СВЯЗЬ СПЕКТРОВ СОБСТВЕННЫХ ШУМОВ ЗЕМЛИ И ОКЕАНА

Известия ТРТУ
«Экология 2004 – море и человек»
а
б
Рис.2. Экспериментальные (а) и теоретические (б) кривые поперечного распределения звукового давления ВРЧ, отраженной от границы раздела вода – олово
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Параметрические антенны в гидролокации. – Л.:
Судостроение. 1989. – 256 с.
1. Новиков
Б.К., Тимошенко В.И.
СВЯЗЬ СПЕКТРОВ СОБСТВЕННЫХ ШУМОВ ЗЕМЛИ И ОКЕАНА
С.Ф. Черепанцев, А.С. Черепанцев
Естественные акустическое поле Океана и сейсмоакустическое поле Земли
представляют собой важные для исследования физические поля. Актуальность таких
исследований определяется наряду с рассмотрением их как помех при регистрации
полезного сигнала, также и получающей в настоящее время развитие концепцией
рассмотрения шумов как самостоятельного геофизического поля, содержащего информацию о свойствах среды.
Одной из важнейших характеристик шума является его спектр. К настоящему времени накоплен большой экспериментальный материал по спектральным характеристикам шума в различных областях и при различных условиях как в океане,
так и на суше [1 – 6]. Основными источниками шумов океана принято считать нелинейное поверхностное волнение, судоходство, биологические источники, донные
сейсмические сигналы. В качестве основных источников шумов Земли рассматриваются ветровое воздействие на поверхность Земли, антропогенный фактор, связанный
с человеческой деятельностью, влияние штормовых условий в морской прибрежной
зоне.
Наряду с перечисленными факторами воздействия, существует и эндогенная
компонента шумового поля, свойственная этим средам. Каждой из них присуща неоднородность, что определяет наличие разномасштабных процессов, пространственной структуры организации как в виде блоковой структуры литосферы, так и в виде
характерных масштабов турбулентного движения водных масс. Нелинейный характер взаимодействия подобных структур и образующееся при этом шумовое поле является неотъемлемой эндогенной характеристикой каждой из сред в целом.
В данной работе сделана попытка проанализировать спектральные характеристики шумового поля Океана и Земли в условиях минимальных внешних воздействующих факторов с целью их сравнения. На рис.1 представлены кривые спектральной плотности шумов Земли по имеющимся литературным данным [1 – 3] в наиболее
«тихих» точках регистрации, вдали от активной антропогенной деятельности при
заглублении не менее 30 м. Представленные кривые, начиная с частот выше 0,3 Гц,
имеют практически линейную зависимость в двойном логарифмическом масштабе.
88
Секция методов и средств экологического мониторинга водных районов
Данный известный факт позволяет аппроксимировать каждую из зависимостей линейной функцией. Полученные значения линейной регрессионной модели представлены в табл. 1.
Рис.1
Рис.2
На рис. 2 представлены спектральные плотности шумов океана [4 – 6]. Из
имеющихся в литературе данных были выбраны те, которые отвечают минимальным
уровням ветра на поверхности (не более 1 м/с) как в глубоком, так и мелком морях.
Приведенные спектральные плотности шумов есть измерения амплитуд колебаний основания поверхности сейсмометра и давления в заданной полосе
частот. Для совмещения имеющихся зависимостей перейдем к
одной из имеющихся характеристик путем пересчета амплитуд
давления в соответствующие амплитуды смещения частиц воды в
акустической волне.
В простейшей модели
плоской гармонической волны
связь между амплитудами давления и смещения определяется
волновым сопротивлением водной среды и частотой колебаний:
x0 =
p0
. На рис.3 представ2πρcf
лены спектральные плотности
смещений шумов океана (сплошные кривые) и шумов Земли
(пунктирные кривые).
Рис.3
89
Известия ТРТУ
«Экология 2004 – море и человек»
Анализ полученных графиков показывает близость полученных зависимостей,
при которой спектральные кривые шумов Океана являются продолжением спектральных кривых шумов Земли в более высокочастотной области.
Проверим гипотезу о существовании единой линейной зависимости амплитудной спектральной плотности шумов океана и Земли от частоты в двойном логарифмическом масштабе.
В табл.1, 2 представлены выборочные значения коэффициентов a,b в линейной
модели аппроксимации lg( A) = a + b lg( f ) + ε , полученные методом максимального
правдоподобия, считая, что погрешность ε имеет нормальное распределение. Табл. 1
соответствует спектральной плотности шумов Земли, табл. 2 – спектральной плотности шумов океана. В таблицах также приведены доверительные интервалы значений
a,b для уровня значимости α=0,01.
Таблица 1
Номер
кривой
a
Доверительный
интервал
1
2
3
4
5
–8,6
–10,1
–10,0
–9,2
–9,0
[–8,7 ; –8,5]
[–10,4; –9,8]
[–10,1; –9,9]
[–9,23;–9,19]
[–9,5; –8,5]
Доверительный
интервал
B
–1,72
–1,74
–2,00
–1,85
–2,34
[–1,8; –1,6]
[–2,6; –0,88]
[–2,2; –1,8]
[–1,9; –1,8]
[–2,9; –1,7]
Для проверки гипотезы об однородности выборок a,b, полученных по спектральным плотностям шумов океана и Земли, использован непараметрический критерий Уилкоксона. В соответствии с двусторонним критерием Уилкоксона на уровне
значимости α=0,01 проверяется гипотеза H о том, что закон распределения двух выборок одинаков. Гипотеза проверяется по результатам двух независимых реализаций
выборок (a1E , a 2E ,..., a 5E ) кривых спектральных плотностей шумов Земли и
(a1O , a2O ,..., a5O ) спектральных плотностей шумов океана. Аналогичная гипотеза проверяется и для коэффициентов линейной регрессии b. В соответствии с данным критерием, гипотеза Н отвергается, если
min(u, u~ ) ≥ U 10,5 ,
где U10,5 – критические значения статистики критерия Уилкоксона (определяются по
таблице), а u , u~ выражаются через суммы рангов S каждой выборки и объема соответствующих выборок:
u = S1 −
Номер
кривой
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
90
a
–9,6
–8,2
–9,9
–9,3
–8,3
–10,1
–8,9
–9,3
–9,2
–9,6
10(10 + 1) ,
2
Доверительный
интервал
[–9,63; –9,50]
[–8,32; –8,17]
[–10,3; –9,6]
[–9,44; –9,25]
[–8,42; –8,21]
[–10,4; –9,7]
[–9,0; –8,7]
[–9,36; –9,16]
[–9,5; –8,9]
[–9,74; –9,54]
5(5 + 1) .
u~ = S 2 −
2
b
–1,56
–2,03
–1,63
–1,69
–2,12
–1,52
–1,91
–1,73
–1,60
–1,50
Таблица 2
Доверительный
интервал
[–1,7; –1,5]
[–2,1; –1,9]
[–2,4; –0,8]
[–1,8; –1,6]
[–2,3; 2,0]
[–2,0; –1,1]
[–2,1; –1,7]
[–1,9; –1,6]
[–2,1; –1,1]
[–1,7; –1,3]
Секция методов и средств экологического мониторинга водных районов
Вычисленные параметры критерия представлены в табл.3.
Таблица 3
u
33
u~
a
B
U10,5
6
22
u~
u
43
U10,5
6
12
Полученные значения указывают, что гипотеза об одинаковом законе распределения параметров линейной аппроксимации спектральных плотностей шумов
Земли и Океана принимается с вероятностью не менее 90%.
Полученный результат позволяет сделать ряд выводов.
1. Амплитудно- частотные зависимости сейсмоакустических шумов Океана и
Земли имеют универсальный характер, что может, в частности, указывать на общий
механизм образования собственных шумов.
2. Полученная закономерность амплитудных спектров указывает на различие
энергетических спектральных характеристик шума Океана и Земли. То есть при одинаковых амплитудах колебаний, удельная энергия данных процессов различна. Соответствующие оценки энергетических спектров можно получить, зная значения плотностей амплитудного спектра и спектра давления:
WE =
ρ E2 ω 2 S a2 ,
WO =
2
S p2
2ρOc 2
,
где ρ E , ρ O – плотности сред Земли и Океана, с– скорость звука в воде, S a , S p – спектральные плотности амплитуд колебаний и давления соответственно.
С учетом соотношения между давлением и амплитудой колебаний частиц в
волне следует, что
WE
WO
=
ρE
ρO
,
т. е. коэффициент а в аппроксимационном соотношении будет различен для
энергетических спектров шумов Земли и Океана, в то время как спад по частоте b
останется общим.
3. Обобщенная зависимость амплитудной спектральной плотности шумов
Земли и Океана от частоты может быть представлена в виде
W ( f ) = 5,0 ⋅ 10−10 ⋅ f −1,8




м
.

Гц 
4. Полученная обобщенная оценка может оказаться методически полезной
при создании высокочувствительной аппаратуры регистрации слабых сигналов при
проведении комплексных работ в придонных областях океана, где требуется учет
влияния как шумов Океана, так и Земли.
5. При организации постоянной точки наблюдения важным фактором является оценка уровня шума. В связи с этим знание уровня собственных шумов среды
позволяет сравнить уровни шума в выбранной точке наблюдения с «идеальным» минимальным уровнем.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Обобщенные спектры донного сейсмического шума Мирового
океана // Океанология. Т.22. 1982. №6. С.980 – 983.
2. Brune I.N., Oliver I. The Seismic noise of the earth surface. BSSA, vol.49. №4. Р. 349–
1.
Островский А.А.
353.
3. Bungum H., Mykkeltveit S., Kvaerna T. Seismic noise in Fennaskandia, with emphasis on
high frequencies. BSSA, vol.75. №6. Р. 1489 – 1513.
91
Известия ТРТУ
«Экология 2004 – море и человек»
4. Wenz, Gordon. Acoustic Ambient Noise in the Ocean: Spectra and Sources. JASA, 1962,
vol.34, №12.
5. Kibblewhite A., Ewans K. Wave-wave interactions, microseism and infrasonic ambient
noise in the ocean. JASA, 1985, vol.78, №3.
6. Фурдуев А.В. Шумы океана // Акустика океана. – М.: Наука, 1977. – С.615–691.
СИСТЕМЫ УПЛОТНЕНИЯ ЦИФРОВЫХ
И АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ
В.Н. Максимов
В системах экологического мониторинга сталкиваются с необходимостью
передачи сигналов от большого количества датчиков к блоку их обработки и регистрации. При этом для уменьшения количества линий связи осуществляют уплотнение
сигналов. Для этой цели автором были разработаны и испытаны системы уплотнения.
В первой – двоичные одноразрядные сигналы от 32 датчиков мультиплексировались в последовательное 32-разрядное цифровое слово, суммировались с 8разрядным синхросигналом, преобразовывались в код «Манчестер-2» и передавались
в линию связи, представляющую собой витую пару длиной около 600 метров. Надежный прием сигналов с их последующим демультиплексированием происходил
при частоте опроса датчиков до 20 кГц. При частоте опроса более 30 кГц появлялись
единичные ошибки с вероятностью не более 10-3.
Во второй системе уплотнения использовали двунаправленную поочередную
передачу цифровых 40-разрядных чисел от одного блока к другому с частотой опроса
датчиков 8 кГц. Причем можно было передавать или 40 бит цифровых данных или
четыре аналоговых сигнала, каждый из которых преобразован в 8-разрядный цифровой код и дополнительно 8 бит цифровой информации. При приеме осуществляли
восстановление аналоговых сигналов.
Для передачи по витой паре длиной до 400 м вероятность единичной ошибки
не превышала 10-6. Разработанные системы уплотнения выполнены на элементах жесткой логики и могут быть использованы для передачи различных цифровых и аналоговых сигналов по двух направленным линиям связи.
К ВОПРОСУ ИССЛЕДОВАНИЯ МАКРОПРОЦЕССА
АКУСТИЧЕСКОЙ КОАГУЛЯЦИИ АЭРОДИСПЕРСНЫХ СРЕД
Н.Н. Чернов
Применение метода акустической коагуляции для повышения эффективности
улавливания пылевых частиц промышленных дымов экономически целесообразно
только при оптимальном выборе параметров звукового поля, которые могут быть
получены на основе исследования макропроцесса акустической коагуляции реального аэрозоля.
Полученное в [1] уравнение кинетики справедливо для макропроцесса коагуляции, протекавшего в статических условиях или при малых скоростях движения
аэрозоля через коагуляционную камеру. В реальных условиях производства скорость
дымовых газов велика и имеет порядок 10 м/с. Поэтому время пребывания аэрозоля в
зоне действия мощного звукового поля составляет 1–2 с. В этих условиях схема кинетики процесса, принятая в расчетах, будет реализовываться только в течение от92