Интерференционная структура низкочастотного звукового поля на океанском шельфе (1103071)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

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.

Характеристики

Тип файла PDF

PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.

Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.

Список файлов диссертации