بخشی از مقاله
چکیده
لایه ترموکلاین تأثیرات قابل توجهی بر انتشار امواج صوتی در محیط خلیج فارس دارد. تاکنون تحقیق جامع و دقیقی در خصوص شناخت لایه ترموکلاین و بویژه مشخصههای آن مانند ضخامت ترموکلاین در خلیج فارس انجام نشده است. علاوه بر این عمده تحقیقات صورت گرفته در خصوص تأثیر ترموکلاین بر اتلاف انتشار در فرکانسهای پائین بوده است و فرکانسهای بالا کمتر مورد مطالعه بوده است. لذا در این تحقیق سعی بر آن است تا این ابهامات رفع گردد. در این تحقیق از دادههای اندازهگیری گشت دریایی راپمی 2001 در خلیج فارس و تئوری ردیابی پرتو جهت شبیهسازی انتشار صوت استفاده شده است. نتایج نشان میدهد که وجود لایه ترموکلاین تسبت به عدم وجود آن اثر قابل توجهی در تغییر مقدار اتلاف انتشار دارد و همچنین افزایش ضخامت لایه ترموکلاین موجب افزایش اتلاف انتشار میگردد.
کلمات کلیدی: لایه ترموکلاین، اتلاف انتشار، انتشار آکوستیکی زیرآبی، خلیج فارس، ضخامت ترموکلاین، مدل ردیابی پرتو
1 مقدمه
نحوه انتشار امواج صوتی در محیط زیر آب از جمله عوامل بسیار موثر در عملکرد سامانههای آکوستیکی - صوتی - از قبیل انواع سونارها، تجهیزات مخابرات زیرآبی، شبکههای سنسوری آکوستیکی زیرآبی و ... میباشد که در گسترده وسیعی از کاربردهای نظامی و تجاری مورد استفاده قرار می-گیرند. سرعت صوت در دریاها و اقیانوسها تابعی از دما، شوری و فشار - عمق - است .[ 1] دما که یک پارامتر فیزیکی محیط است، در مقایسه با شوری و فشار بیشترین تأثیر را بر مقدار سرعت صوت دارد. تغییرات سرعت صوت نیز یک عامل تعیین کننده در نحوه انتشار امواج صوتی است. بنابراین انتظار داریم، لایه ترموکلاین که در آن کاهش قابل توجه دما رخ میدهد نیز تأثیرات قابل ملاحظهای بر انتشار امواج صوتی داشته باشد. در این تحقیق، منطقه مورد مطالعه خلیج فارس است. در خلیج فارس، ترموکلاین در زمستان در نتیجه اختلاط شدید ناشی از باد و تابش کمتر خورشیدی از بین رفته ولی به تدریج در بهار و تابستان ایجاد شده و توسعه مییابد.
جین و ژانگ - 1992 - در تحقیق خود، ضرایب اسکترینگ بستر 1 و جهتمندیهای آنها را برای فرکانسهای 1، 0/8، 2 و 4 کیلوهرتز زوایای کوچک در آب کمعمق دارای ترموکلاین تابستانی تخمین زدند. نتایج نشان داد که سیگنالهای انتشار یافته از منبع، زودتر دریافت شده و بسیار ضعیفتر از سیگنال اسکتر یافته بودند. همچنین اتلاف انعکاس بستر ناشی از اسکترینگ بستر تخمین زده شد .[2]
ژانگ و ژو - 1993 - به بررسی اثر ترموکلاین بر سیگنالهای پالسی پرداختند. نتایج تحقیق آنها نشان داد که سیگنال پالسی در آبهای کمعمق دارای ترموکلاین دارای ساختارهای چند مسیری با قاعده2 است .[3]
گیندی - 1993 - در دانشگاه قطر براساس دادههای جمع آوری شده بین سالهای 1961 تا 1988، به بررسی تغییرات فصلی ویژگیهای آکوستیکی مانند تشکیل کانال صوتی و رفتار نیمرخ سرعت صوت در منطقه دریائی راپمی در دریای عمان پرداخت .[4]
لین و بائو - 1994 - به بررسی شرایط محیطی دریای زرد جنوبی چین بر اسکترینگ صوتی ترموکلاین پرداختند. نتایج این تحقیق نشان داد که عوامل اولیه تداخل، امواج ناشی از باد و امواج دورآ هستند .[5]
هاکریشمن - 1995 - ، در دانشگاه علوم و فنون کوچین هند تغییرات ترموکلاین در دریای عمان و اثرات آن را بر انتشار امواج صوتی مورد بررسی قرار داد. نتایج حاکی از این امر بود که با وجود ترموکلاین نسبت به حالت بدون آن، افزایش قابل ملاحظه در اتلاف انتشار در زیر لایه ترموکلاین رخ میدهد - حدود 5-10 دسیبل - .[6]
ژانگ و لی - 1999 - ، همدوسی قائم صوت در آب کم عمق دریای زرد که دارای ترموکلاین بود را مورد مطالعه قرار دادند. تحلیل همبستگی قائم دادههای دریافت شده نشان داد که ارتباط بین همدوسی و فرکانس و بین همدوسی و برد برای منبع و دریافت کننده متفاوت، مختلف است. همچنین همدوسی دارای ساختار قائم مختلف برای منبع، فرکانس و برد متفاوت است .[7]
ژو و همکارانش - 2000 - ، مشخصههای طنین در آب کم عمق دریای زرد که دارای ترموکلاین بود را مورد مطالعه قرار دادند. تحلیل دادهها نشان داد که سطح شدت طنین - - RL دریافت شده در ترموکلاین، دارای یک ساختار تداخلی با قاعده با افزایش زمان - فاصله - است. همچنین اسکترینگ بستر در طنین در آزمایش، عامل غالب است .[8]
سیدریوس و همکارانش - 2004 - به مطالعه تأثیر تغییرات ترموکلاین و بستر دریا بر ارتباطات آکوستیکی - MFSK - و 1 - DSSS - زیرآبی در آب کمعمق در نزدیکی کایوای در نزدیکی جزایر کاپرایا و البا در جولای 2003 پرد اختند .[9]
سیدریوس و همکارانش - 2004 - به مطالعه تأثیر تغییرات ترموکلاین و بستر دریا بر ارتباطات آکوستیکی زیرآبی در باندهای فرکانسی 8-13 kHz و 14-19 kHz با فاصله منبع- گیرنده 3 کیلومترپرداختند. نتایج نشان داد که کارائی در دو باند تقریباً مشابه است. همچنین نتایج نشان داد که بین عمق گیرنده و هیدروفنهای عمیقتر دارای خطای بیت کمتر یک وابستگی شدید وجود دارد. ساختار سرعت صوت در ایستگاههای نشان داد که اثر زیادی بر ارتباطات دارد .[10]
سیدریوس و همکارانش - 2007 - به مطالعه اثر تغییرات ترموکلاین بر ارتباطات زیرآبی ناهمدوس2 بر مدولاسیونFSK و کارائی مودمهائی که با این نوع مدولاسیون کار میکنند، در نواحی دور از ساحل کایوای پرداختند. نتایج نشان داد که چرخههای روزانه ترموکلاین به شدت بر کارائی مدولاسیون FSK تأثیر دارد و علاوه بر این، اختلاف در محوشدگی آماری برای دریافت کنندههای درون و خارج ترموکلاین باعث اختلاف در کارائی مودم میشود .[11]
کومار و همکارانش - 2007 - ، با استفاده از یک مدل وابسته به برد مبتنی بر تقریب سهموی، مشخصههای انتشار آکوستیکی را تحت تأثیر حوضه-های گرم کوچک در شرق دریای عرب، در محدوده 67/5 تا 75 درجه شرقی مطالعه کردهاند. نتایج تحقیق نشان داد که اتلاف انتشار صوت در حضور این هسته تقریباً به نحوه قابل توجهی تغییر میکند .[12]
کومار و هاکریشمن - 2010 - تغییرپذیری اتلاف انتشار صوت ناشی از اثرات فراجوشی3 و فروجوشی4 را در سواحل جنوب غربی هند در بازه زمانی ژوئن تا دسامبر 2004 مطالعه کردهاند. نتایج شبیهسازیها نشان داد که اتلاف انتشار مربوط به پدیده های فراجوشی و فروجوشی دارای تغییرپذیری قابل توجهی نسبت به یکدیگر هستند .[13]
ژانگ و همکارانش - 2012 - در آکادمی زیرسطحی نیروی دریائی چین به بررسی اثر تغییرات مشخصههای لایه تغییرات سرعت صوت بر اتلاف انتشار پرداختند. نتایج حاکی از آن بود که با افزایش مقدار هر یک از مشخصههای لایه ترموکلاین، اتلاف انتشار افزایش مییابد و از این رو اثرات قابل ملاحظهای بر اتلاف انتشار صوتی دارد .[14]
با توجه به مطالب فوق واضح است که در منطقه خلیج فارس که از نظر ویژگیهای آکوستیکی بسیار پیچیده است، تاکنون تحقیق جامع و دقیقی در خصوص شناخت لایه ترموکلاین و همچنین تأثیر این لایه بر مباحث انتشار امواج صوتی زیرآبی از قبیل اتلاف انتشار صورت نگرفته است. علاوه بر این عمده تحقیقات صورت گرفته در خصوص تأثیر ترموکلاین بر اتلاف انتشار در فرکانسهای پائین بوده است و فرکانسهای بالا کمتر مورد مطالعه بوده است. لذا در این تحقیق سعی بر آن است تا این ابهامات آکوستیکی رفع گردد.
این مقاله بصورت زیر سازماندهی شده است. در بخش دو، مشخصههای ترموکلاین و یک مدل محیطی اقیانوسی برای ترموکلاین معرفی شده است. در بخش سه، نتایج حاصل از شبیهسازیها مربوط به تأثیر وجود ترموکلاین و تغییر ضخامت آن بر اتلاف انتشار ارائه شده است و نتایج مورد بحث قرار گرقته است. در بخش چهار، به نتیجهگیری پرداختهایم.
2 روش کار
در این تحقیق از دادههای دما، شوری و عمق اندازهگیری شده در گشت دریایی راپمی استفاده شده است که در تابستان - ماه آگوست - سال 2001 در خلیج فارس جمعآوری شدهاند که در شکل - - 1 مکان ایستگاههای مذکور نشان داده شده است .[15]
شکل:1 مکان ایستگاههای اندازهگیری گشت دریائی راپمی سال 2001
برای لایه ترموکلاین میتوان سه مشخصه معرفی نمود. که عبارتند از:
• عمق آغاز لایه ترموکلاین - بر حسب متر - : برابر است با ضخامت لایه آمیختهبالای لایه ترموکلاین. لایه آمیخته دارای دمای تقریباً ثابتی است.
• ضخامت لایه ترموکلاین - بر حسب متر - : فاصله قائم بین عمق آغاز و عمق پایان لایه ترموکلاین.
• گرادیان ترموکلاین: نسبت اختلاف دمای لایه ترموکلاین بر ضخامت آن. گرادیان دما بر حسب درجه سانتیگراد بر متر بیان میشود.
در شکل - - 2 الگوئی از نیمرخ دمای دارای لایه ترموکلاین، به همراه مشخصههای لایه ترموکلاین ارائه شده است. در این شکل، مقادیر D و L نشان دهنده ضخامت لایه ترموکلاین و ضخامت لایه بالای آن است.
