Затухание и рассеяние акустических волн в мелководных волноводах

• Автор: Григорьев, Валерий Анатольевич
• Шифр специальности: 01.04.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Воронеж
• Количество страниц: 119 с. : ил.

Глава 1. Обзор экспериментальных данных и построение модели дна
1.1. Геоакустические свойства морских осадков в мелководных районах Мирового океана
1.2. Построение модели дна
Глава 2. Определение поглощающих и рассеивающих свойств дна по спектрам широкополосных сигналов
2.1. Математическое описание звукового поля в мелководном волноводе
2.2. Методика определения донных потерь %ю спектрам широкопо-лосных сигналов
Глава 3. Рассеяние звука на локальных объектах, расположенных в водном слое мелководных волноводов
3.1. Вывод общих формул
3.2. Рассеяние на жестком вытянутом сфероиде
A. Теоретическая часть
B. Параметры расчетной задачи
C. Результаты расчетов
Заключение
Приложение 1. Зависимость полного коэффициента объемного рассеяния
от частоты при рассеянии на существенно анизотропных неоднородностях
Приложение 2. Условия соответствия между функцией Грина волновода
и функцией Грина бесконечного однородного пространства
Литература

Актуальность, цель и основные задачи диссертации. Активное освоение шельфовой зоны Мирового океана (поиск и разработка полезных ископаемых, интенсивные судоходство и рыболовство на шельфе и т.д.) ставит перед современной гидроакустикой проблемы дистанционного исследования, дальней локации и мониторинга мелких морей. В рамках этих проблем весьма актуальны вопросы влияния морского дна и локальных подводных объектов на характеристики дальнего акустического поля в мелководном волноводе. Исследование этих вопросов является целью диссертации.
Основными факторами влияния морских осадков служат их поглощающие и рассеивающие свойства, что в совокупности приводит к затуханию энергии акустических волн. В связи с этим, для ряда прикладных задач (например, для задач томографии) необходимо использование таких геоакустических моделей дна, которые были бы одновременно и простыми, и адекватно описывали бы процесс затухания звука в определенных диапазонах частот. При этом особую ценность представляют содержательные модели, которые позволяют не только верно описывать экспериментальный материал, но и заключают в себе физически ясные параметры грунта, такие, как пористость, коэффициенты поглощения и объемного рассеяния, которые могут быть определены в результате сопоставления теории и эксперимента.
Влияние пространственно локализованных объектов, расположенных в водном слое волновода, проявляется в возмущении излученного источником акустического поля и связано с процессом рассеяния (дифракции) звука на

объекте. Для задач гидролокации и мониторинга водной среды чрезвычайно важно знание характеристик рассеянного поля и их связь с параметрами объекта. Например, в последнее время широко обсуждается дифракционно-теневая (просветная) методика локации, когда движущийся объект пересекает линию источник-приемник. По этой схеме можно фиксировать прохождение айсбергов (наблюдая акустическую дифракцию от подводной части) и по их перемещению судить о скорости течения.
Задача дифракции звукового поля на локальном теле в волноводе, поставленная в общем виде, является достаточно сложной. Единичные примеры прямого численного решения этой проблемы не дают к настоящему времени полной картины процесса рассеяния. Теоретические работы, в частности, по теневой локации, проведенные в рамках упрощенной модели, когда движение объекта в волноводе рассматривается как перемещение точки (или отрезка) по горизонтальной плоскости, также остаются в большой степени неподтвержденными. Таким образом, назрела необходимость в создании эффективного комплекса программ, позволяющего осуществить широкомасштабный вычислительный эксперимент по волноводной дифракции в условиях реальной акустической трассы. Поставленная задача может быть решена при использовании подходящих приближенных методов решения волновых уравнений и в полной мере может быть промоделирована для объектов с известной амплитудой рассеяния в неограниченном пространстве. В частности, представляет интерес моделирование рассеяния звука на жестком вытянутом сфероиде в волноводе при любой частоте излучения и произвольных ориентациях сфероида.
Оба класса задач: исследование влияния морского дна и локальных подводных объектов на дальнее акустическое поле, — рассматриваются в работе в рамках единого математического аппарата, основанного на модовом представлении поля.

формулам (1.1) и (1.2) найти плотность грунта и скорость звука в нем. Что касается эмпирической связи пористости с коэффициентом поглощения, определяемой выражением (1.4), то, как отмечалось в главе 1, из-за большого разброса экспериментальных данных, собранных по всему Мировому океану (рис. 1), вычисление поглощения по усредненной формуле (1.4) может сильно отличаться от реальных результатов, соответствующих конкретному району. Поэтому коэффициент поглощения (а точнее удельный коэффициент поглощения /?лу) лучше положить неизвестным, т.е. также требующим определения наряду
с пористостью и другими параметрами модели.
Экспериментальной базой как в настоящем исследовании, так и в первоначальном варианте апробации методики в [3], служили данные зондирования Баренцева моря, проводимого научно-исследовательскими суднами (НИС) “Академик Йоффе” и “Академик Сергей Вавилов” осенью 1990 года. Зондирование осуществлялось с помощью излучателя поршневого типа, возбуждающего широкополосные импульсные сигналы с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) в полосе 25-95 Гц. Иначе говоря, спектр излучаемого сигнала характеризовался практически постоянным значением в указанной полосе частот. Было последовательно излучено 100 импульсов. Продолжительность каждого импульса составляла 40 с, а период повторения был равен 60 с. Излучатель звука был опущен на глубину 70 м с борта НИС “Академик Йоффе”, растянутого на двух рейдовых бочках. Прием осуществлялся на заякоренный гидрофон, расположенный на расстоянии 18.5 м от дна, который был опущен с борта другого судна, также растянутого на бочках. Расстояние между суднами составляло 13.82 км. Глубина моря слабо менялась по трассе и была равна Н «170 м. Усредненный профиль скорости звука в водном слое, измеренный в точке излучения, показан на рис. 6.