Вибрационная волна на поверхности воды: параметрическое возбуждение и радиолокационное наблюдение

Задача о возбуждении волн на поверхности воды от неподвижного осциллирующего подводного источника рассматривается в связи с проблемой дистанционного обнаружения таких источников. Показано, что затухание импульса низкочастотного источника с глубиной может в значительной степени компенсироваться усилением параметрически возбуждаемой поверхностной волны гравитационно-капиллярного (ГК) диапазона, причём ширина области возбуждения возрастает при увеличении амплитуды вибрационной мембраны. Согласно имеющейся модели, учёт вязкости приводит к оценке порога возбуждения порядка ξ₀ ~ 10^–2см по амплитуде поверхностной (возбуждающей) волны, и этот порог максимален в центре ГК области, при длине возбуждаемой ГК волны L₀ = 1.74 см. Сама же область возбуждения перемещается по спектру в соответствии с частотой вибратора, и наиболее эффективен случай удвоенной частоты вибратора по отношению к частоте возбуждаемой волны F₀ = 13.5 Гц. Полученные модельные результаты важны для задач, связанных с радиолокацией морской поверхности. Для их проверки создана лабораторная экспериментальная установка и проведены измерения рассеяния электромагнитных волн сантиметрового диапазона от области кольцевых бегущих волн, возбуждаемых вокруг пятна над вибрирующей мембраной, где возникают стоячие волны («рябь Фарадея»). Осциллограммы и спектры на выходе фазового детектора радара, работающего в режиме диффузно-резонансного (брэгговского) рассеяния, были получены и сравнивались для двух типов вибраторов — приповерхностного и донного, и эти исследования будут продолжены. Продемонстрированы перспективы использования изучаемого эффекта для обнаружения источников низкочастотных волн сейсмического происхождения и их радиолокационного мониторинга.

1. Дьяков Ю.П., Есипов И.Б., Ляпин К.К., Наугольных К.А., Поздняков Н.И., Соколов В.И. Когерентное комбинационное отражение электромагнитных волн от взволнованной границы раздела двух сред при воздействии на неё акустического излучения // Акустический журнал. 1986. Т. ХХХII, вып. 3. С. 334–339.

2. Ушаков И.Е., Шишкин И.Ф. Радиолокационное зондирование морской поверхности. М.: Татьянин день, 1997. 263 с.

3. Чернсайд Дж.Х., Браво Х.Е., Наугольных К.А., Фукс И.М. Воздействие подводного звука и поверхностного волнения на рассеяние лазерного излучения // Акустический журнал. 2008. Т. 54, № 2. С. 244–250.

4. Soloviev A., Gilman M., Young K., Brusch S., Lehner S. Sonar measurements in ship wakes simultaneous with TerraSAR-X overpasses // IEEE Trans. on GRS. 2010. V. 48, № 2. P. 841–851. doi: 10.1109/TGRS.2009.2032053

5. Басс Ф.Г., Фукс И.М. Рассеяние волн на статистически неровной поверхности. М.: Наука, 1972. 424 с.

6. Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах. Часть II. Многократное рассеяние, турбулентность, шероховатые поверхности и дистанционное зондирование. М.: Мир, 1981. 317 с.

7. Китайгородский С.А. Физика взаимодействия атмосферы и океана. Л.: ГМИ, 1970. 284 с.

8. Переслегин С.В. Связь СВЧ рассеяния от морской поверхности с пространственно-временными характеристиками развитого волнения // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1975. Т. 11, № 5. С. 481–490.

9. Ричардсон Э. Динамика реальных жидкостей. М.: МИР, 1965. 328 с.

10. Исакович М.А. Общая акустика. М.: Наука, 1973. 495 с.

11. Пелиновский Е.Н. Гидродинамика волн цунами. Н-Новгород: ИПФ РАН, 1996. 276 с.

12. Рабинович М.И., Трубецков Д.И. Введение в теорию колебаний и волн. М.: Наука, 1984. 560 с.

13. Левин Б.В., Носов М.А. Физика цунами и родственных явлений в океане. М.: Янус-К, 2005. 360 с.

14. Калиниченко В.А., Нестеров С.В., Секерж-Зенькович С.Я., Чайковский А.А. Экспериментальное исследование поверхностных волн при резонансе Фарадея // Изв. РАН, Механика жидкости и газа. 1995. № 1. С. 122–129.

15. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. Москва: Радио и связь, 1977, 512 с.

16. Халиков З.А., Переслегин С.В., Куликов Е.А. Модель космического панорамного радиовысотомера: отображение поля развивающейся волны цунами в двухпозиционном квазизеркальном радаре // ХХХ Симпозиум по радиолокационному зондированию природных сред. СПб.: ВКА им. А.Ф. Можайского, 2017. 9 с.

17. Переслегин С.В., Карпов И.О., Халиков З.А., Ермаков Р.В., Мусинянц Т.Г. Формирование скоростных радиолокационных изображений морской поверхности со стационарных, авиационных и космических носителей // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2019. Т. 12, № 1. С. 21–29. doi: 10.7868/S2073667319010039

18. Переслегин С.В., Халиков З.А., Карпов И.О. Модель формирования полей ветровых и внутренних волн в ИРСА с продольной антенной базой // XXХI Симпозиум по РЛ зондированию природных сред. СПб.: ВКА им. А.Ф. Можайского, 2019. 10 с.

19. Shi-Jian Zhu, Xue Weng, Hong-Liang Dai, Vi-Ming Fu, Yi-Qi Mao. Acoustic and Vibration Control for an Underwater Structure under Mechanical Excitation // Shock and Vibration. 2014. V. 2014. Article ID385264. 17 p. doi: 10.1155/2014/385264

20. Merz S., Kinns R., Kessissologlou N. Structural and Acoustic Responses of a Submarine Hull due to Propeller Forces // Journal of Sound and Vibration. 2009. V. 325, N1–2. P. 266–286. doi: 10.1016/j.jsv.2009.03.011

21. Caresta M., Kessissologlou N.J. Acoustic signature of a submarine hull under harmonic excitation // Applied Acoustics. 2010. V. 71, N1. P. 17–31. doi: 10.1016/j.apacoust.2009.07.008

22. Matsumoto H., Kimura T., Nishida S., Machida Y., Araki E. Experimental evidence characterizing pressure fluctuations at the seafloor-water interface induced by an earthquake // Sci Rep. 2018. Nov 6;8(1):16406. doi: 10.1038/s41598–018–34578–2.