Распространение низкочастотного звука в случайно-неоднородном мелководном океаническом волноводе

• Автор: Переселков, Сергей Алексеевич
• Шифр специальности: 01.04.06
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Воронеж
• Количество страниц: 263 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

глава 1. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗВУКОВОГО ПОЛЯ

§1.1 Краткое введение

§ 1.2 Пространственно-временная изменчивость звукового канала

1.2.1. Неоднородности водного слоя

1.2.2. Нерегулярности свободной поверхности

1.2.3. Неровности донной поверхности

§ 1.3. Теория распространения звука

1.3.1. Модовое представление звукового поля
1.3.2. Многократное рассеяние звукового поля
1.3.3. Рефракция звуковых волн
1.3.4. Усредненные характеристики поля
§ 1.4. Заключение
ГЛАВА 2. ИНТЕНСИВНОСТЬ ЗВУКОВОГО ПОЛЯ
§ 2.1. Краткое введение
§ 2.2. Когерентность звукового поля
§ 2.3. Влияние интенсивных внутренних волн
2.3.1. Продольное распространение
2.3.2. Поперечное распространение
§ 2.4. Влияние случайно-нерегулярных границ
§ 2.5. Заключение
Глава 3. ИНТЕРФЕРЕНЦИОННАЯ СТРУКТУРА ЗВУКОВОГО ПОЛЯ
§ 3.1. Краткое введение
§ 3.2. Интерференционный инвариант
§ 3.3. Влияние фоновых внутренних волн
§ 3.4. Влияние интенсивных внутренних волн
§ 3.5. Влияние поверхностных волн
§ 3.6. Частотные смещения интерференционной картины
3.6.1. Временные смещения
3.6.2. Пространственные смещения

§ 3.7. Заключение
ГЛАВА 4. ФОКУСИРОВКА ЗВУКОВОГО ПОЛЯ ОБРАЩЕНИЕМ
ВОЛНОВОГО ФРОНТА
§ 4.1. Краткое введение
§ 4.2. Механизм фокусировки поля
§ 4.3. Управление фокусировкой поля
§ 4.4. Управление фокусировкой поля в присутствии внутренних и
поверхностных волн
§ 4.5. Управление реверберационными сигналами в присутствии
внутренних и поверхностных волн
4.5.1 Донная реверберация
4.5.2 Поверхностная реверберация
§ 4.6. Заключение
ГЛАВА 5. АКУСТИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ
§ 5.1. Краткое введение
§ 5.2. Чувствительность мониторинга
§ 5.3. Методы регистрации частотных смещений максимумов поля
§ 5.4. Корреляционный метод регистрации частотных сдвигов
интерференционных максимумов
§ 5.5. Восстановление спектра фоновых внутренних волн
5.5.1. Частотный спектр
5.5.2. Изотропный пространственный спектр
5.5.3. Анизотропный пространственный спектр
§ 5.6. Восстановление временной изменчивости интенсивных
внутренних волн
§ 5.7. Восстановление временной изменчивости ширины
фронтальной зоны
§ 5.8. Заключение
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы.
В настоящее время решение большинства гидрофизических задач, имеющих научное и прикладное значение, связано с использованием звуковых волн, распространяющихся в водной среде. Это вызывает повышенный интерес к исследованию распространения акустических полей в океане. Бурное развитие технической базы гидроакустических средств связи, локации и управления полями с одной стороны позволяет проводить все более точные и крупномасштабные измерения акустических полей в океанической среде, с другой стороны ставит задачу создания более реалистических моделей звуковых полей, позволяющих объяснять и предсказывать регистрируемые в экспериментах акустические эффекты. Океаническая среда характеризуется пространственно-временной изменчивостью, обусловленной внутренними волнами, поверхностными волнами, неровностями донной поверхности и т.д. Любое применение акустических волн в океане является плодотворным, если имеет место связь между вариациями распространяющихся сигналов и характеристиками встречающихся на его пути неоднородностей. Поэтому отыскание таких связей является одним из актуальных направлений в развитии акустики океана. Очевидным приложением данного направления может служить разработка новых методов наблюдения за постоянно меняющейся пространственно-временной структурой среды при помощи дистанционного акустического зондирования.
Распространение звука в случайно-неоднородных средах, к которым относятся и подводные звуковые каналы в океане, является объектом акгивных исследований на протяжении уже нескольких десятков лет. К настоящему моменту в океанической акустике наиболее полное исследование данной проблемы проведено в рамках лучевого подхода, который на низких частотах теряет свою эффективность. Для исследования низкочастотных акустических эффектов необходимо использовать модовый подход. Однако в большинстве работ в рамках модового подхода основное внимание уделено анализу усредненных характеристик звукового поля, сглаженных по масштабу межмодовых биений. При этом, как правило, рассматривались волноводы, характерные для глубоководной океанической среды, либо для

3) Моделирование дельта коррелированного поля яг<;(х,у) с нулевым средним и дисперсией равной единице и расчет спектра:
*5(£>Ф) = —Цг ЯЛо(х’У)схр[ 1&хх + куу)}с1хс1у
(2л)
4) Вычисление случайной величины Ык,ц>) [р(к,ф) — Ь{к,<р)д/Р(к,(р)] и расчет искомого поля л'(г. I) в соответствии с (1.2.29).
Основными исходными экспериментальными данными для предлагаемого алгоритма моделирования ПВ являются: дисперсионное соотношение С1(к) - определяемое глубиной водного слоя; энергетический частотный спекгр 5(0); угловой спектр 0(ф).
По имеющимся в литературе данным (см. обзор [12]) можно сделать вывод, что наиболее подробно экспериментально изучены частотные спектры развитого ветрового волнения. В качестве примера рассмотрим частотный спекгр Пирсона и
Москвитца: 5(0) = СО 6 ехр
-9.Ш2
О и )
, где и — скорость ветра (в м/с),
С = 2.4 м2/с5, у = 9.8 м/с - константы спектра. Для гравитационных волн на поверхности мелкого моря при типичных условиях (скорость ветра ~ 10 — 12 м/с и глубине моря ~ 100 - 200 м) выполняется неравенство Н/Ьпв > 0.5, т.е. радиус корреляции Ьпв вертикальных смещений не превосходит 100 м. Поэтому для получения пространственного спектра р(к, ф) будем использовать дисперсионное соотношение [12]: Сі2 (к) = уНк . В результате придем к следующему выражению для пространст-
венного спектра:

"асхр
и2Нк
В работе будем использовать следующий вид этой функции:

0(ф). (1.2.38)
= Н-”/2. (1.2.40)
О, |ф| < д/2