselkov S.A. Spectrogram and localization of a sound source in shallow water // Acoust. Phys. 2017. 63. P. 449–461.Kuznetsov G.N., Kuz’kin V.M., Pereselkov S.A. Spectrogram and localization of a sound source in shallow water. Acoust. Phys. 2017, 63, 449–461.Kaznacheev I.V., Kuznetsov G.N., Kuz’kin V.M., Pereselkov S.A. An interferometric method for detecting a moving sound source with a vector-scalar receiver // Acoust. Phys. 2018. 64. P. 37–48.Kaznacheev I.V., Kuznetsov G.N., Kuz’kin V.M., Pereselkov S.A. An interferometric method for detecting a moving sound source with a vector-scalar receiver. Acoust. Phys. 2018, 64, 37–48.Kuz’kin V.M., Pereselkov S.A., Kuznetsov G.N., Kaznacheev I.V. Interferometric direction finding by a vector-scalar receiver // Phys. Wave Phenom. 2018. 26. P. 63–73.Kuz’kin V.M., Pereselkov S.A., Kuznetsov G.N., Kaznacheev I.V. Interferometric direction finding by a vector-scalar receiver. Phys. Wave Phenom. 2018, 26, 63–73.Besedina T.N., Kuznetsov G.N., Kuz’kin V.M., Pereselkov S.A., Prosovetskiy L. Yu. Estimation of the depth of an immobile sound source in shallow water // Phys. Wave Phenom. 2015. 23. P. 292–303.Besedina T.N., Kuznetsov G.N., Kuz’kin V.M., Pereselkov S.A., Prosovetskiy L. Yu. Estimation of the depth of an immobile sound source in shallow water. Phys. Wave Phenom. 2015, 23, 292–303.Kuznetsov G.N., Kuz’kin V.M., Pereselkov S.A., Prosovetskiy D. Yu. Wave method for estimating the sound source depth in an oceanic waveguide // Phys. Wave Phenom. 2016. 24. P. 310–316.Kuznetsov G.N., Kuz’kin V.M., Pereselkov S.A., Prosovetskiy D. Yu. Wave method for estimating the sound source depth in an oceanic waveguide. Phys. Wave Phenom. 2016, 24, 310–316.Kuz’kin V.M., Kuznetsov G.N., Pereselkov S.A., Grigor’ev V.A. Resolving power of the interferometric method of source localization // Phys. Wave Phenom. 2018. 26. P. 150–159.Kuz’kin V.M., Kuznetsov G.N., Pereselkov S.A., Grigor’ev V.A. Resolving power of the interferometric method of source localization. Phys. Wave Phenom. 2018, 26, 150–159.Ocean Acoustic Interference Phenomena and Signal Processing (AIP Conference Proceedings), Ed. by W.A. Kuperman and G.L. D’Spain. May 1–3, 2001, San Francisco, CA (Melville, N.Y., 2002).Ocean Acoustic Interference Phenomena and Signal Processing (AIP Conference Proceedings), Ed. by W.A. Kuperman W.A. and G. L. D’Spain. May 1–3, 2001, San Francisco, CA (Melville, N.Y., 2002).Apel J.R., Badiey M., Chiu C.-S., Finette S., Headrick R.H., Kemp J., Lynch J.F., Newhall A.E., Orr M.H., Pasewark B.H., Tielburger D., Turgut A., von der Heydt K. Wolf S.N. An overview of the SWARM 1995 shallow-water internal wave acoustic scattering experiment // IEEE J. Ocean. Eng. 1997. V. 22. P. 465–500.Apel J.R., Badiey M., Chiu C.-S., Finette S., Headrick R.H., Kemp J., Lynch J.F., Newhall A.E., Orr M.H., Pasewark B.H., Tielburger D, Turgut A., von der Heydt K., Wolf S.N. An overview of the SWARM 1995 shallow-water internal wave acoustic scattering experiment. IEEE J. Ocean. Eng. 1997, 22, 465–500.Frank S.D., Badiey M., Lynch J., Siegmann W.L. Analysis and modeling of broadband airgum data influenced by nonlinear internal waves // J. Acoust. Soc. Am. 2004. V. 116, N6. P. 3404–3422.Frank S.D., Badiey M., Lynch J., Siegmann W.L. Analysis and modeling of broadband airgum data influenced by nonlinear internal waves. J. Acoust. Soc. Am. 2004, 116, 6, 3404–3422.Badiey M., Katsnelson B.G., Lynch J.F., Pereselkov S.A., Siegmann W.L. Measurement and modeling of three-dimensional sound intensity variations due to shallow-water internal waves // J. Acoust. Soc. Am. 2005. V. 117, N2. P. 613–625.Badiey M., Katsnelson B.G., Lynch J.F., Pereselkov S.A., Siegmann W.L. Measurement and modeling of three-dimensional sound intensity variations due to shallow-water internal waves. J. Acoust. Soc. Am. 2005, 117, 2, 613–625.Katsnelson B.G., Pereselkov S.A. Low-frequency acoustic refraction caused by internal wave solitons in a shallow sea // Acoust. Phys. 2000. 46. P. 684–691.Katsnelson B.G., Pereselkov S.A. Low-frequency acoustic refraction caused by internal wave solitons in a shallow sea. Acoust. Phys. 2000, 46, 684–691.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.