Частотные смещения интерференционных максимумов звукового поля в мелководных океанических волноводах

• Автор: Куцов, Михаил Викторович
• Шифр специальности: 01.04.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Воронеж
• Количество страниц: 94 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение

Глава 1. Интерференция звука в мелком море

§ 1.1. Краткое введение

§ 1.2. Модовое описание звукового поля

§ 1.3. Океанические неоднородности

§ 1.4. Интерференционная структура звукового поля

§ 1.5. Частотные смещения интерференционных максимумов

1.5.1. Временные частотные смещения

1.5.2. Пространственные частотные смещения

1.5.3. Методы измерений частотных смещений

§ 1.6. Мониторинг океанической среды
§ 1.7. Заключение
Глава 2. Пространственная интерференция нормальных волн
§ 2.1. Краткое введение
§ 2.2. Частотные смещения
2.2.1. Поперечное разнесение
2.2.2. Продольное разнесение
§ 2.3. Статистические характеристики акустических полей
2.3.1. Флуктуации интерференционного инварианта
2.3.2. Флуктуации фазы
§ 2.4. Заключение
Глава 3. Влияние поверхностного волнения на интерференционную картину
§ 3.1. Краткое введение
§ 3.2. Вариации интерференционного инварианта
§ 3.3. Временной спектр частотных смещений
§ 3.4. Связь временных спектров частотных смещений и поверхностного волнения
§ 3.5. Заключение

Глава 4. Частотные смещения в присутствии солитона внутренних волн
§ 4.1. Краткое введение
§ 4.2. Многомодовый режим распространения
§ 4.3. Маломодовый режим распространения
4.3.1. Движение солитонов вдоль акустической трассы
4.3.2. Движение солитонов под углом к акустической трассе
4.3.3. Восстановление характеристик солитона
§ 4.4. Заключение
Глава 5. Восстановление интерференционной картины однотипных мод
§ 5.1. Краткое введение
§ 5.2. Выделение составляющих интерференционной структуры
5.2.1. Двумерная интерференционная картина
5.2.2. Одномерная интерференционная картина
§ 5.3. Частотные смещения однотипных мод
§ 5.4. Заключение
Заключение
Список литературы
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы
Разработка перспективных методов мониторинга акваторий Мирового океана на протяжении многих лет является предметом активных теоретических и экспериментальных исследований [1,2]. Всякая технико-экономическая деятельность под водой требует детальной информации о процессах, происходящих в глубине акватории. Прибрежной зоне свойственны сложные гидрологические нестационарные процессы. Оперативный мониторинг этой изменчивой ситуации весьма важен как с общеэкономической точки зрения, так и с точки зрения безопасности осуществления тех гаи иных подводных работ. Поэтому возможность, хотя бы частичного решения этой задачи акустическими средствами представляется весьма актуальной.
Традиционный подход к мониторингу океанических неоднородностей основан на многоракурсном облучении исследуемой акватории с последующим восстановлением двумерной или трехмерной картины распределения параметров среды, а в качестве исходной информации используются результаты измерения времени, амплитуды и фазы звуковых сигналов [3-5], распространяющихся вдоль лучевых (гаи модовых) траекторий. Результаты модельного восстановления возмущений водной среды представлены, например, в [6-9]. Реализация такого подхода связана с идентификацией лучей (гаи мод) с использованием адиабатического приближения, что не всегда выполнимо в условиях мелководного распространения.
В последнее время для решения обратной задачи получили развитие методы акустической интерферометрии. Многолетняя работа в данном направлении привела к представлению о стабильности и информативности такой характеристики интерференционной картины, как частотные смещения интерференционных максимумов (частотные смещения) волнового поля [10, 11]. Частотный сдвиг определяет смещение частоты излучения, необходимое для выравнивания изменений фаз мод, разфазировка которых вызвана изменениями условий распространения. Данная особенность обусловлена волноводной дисперсией, т.е. различием в частотной зависимости постоянных распространения разных мод.
Частотные смещения чувствительны к изменениям океанической среды, вызванным различного вида неоднородностями, что позволяет на основе этой информации осуществлять направленный мониторинг неоднородностей различной природы в мелководной океанической среде [12]. Весьма важно, что данный подход позволяет проводить мониторинг одновременно нескольких возмущений разной физической природы [13]. При этом имеется возможность восстановления не только определенных значений тех гаи иных параметров неоднородностей,

таких фильтров определяется отношением гг/Агх, г2х/Агх, г2у/Агу где Дгху- - радиусы корреляции поля а(г) в направлении осей х,у (для анизотропных полей радиусы корреляции по разным направлениям неодинаковы). Ширина спектра Ачху и радиус корреляции Агху связаны соотношением .“неопределенности” (размытости): АчхАгх > 1, ДууДгу > 1 [56]. При этом коротко-коррелированным полям (Дгху малы) соответствуют широкие пространственные спектры (Ду*,у велики), тогда как при больших радиусах корреляции (долго-коррелировшшые поля) ширина спектра мала. Таким образом, функции Т12 в тон или иной мере сужают спектр входного воздействия и, следовательно, уменьшают средний квадрат флуктуаций частотного сдвига. Характер фильтрации зависит от удаленности точек наблюдения и их расположения по отношению к полю возмущения. Можно пояснить это также следующим образом. Уменьшение длины возмущения вдоль трассы усиливает частоту изменения его знака, что приводит к более частым случайным перескокам фазы на л и, следовательно, к уменьшению интенсивности флуктуаций частотных смещений. Функции Г1)2 описывают механизм сглаживания этих флуктуаций.
Рассмотрим случай низкочастотной (длинноволновой) области возмущения и сравнительно короток трасс, когда выполняются условия £12 < тт/4. Тогда можно считать Г12 « 1 и выражение (2.8) упрощается

= Ъгг - г*)2 I ра(у)й2V = Ь2(г2 - Г1Уо1, о1= I ^(у)сг2у, (2-9)
— 00 —со
т.е. интенсивность флуктуаций частотного сдвига определяется дисперсией ст| возмущения а(г) и не зависит от ориентации положения точек наблюдения по отношению к его направлению распространения; при этом разность расстояний до точек наблюдения дается соотношением (2.4). Это можно пояснить следующим образом. В длинноволновой области дифракция слабо зависит от ориентации неоднородностей анизотропной среды по отношению к направлению распространения звуковой волны. С уменьшением длины волны и увеличением расстояния, проходимого волной в такой' среде, дифракционные эффекты возрастают и накапливаются, что делает их зависимыми от длины и направления расположения точек наблюдения относительно расположения неоднородностей. Очевидно, что оценку (2.9) можно
рассматривать как оценку сверху для среднего квадрата флуктуаций частотного сдвига|ДП|2.
Обратимся к вопросу о спектральном разложении Рд(у) поля положений максимумов П(г). Как известно [56], спектральное разложение и структурная функция связаны соотношением