МЕТОД РАСЧЕТА СКОРОСТИ ЗВУКА В МОРСКОЙ ВОДЕ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ БЫСТРОМЕНЯЮЩИХСЯ ОКЕАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

  • А. Н. Греков Институт природно-технических систем (ИПТС)
  • Н. А. Греков Институт природно-технических систем (ИПТС)
  • Е. Н. Сычев Институт природно-технических систем (ИПТС)
  • К. А. Кузьмин Институт природно-технических систем (ИПТС)
DOI: 10.29006/1564-2291.JOR-2022.50(2).1
Ключевые слова: морская вода, измерения, скорость звука, температура, гидростатическое давление, абсолютная соленость, уравнение состояния, аппроксимация, TEOS-10, микроконтроллер, подводные аппараты

Аннотация

В работе представлены два компактных полиномиальных уравнения, выражающих зависимость скорости звука в морской воде от входных параметров: температуры in situ, гидростатического давления и абсолютной солености. Уравнения получены аппроксимацией стандартного Международного уравнения состояния TEOS-10. Первое уравнение предназначено для использования в технических целях и воспроизводит данные TEOS-10 по скорости звука морской воды в широком диапазоне параметров водной среды со среднеквадратическим отклонением 0.987 см/с. Второе, более точное, уравнение предназначено для применения в научных целях и воспроизводит данные TEOS-10 по скорости звука в морской воде в океанографическом диапазоне параметров со среднеквадратическим отклонением 0.113 см/с. Уравнения могут быть использованы для решения прямых и обратных расчетных задач. В прямой расчетной задаче по измеренным значениям входных параметров рассчитывается соответствующее им значение скорости звука. В обратной расчетной задаче по измеренным значениям скорости звука и какимлибо двум из трех входных параметров рассчитывается соответствующее им значение неизвестного третьего входного параметра. В результате проведенного исследования экспериментально подтверждена более высокая эффективность использования разработанных уравнений с точки зрения их быстродействия, занимаемой компьютерной памяти и энергопотребления по сравнению с применением Международного уравнения состояния TEOS-10. Разработанные уравнения, алгоритмы и программы для микроконтроллеров являются удобными инструментами для оснащения различных морских платформ и особенно быстродвижущихся подводных аппаратов. Применение этих уравнений позволит получать экспериментальные данные с высокой точностью, выполнять измерения в реальном масштабе времени в условиях быстроменяющейся водной среды, что может быть использовано и для коррекции движения самих подводных аппаратов.

Литература

  • Греков А. Н., Греков Н. А., Сычев Е. Н. Уравнение скорости звука для аномальных зон океанов и морей // Системы контроля окружающей среды. 2016. № 4 (24). С. 27–31.

  • Греков А. Н., Греков Н. А., Сычев Е. Н. Профилографы скорости звука и алгоритм определе­ния плотности воды для океанографического диапазона // Системы контроля окружающей среды. 2017. № 8 (28). С. 11–15. https://doi.org/10.33075/2220-5861-2017-2-11-15.

  • Греков А. Н., Греков Н. А., Сычев Е. Н. Исследование взаимозависимости скорости звука и солености морской воды в уравнении состояния // Системы контроля окружающей среды. 2018. № 13 (33). С. 29–36. https://doi.org/10.33075/2220-5861-2018-3-29-36.
    •  
  • Линник Ю. В. Метод наименьших квадратов и основы математико-статистической теории обработки наблюдений. М.: Физматгиз, 1962. 352 с.

  • Allen J. T., Keen P. W., Gardiner J., Quartley M., Quartley C. A new salinity equation for sound speed instruments // Limnology and oceanography: Methods. 2017. Vol. 15. Iss. 9. P. 810–820. https://doi.org/10.1002/lom3.1020.

  • Belogol’skii V. A., Sekoyan S. S., Samorukova L. M., Stefanov S. R., Levtsov V. I. Pressure dependence of the sound velocity in distilled water // Measurement Techniques. 1999. Vol. 42. No. 4. P. 406–413. https://doi.org/10.1007/bf02504405.

  • Bilaniuk N., Wong G. S. K. Speed of sound in pure water as a function of temperature // J. Acoust. Soc. Am. 1993. Vol. 93. No. 3. P. 1609–1612. https://doi.org/10.1121/1.406819".

  • Chen C.-T., Millero F. J. Precise equation of state of seawater for oceanic ranges of salinity, temperature and pressure // Deep-Sea Res. 1977. Vol. 24. Iss. 4. P. 365–369.  https://doi.org/10.1016/0146-6291(77)96000-3.

  • Coppens A. B. Simple equations for the speed of sound in Neptunian waters // J. Acoust. Soc. Am. 1981. Vol. 69. No. 3. P. 862–863. https://doi.org/10.1121/1.385486.

  • Del Grosso V. A. The Velocity of Sound of Sea water at zero Depth. Naval Research Laboratory Report. 1952. No. 4002. https://doi.org/10.5962/bhl.title.39225.

  • Del Grosso V. A. New equation for the speed of sound in natural waters (with comparisons to other equations) // J. Acoust. Soc. Am. 1974. Vol. 56. No. 4. P. 1084–1091. https://doi.org/10.1121/1.1903388.

  • Fofonoff N. P., Millard R. C. Jr. Algorithms for computation of fundamental properties of seawater // Unesco Tech. Pap. in Mar. Sci. 1983. No. 44. 54 p.

  • Frye H. W., Pugh J. D. A New Equation for the Speed of Sound in Seawater // J. Acoust. Soc. Am. 1971. Vol. 50. No. 1B. P. 384–386. https://doi.org/10.1121/1.1912645

  • Grekov A. N., Grekov N. A., Sychov E. N. New Equations for Sea Water Density Calculation Based on Measurements of the Sound Speed // Mekhatronika, avtomatizatsiya, upravleniye. 2019. Vol. 20. No. 3. P. 143–151. https://doi.org/10.17587/mau.20.143-151.

  • IOC, SCOR and IAPSO, 2010: The international thermodynamic equation of seawater – 2010: Calculation and use of thermodynamic properties. Intergovernmental Oceanographic Commission, Manuals and Guides UNESCO (English). No. 56. 196 p. (Available from http://www.TEOS-10.org).

  • Leroy C. C. Development of Simple Equations for Accurate and More Realistic Calculation of the Speed of Sound in Seawater // J. Acoust. Soc. Am. 1969. Vol. 46. No. 1B. P. 216–226. https://doi.org/10.1016/0041-624x(69)90929-9.

  • Leroy C. C., Robinson S. P., Goldsmith M. J. A new equation for the accurate calculation of sound speed in all oceans // J. Acoust. Soc. Am. 2008. Vol. 124. No. 5. P. 2774–2782. https://doi.org/10.1121/1.2988296.

  • Lubbers J., Graaff R. A simple and accurate formula for the sound velocity in water // Ultrasound Med. Biol. 1998. Vol. 24. No. 7. P. 1065–1068. https://doi.org/10.1016/s0301-5629(98)00091-x.

  • Mackenzie K. V. Nine-term equation for the sound speed in the oceans // J. Acoust. Soc. Am. 1981. Vol. 70. No. 3. P. 807–812. https://doi.org/10.1121/1.386920.

  • Marczak W. Water as a standard in the measurements of speed of sound in liquids // J. Acoust. Soc. Am. 1997. Vol. 102. No. 5. P. 2776–2779. https://doi.org/10.1121/1.420332.

  • Medwin H. Speed of Sound In Water: A Simple Equation for Realistic Parameters // J. Acoust. Soc. Am. 1975. Vol. 58. No. 6. P. 1318–1319. https://doi.org/10.1121/1.380790.

  • Wilson W. D. Extrapolation of the Equation for the Speed of Sound in Sea Water // J. Acoust. Soc. Am. 1962. Vol. 34. No. 6. P. 866. https://doi.org/10.1121/1.1918215.

  • Wood A. B. A Textbook of Sound. Third Edition. Bell, London, 1955. 610 p.
    • Опубликован
    2022-08-29
    Выпуск
    Том 50 № 2 (2022): Океанологические исследования
    Раздел
    Физика океана и климат

    Передача авторских прав происходит на основании лицензионного договора между Автором и Федеральным государственным бюджетным учреждением науки Институт океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук (ИО РАН)