Принципы акустического зондирования
Акустическое зондирование атмосферы основано на распространении звуковых волн в воздухе и регистрации их изменений в зависимости от характеристик среды. Основными параметрами, подлежащими исследованию, являются температура, давление, влажность, скорость и направление ветра, а также наличие турбулентности и стратификации. Изменения фазовой и групповой скорости звука, частоты, амплитуды, формы импульса и рассеяния позволяют делать выводы о свойствах атмосферы.
Основной физической основой акустического зондирования служит зависимость скорости звука от температуры и состава воздуха:
$$ c = \sqrt{\gamma \cdot R \cdot T / M} $$
где c — скорость звука, γ — показатель адиабаты, R — универсальная газовая постоянная, T — абсолютная температура, M — молярная масса воздуха.
Типы акустических методов
Акустические методы условно делятся на активные и пассивные.
Наиболее распространёнными являются активные методы, включая:
СОДАР: структура и принципы работы
СОДАР — это активная система, аналогичная радару, но работающая в звуковом диапазоне. Звуковой импульс направляется вертикально или под углом в атмосферу, и рассеянный обратно сигнал регистрируется приёмником. Возврат сигнала обусловлен неоднородностями плотности воздуха, связанными с температурной и турбулентной стратификацией.
Используя эффект Доплера, можно определить вертикальные и горизонтальные составляющие скорости ветра:
$$ f_D = \frac{2v \cdot \cos(\theta)}{\lambda} $$
где fD — доплеровский сдвиг частоты, v — скорость движения неоднородности, θ — угол между лучом и направлением ветра, λ — длина волны звукового сигнала.
Акустическая томография атмосферы
Метод акустической томографии заключается в передаче звуковых сигналов между несколькими источниками и приёмниками, расположенными в различных точках. По временным задержкам, фазовым сдвигам и амплитудам можно реконструировать пространственное распределение температуры, скорости ветра и других параметров атмосферы.
Используемые частоты — от 1 до 10 кГц. Основное преимущество метода — получение трёхмерных полей атмосферных параметров в реальном времени. Он широко используется при метеорологических исследованиях вблизи аэродромов, в районах с высоким риском турбулентности и при контроле распространения загрязняющих веществ.
Инфразвуковое зондирование
Инфразвуковые волны (частоты менее 20 Гц) обладают высокой проникающей способностью и распространяются на большие расстояния. Их использование в атмосфере позволяет:
Метод инфразвукового зондирования базируется на регистрации временных задержек и амплитудных искажений волн. Анализируя их, можно получать сведения о температурных и скоростных профилях атмосферы, включая стратиосферу и мезосферу.
Доплеровская акустика
Доплеровская акустика использует эффект Доплера для определения скорости перемещения неоднородностей воздуха. Метод особенно полезен при исследовании ветрового сдвига и турбулентности в нижней атмосфере. Системы, основанные на этом принципе, обеспечивают высокую временную и пространственную разрешающую способность.
Часто используется сочетание с лазерными методами (лидар) и радиозондированием для комплексного анализа атмосферы. Важное преимущество — возможность непрерывного мониторинга скорости ветра в режиме реального времени.
Эхоакустические измерения и турбулентность
Акустическое эхо возникает в результате обратного рассеяния звуковых волн на неоднородностях плотности воздуха. Анализ формы отражённого сигнала позволяет оценить степень турбулентности, масштаб вихрей и уровни перемешивания.
Для этого используются импульсные и частотно-модулированные сигналы. Критически важен выбор частоты: высокочастотные сигналы дают высокое пространственное разрешение, но быстро затухают, тогда как низкочастотные распространяются дальше, но менее чувствительны к мелкомасштабным структурам.
Атмосферные параметры, доступные акустике
С помощью акустических методов можно получать следующие характеристики:
Погрешности и ограничения
Несмотря на высокую информативность, акустические методы имеют ряд ограничений:
Эти ограничения частично компенсируются комбинированием акустических методов с другими физическими средствами, такими как радиозондирование, лидары, метеорадары и спутниковые измерения.
Применение акустических методов в практике
Акустические методы широко используются в следующих сферах:
С развитием цифровых технологий, алгоритмов обработки сигналов и интеграции с другими системами наблюдения, акустические методы становятся всё более точными, надёжными и универсальными средствами исследования атмосферы.