Интерференционная структура низкочастотного звукового поля на океанском шельфе, страница 2

Автор непосредственно участвовал ввыборенаправлениясамостоятельноипостановкепроводилконкретныхчисленноезадачмоделирование,исследования,обработкуиинтерпретацию экспериментальных данных.Структура и объём диссертацииДиссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, в первой изкоторых даётся обзор литературы по теме диссертации, заключения и спискацитируемой литературы. Общий объём диссертации составляет 126 страниц,включая 50 рисунков и 5 таблиц.

В списке литературы содержится 95наименований.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо Введении обосновывается актуальность выбранной темы диссертации,формулируются цели и задачи диссертационной работы, отмечается научнаяновизна результатов и их практическая значимость, обозначаются положения,выносимые на защиту, приводятся сведения об апробации работы, а такжепредставляется информация о структуре и объёме диссертации.В Главе 1 представлен обзор литературы по теме диссертационнойработы. Описываются основные типы гидродинамических неоднородностей,присутствующих в мелководной среде: приливы, фоновые внутренние волны,поверхностноеволнение,иметодикаихмоделирования.Приводитсяматематическая модель распространения звука в неоднородном волноводе,базирующаясянапредставлениизвукового9поляввидесуммывзаимодействующих нормальных волн (мод).

Рассматриваются факторы,влияющие на потери при распространении акустических волн в мелком море.Даётсяописаниеспособовуправленияинтерференционнойструктуройзвукового поля, основанных на обращении времени (обращении волновогофронта для тональных сигналов). Особое внимание уделяется вопросаммониторинга неоднородностей по смещениям интерференционной структурызвукового поля в частотной области.Глава 2 посвящена исследованию в рамках численного моделированиявлияния случайных фоновых внутренних волн и ветрового поверхностноговолнения на потери при дальнем распространении низкочастотного звука вмелководных волноводах, типичных для Атлантического шельфа США иБаренцева моря в различные сезоны года.

Здесь анализируются измененияпотерь при распространении, обусловленные наличием указанных случайныхнеоднородностей,относительноневозмущённоговолновода.Приэтомвариации интенсивности звукового поля, связанные с интерференционнымиэффектами, не рассматриваются, а изучаются только средние потери прираспространении звука L (r ) , которые определяются как:L (r )  20 lg1P (r ) HHP (r )r 10 lg ,P (rin )rinM pm02(r , z ) dz .(1)(2)mЗдесь rin – опорное расстояние, относительно которого вычисляются потери.Комплексные амплитуды мод p m на расстоянии r и глубине z определяются изрешения системы дифференциальных уравнений для взаимодействующих мод.Второе слагаемое в правой части формулы (1) компенсирует уменьшениеамплитуды звукового поля, обусловленное цилиндрическим расширениемфронта акустической волны.

С помощью формул (1) и (2) оцениваетсяуменьшение средней амплитуды звукового поля P (r ) точечного источника срасстоянием, связанное исключительно с поглощением звука в морском дне,10которое является основной причиной затухания низкочастотных акустическихволн в мелком море. При этом под средней амплитудой понимается амплитудаполя, усредненная не только по всей глубине волновода H , но и по расстояниюr , определяемому периодом интерференционных биений, что исключаетвозможные интерференционные эффекты.

Глубина волновода полагаетсяпостоянной и равной 80 м на Атлантическом шельфе США и 120 м вБаренцевом море.S(Ω), м2ч210010-210-410 -21010-1010Ω, ц/ч101102Рис.1. Частотный спектр колебаний термоклина в поле ВВ с указанием 90 %-хдоверительных интервалов.Моделирование поля внутренних волн в этой и последующих главахосуществляется с использованием спектра колебаний термоклина (рис.1),полученного автором при обработке уникальных долговременных записейфлуктуаций температуры водной среды, зарегистрированных термисторнымицепочками в натурном эксперименте Shallow Water ’06, который проводился наоткрытом океанском шельфе, где внутренние волны особенно интенсивны.РеализацииветровогоэмпирическомуспектруповерхностноговолненияПирсона-Неймана.Расчётрассчитываютсяслучайныхпополейвозмущений проводится по алгоритму, описанному в [10].Потери при распространении L (r ) анализируются для двух ситуаций:когда источник звука находится на глубине максимума первой, наименее11затухающей моды звукового поля и когда источник расположен на дневолновода.

В последнем случае первая мода возбуждается слабее остальных.УсредненныепоансамблюреализацийзависимостиL (r )длявозмущённых волноводов и зависимости L (r ) для невозмущённых показаны нарис.2 для частоты 500 Гц. Расчеты демонстрируют, что случайные возмущенияпараметров волновода качественно не нарушают законы спадания звуковогополя, полученные для волновода без возмущений, хотя в количественномотношении влияние случайных неоднородностей хорошо заметно.Баренцево мореАтлантический шельф(r), дБ0лето 40м(r), дБ0зима 60м-5зима 40м-10-10лето 100м-20-15зима 120м-20зима 80м-30-25-40-30лето 80м050-50-35100r, кмлето 120м-40150050100r, кмнет возмущенийвнутренние волныповерхностное волнение (ветер 12 м/с)-60150Рис.2.

Потери при распространении звука с частотой 500 Гц при наличии поверхностныхволн (ветер 12 м/с), фоновых внутренних волн и в среде без неоднородностей. Рядом сзависимостями указаны время года и глубина расположения источника звука.Влияние поверхностного волнения в зимнее время года на Атлантическомшельфе при скорости ветра 12 м/с приводит к увеличению потерь прираспространениина4.6±0.2 дБ(доверительныйинтервал соответствуетвероятности 90 %) на дистанции 150 км и на частоте 500 Гц.

Однако приуменьшении скорости ветра до 9 м/с поправка снижается до 0.9±0.1 дБ. В12Баренцевом море влияние поверхностных волн более слабое, что обусловленобольшей глубиной волновода. Летом в обеих акваториях сезонный термоклин“экранирует” звуковой канал от морской поверхности вне зависимости отскорости ветра и ветровые волны практически не влияют на потери энергии придальнем распространении звука.Фоновые внутренние волны могут приводить как к увеличению потерь прираспространении, так и к их уменьшению. Когда источник звука расположен наглубине максимума первой моды звукового поля потери увеличиваются на2.0±0.2 дБ на частоте 500 Гц.

При установке источника на морское дновнутренние волны обеспечивают снижение затухания. Это объясняется тем, чтопо мере распространения звука за счет внутренних волн имеет место перекачкаэнергии в первую слабозатухающую моду звукового поля. Уменьшение потерьпри распространении звука с частотой 500 Гц при этом достигает 6.7±2.1 дБ.При снижении частоты излучения до 100 Гц внутренние волны не сказываютсяна потерях при распространении, но влияние ветрового волнения остаётсязаметным.В Главе 3 в численных экспериментах рассматриваются вопросы качестваи пространственно-временной устойчивости фокусировки звукового поля,полученной с помощью обращения волнового фронта (ОВФ) и временногообращения волн (ВОВ), в типичных мелководных волноводах со случайнымифоновыми внутренними волнами и ветровым поверхностным волнением.

Дляоценки качества фокусировки используется коэффициентK  P(rfoc , z foc )P( r , z ) ,называемый фактором фокусировки, гдезвукового поля в фокусном пятне,P( r , z )P(rfoc , z foc )(3)- средняя амплитуда- средняя амплитуда поля внефокусного пятна.При моделировании ОВФ используются квазигармонические сигналы счастотами 100, 200 и 300 Гц, при ВОВ – сигнал с линейной частотной13модуляцией в полосе 100-300 Гц длительностью 5 с. Расстояние до точкифокусировки составляет 5-30 км.Исследуется возможность определения вариаций длины стационарнойакустической трассы по изменению фазы звукового поля в фокусном пятне.В параграфе 3.1 приводятся оценки качества фокусировки в зависимостиот параметров обращающей вертикальной антенны.0.50ОВФz, мK = 2.98(а)204060200 Гц9.89.91010.1z, м(в)39 м10r, км(б)204060200 Гц9.89.9ВОВ2040609.9K = 2.9210.2K = 2.639.8110.11010.110.2K = 2.26(г)20406039 м10.29.89.910r, км10.110.2Рис.3.

Амплитуда звукового поля в окрестности фокусного пятна на расстоянии 10 км иглубине 40 м. (а) – фокусировка на частоте 200 Гц с помощью 24-хэлементной антенны,перекрывающей весь волновод, с расстоянием между элементами 3 м, (б) – то же, что и (а),но с расстоянием 12 м. (в) – фокусировка сигнала в полосе 100-300 Гц с использованиемодиночного приёмно-излучающего элемента на глубине 39 м, (г) – то же, что и (в), но вполосе 195-205 Гц. Над каждым рисунком указаны значения фактора фокусировки.Для фокусировки квазигармонических сигналов с помощью ОВФприменяютсяразличнойдискретныедлиныисвертикальныеразличнымприёмно-излучающиерасстояниеммеждуантенныэлементами.Демонстрируется, что при использовании антенны, перекрывающей весьволновод по глубине, для получения фокусного пятна с минимальным уровнемпобочных максимумов нет необходимости располагать элементы черезполдлины волны излучаемого сигнала, как это обычно делается для дискретныхантенн в свободном пространстве, а можно увеличить это расстояние до14величины, равной половине вертикального размера фокусного пятна по уровню0.7 (см., например, рис.3(а,б) и рис.4(а)).