Экспериментальное исследование отражения акустического импульса пресноводным льдом

В данной работе исследуется отражение акустического импульса пресноводным льдом во время эксперимента на Горьковском водохранилище в Нижегородской области с ноября 2023 г. по март 2024 г. Для измерений используется подводный импульсный гидролокатор "Стрелка", который установлен вблизи дна и излучает импульсы вертикально вверх. Измеряется временной интервал между излучением и приемом отраженного импульса [1].
Основное внимание уделяется анализу формы отраженного акустического импульса для различных состояний ледяного покрова, связанных с изменением температуры.
Акустические отражательные свойства воды и льда существенно различаются. Акустический импеданс для воды при температуре 4° C составляет около 1427000 Кг/(м2с) [2], а для льда в 2,6-2,7 раз больше.
Для формирования отраженного импульса важны коэффициенты прохождения и отражения на границах сред «вода-лед» и «лед-вода» и также границах сред «лед-воздух». Коэффициент отражения границы раздела сред вода и лед равен около 0,18, а коэффициент прохождения — около 0,82. Коэффициент отражения границы сред лед-воздух около 0,98 из-за большой разницы в акустическом импедансе.
Для зондирования используется короткий импульс длительностью 5 * 10-6 сек. За это время акустическое излучение проходит 0,75 см в воде и 1,875 см во льду, поэтому в принимаемом импульсе хорошо видны «пики», соответствующие отражению от нижней границы льда и отражению от верхней границы «лед-воздух». В результате длительность отраженного импульса намного больше длительности излученного. Длительность излученного импульса определяет минимальную толщину льда, которая может быть измерена.
Для определения расстояния от гидролокатора до нижней кромки льда используется время задержки акустического импульса до первого максимума («пика») и скорость звука в воде. Для определения толщины льда использовался метод расчета на основе разницы времен задержки акустического импульса между двумя максимумами. Скорость звука в воде составляет приблизительно 1421 м/с [3, 4] при температуре 4° С, а в пресноводном льду — около 3750 м/с [5]. Используя эти значения, а также данные о времени прохождения акустического импульса, была рассчитана толщина ледяного покрова. Сравнение выполненных расчетов с данными контактных наблюдений подтвердило работоспособность предложенного способа.
Изменение уровня воды влияет на время задержки до первого отражения. На форму отраженного импульса между двумя пиками влияет толщина и состояние ледяного покрова. Особенностью данной серии измерений было то, что после замерзания и формирования первоначального ледяного покрова происходило потепление с переходом температуры через 0 градусов 27-28 ноября и 20–23 декабря. Последующее похолодание привело к тому, что мокрый снег замерз и образовалась слоистая структура льда, которая может приводить к множественным отражениям с более низкими пиками.
В результате исследования были проанализированы различные параметры, влияющие на отражение акустических сигналов. Метод расчёта толщины льда, основанный на нахождении разницы времени задержки сигнала между первым и вторым отражениями подтвердил эффективность. Планируется продолжить измерения этой зимой.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-77-10064.