Интерференционная структура низкочастотного звукового поля на океанском шельфе

На правах рукописиУДК 551.463.21 : 534.2ЛУНЬКОВ Андрей АлександровичИНТЕРФЕРЕНЦИОННАЯ СТРУКТУРАНИЗКОЧАСТОТНОГО ЗВУКОВОГО ПОЛЯНА ОКЕАНСКОМ ШЕЛЬФЕСпециальность 01.04.06 акустикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание учёной степеникандидата физико-математических наукМосква - 2012Работа выполнена в Научном центре волновых исследований Института общейфизики им. А.М. Прохорова Российской академии наукНаучный руководитель:доктор физико-математических наук,Петников Валерий ГеоргиевичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессор Есипов Игорь Борисовичкандидат физико-математическихнаук, доцент Сергеев СергейНиколаевичВедущая организация:Институт прикладной физикиРоссийской академии наукЗащита диссертации состоится « 22 » ноября 2012 года в 16 часов назаседанииДиссертационногосоветаД 501.001.67вМосковскомгосударственном университете имени М.В.

Ломоносова по адресу: 119991,г. Москва, ГСП-1, Ленинские горы, д. 1, стр. 2, МГУ, физический факультет,Южная физическая аудитория.С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке физическогофакультета МГУ имени М.В. Ломоносова.Автореферат разослан « » октября 2012 года.Учёный секретарьДиссертационного совета Д 501.001.67кандидат физико-математических наук2А.Ф.

КОРОЛЕВОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыАкустика играет очень важную роль в исследовании и освоении океана.Электромагнитные волны, которые хорошо распространяются в атмосфере,быстро затухают в водной среде. В отличие от электромагнитных, акустическиеволны на низких частотах (до 500 Гц) могут распространяться под водой насотни и даже тысячи километров. Дистанционное зондирование и передачаинформации в океане осуществляются главным образом с помощьюакустических сигналов.В подводной акустике в особую область, называемую акустикой мелкогоморя [1], выделяют исследования распространения звука в шельфовых зонахМирового океана, где глубина моря не превышает нескольких сотен метров.Это связано, во-первых, с важностью изучения и разработки самого шельфа,который является источником огромного количества ресурсов: биологических,энергетических, минеральных и т.д.

Во-вторых, в мелководных акваториях, вотличие глубокого океана, нельзя пренебрегать взаимодействием акустическихволн с дном, которое существенно сказывается на затухании звука. При этомналичие случайных и регулярных неоднородностей различной природы иразных пространственно-временных масштабов, характерных для океанскогошельфа, ещё больше усложняет картину формируемого в мелком морезвукового поля.Получение акустических полей с определёнными характеристиками иуправление их интерференционной структурой – это задачи, активно решаемыев настоящее время. К ним можно отнести проблемы излучения сигналов,соответствующих отдельным волноводным модам [2], и фокусировку звука [3],при которой происходит формирование «глобального» интерференционногомаксимума (фокусного пятна) в заданной точке волновода. Такие задачирешаются с использованием пространственно развитых излучающих систем,обычно, вертикальных антенн.

В случае фокусировки с помощью алгоритмов3обращения времени (обращения волнового фронта для тональных сигналов)необходимо применять приёмно-излучающие системы. Важно отметить, чтодля получения фокусного пятна при обращении широкополосного сигналаиспользованиеразвитыхсистемнеявляетсяобязательным–можноограничиться одиночным приёмно-излучающим элементом [4]. Исследованиевозможностей такой фокусировки представляется весьма актуальной задачей,что обусловлено простотой реализации этого метода на практике.Значительным мешающим фактором при решении подобных задачявляется естественная пространственно-временная изменчивость морскойсреды, которая приводит к вариациям характеристик звуковых полей.

Наиболеетипичнымиисточникамивозмущенийвмелководнойсредеявляютсяприливные волны, ветровое поверхностное волнение и внутренние волны.Поэтому перед установкой той или иной гидроакустической системы требуетсяпредварительная оценка её возможностей в изменяющейся среде, в том числе ирадиуса действия, который определяется величиной затухания звука.С другой стороны, флуктуации параметров звукового поля несут в себеинформацию об имеющихся на трассе неоднородностях, что может бытьиспользовано для их диагностики и мониторинга.

К классическим методаммониторинга относится подход, основанный на регистрации времен задержекакустических сигналов [5], отвечающих различным волноводным модам.Существенным недостатком этого подхода является необходимость разделенияотдельных мод, что не всегда возможно. Однако в последнее времяразвиваются и становятся всё более популярными методы акустическойинтерферометрии[6-8],которыелишеныэтогонедостатка.Наиболеепривлекательным из них с точки зрения простоты применения и в то же времяинформативности является метод, основанный на отслеживании частотныхсмещений интерференционных максимумов звукового поля, регистрируемыхна стационарной акустической трассе (ЧСИМ-мониторинг). Отметим, чтоработоспособность этого подхода к мониторингу оценивалась только дляслучаев, когда в среде доминирует один тип возмущения (внутренние волны,4баротропный прилив или изменение ширины фронтальной зоны).

Развитиеподобного подхода применительно к мониторингу одновременно несколькихвозмущенийразнойфизическойприродыявляетсяактуальнойивостребованной на практике задачей.В последние два десятилетия было организовано несколько уникальныхкрупномасштабных акусто-океанографических экспериментов в шельфовыхзонах Мирового океана, одним из которых являлся эксперимент ShallowWater ’06 [9], проведённый на Атлантическом шельфе США и данные которогообрабатывались при подготовке диссертации.

В этом эксперименте в течениедлительного времени (около 1.5 месяцев) регистрировались как звуковыесигналы на различных акустических трассах, так и подробная информация осостоянии среды распространения звука. Данные подобных натурныхизмерений позволяют не только выявлять важные закономерности прираспространении звука в изменяющейся среде, но и проверять и отрабатыватьновые подходы к акустическому мониторингу. Обработка таких данныхпомогает при построении адекватных моделей распространения звука в среде снеоднородностямиивыбореэффективныхпараметровволновода,используемых при численном моделировании.Цели диссертационной работыИзучение интерференционной структуры звукового поля, полученной спомощью временного обращения волн и обращения волнового фронта, вмелководном волноводе с пространственно-временной изменчивостью.Исследованиевозможностивосстановленияпараметровразличныхвозмущений по смещениям интерференционных максимумов звукового поля вчастотной области.Объект исследованияНизкочастотные (100-500 Гц) звуковые поля в мелком море в присутствиигидродинамических возмущений.5Предмет исследованияФормирование и изменчивость интерференционной структуры звуковогополя в пространственной и частотной областях при наличии неоднородностей.Задачи исследованияДля достижения указанных целей были поставлены следующие задачи:Оценка потерь при дальнем распространении звука в мелководной среде сфоновыми внутренними волнами и ветровым поверхностным волнением.Исследование зависимости качества фокусировки акустического поля отпараметров обращающей системы.Анализ пространственно-временной устойчивости фокусного пятна приналичии внутренних и поверхностных волн.

Разработка алгоритмов повышенияустойчивости.Определениесвязимеждуспектромчастотныхсмещенийинтерференционных максимумов звукового поля и спектром вариацийдисперсионной характеристики волновода в случайно-неоднородной среде.Изучение возможности одновременной оценки интегральных параметроввозмущений разной физической природы по частотным смещениям.Методы исследованияРешение поставленных задач осуществлялось в рамках численногомоделирования дальнего распространения низкочастотного звука в мелкомморе, используя теорию взаимодействующих мод, а также при обработкеданных натурных экспериментов.Научная новизнаВ рамках исследований впервые:показано, что фоновые внутренние волны и ветровое поверхностноеволнение приводят к значительному изменению (до ±7 дБ) средних потерь придальнем (до 150 км) распространении низкочастотного звука в мелком море;исследованапространственно-временнаязвукового поля обращением времени;6устойчивостьфокусировкипредложены и апробированы алгоритмы повышения качества фокусировкипри использовании одиночного обращающего элемента;проведена оценка флуктуаций фазы в фокусном пятне, полученном приобращенииволновогофронта,вусловияхкороткопериодных(< 1 ч)внутренних и поверхностных волн;получена теоретическая связь между спектром частотных смещенийинтерференционных максимумов звукового поля и спектром вариацийдисперсионнойхарактеристикивслучайно-неоднородномволноводесанизотропным полем возмущений;продемонстрированавозможностьодновременноговосстановлениясредних по трассе параметров баротропного и бароклинного приливов поуказанным частотным смещениям.Практическая значимостьПолученные результаты могут быть использованы для:оценки работоспособности систем крупномасштабного акустическогомониторинга и дальней звукоподводной связи в мелком море;оптимизации параметров гидроакустических систем, работающих напринципе временного обращения волн;акустической диагностики неоднородностей и измерения вариаций длиныстационарной акустической трассы.Основные положения, выносимые на защиту1.Фоновые внутренние волны и ветровое поверхностное волнение могутизменять средние потери при дальнем распространении звука на океанскомшельфе.2.Дляфокусировкиквазигармоническогозвуковогополяможноиспользовать обращение волнового фронта акустических волн, осуществляемоена вертикальной линейной приёмно-излучающей антенне, перекрывающейбольшую часть мелководного волновода и расстояние между элементамикоторой превышает половину длины звуковой волны.73.Фокусировка звука временным обращением волн в мелком море спомощьюточечногоприемно-излучающегоэлементавозможнаприотносительной ширине полосы акустических сигналов меньше единицы.Устойчивость фокусного пятна существенным образом зависит от случайныхгидродинамических возмущений, связанных с фоновыми внутренними волнамии поверхностным волнением.4.Минимальные флуктуации фазы сфокусированного квазигармоническогозвукового поля наблюдаются в фокусном пятне, что позволяет измерятьвариации длины стационарной акустической трассы фазовыми методами снаибольшей точностью.5.Временной (частотный) спектр частотных смещений интерференционнойструктуры звукового поля, регистрируемых на стационарной акустическойтрассе,зависитотпространственно-временныххарактеристикполявозмущений.6.Возможна независимая оценка амплитуды баротропного и бароклинногоприливов по частотным смещениям интерференционных структур звуковыхполей, отвечающих различным группам волноводных мод.Достоверность результатовДостоверностьполученныхрезультатовподтверждаетсячисленныммоделированием и данными натурных экспериментов.Апробация работыРезультаты, полученные в диссертации, докладывались и обсуждались наследующих научных конференциях: XIX (2007, Нижний Новгород), XXII (2010,Москва), XXIV (2011, Саратов) сессиях Российского акустического общества,XII (2009, Москва) и XIII (2011, Москва) школах-семинарах им.

акад.Л.М. Бреховских, 9-й (2008, Париж, Франция) и 10-й (2010, Стамбул, Турция)Европейскихконференцияхпоподводнойакустике,158-йсессииАмериканского акустического общества (2009, Сан-Антонио, Техас, США),XIII школе молодых учёных «Актуальные проблемы физики» (2010,Звенигород).8Публикации по теме диссертацииОсновное содержание диссертационной работы отражено в 22 печатныхработах, 8 из которых опубликовано в рецензируемых журналах, включенных вперечень ВАК.Личный вклад автораВсе представленные в диссертации результаты получены автором личноили при его непосредственном участии.