Затухание и рассеяние акустических волн в мелководных волноводах
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… Читать ещё >
Содержание
- 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 дошшх потерь *ю спектрам широкополосных сигналов.*. Т'. Г
- 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
Затухание и рассеяние акустических волн в мелководных волноводах (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
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.
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
1. Предложена методика определения частотной зависимости донных потерь, в также поглощающих и рассеивающих свойств дна по спектрам широкополосных сигналов. Реализация методики проведена для двух моделей: а) модели жидкого однородного дна с феноменологической частотной зависимостью коэффициента затухания без разделения механизмов потерьЬ) модели грунта как двухкомпонентной среды, использующей понятие пористости и новое представление коэффициента затухания, в котором явно разделены эффекты поглощения и объемного рассеяния.
2. Эффективность предложенной методики продемонстрирована на экспериментальном материале, полученном в результате зондирования одного из районов Баренцева моря. Показана возможность использования спектров сигналов для определения параметров грунта: эффективной пористости, коэффициентов поглощения и объемного рассеяния. В частности, для исследуемого района получены согласующиеся с геологическими данными малые значения пористости и поглощения на фоне сильного объемного рассеяния, что отвечает каменистому типу грунта в глинистом заполнителе.
3. В рамках решения задачи дифракции звука на локальных объектах в мелководном волноводе получены общие формулы для рассеянного поля в дальней зоне, основанные на модовом подходе и понятиях функции Грина и плотности источника. Полученные выражения адаптированы для численных расчетов.
4. Разработан комплекс программ, позволяющий при заданной амплитуде рассеяния в неограниченной среде моделировать дифракцию звука на любых пространственно локализованных объектах в волноводе. Отдельно отлажен пакет программ, моделирующий рассеяние на жестком вытянутом сфероиде в волноводе при любых длинах волн и произвольных ориентациях сфероида.
5. Проведены численные расчеты для движущегося сфероида в условиях реальной акустической трассы в Баренцевом море. Проанализированы важнейшие характеристики полученных дифракционных сигналов: амплитуда, длительность, частота заполнения. На основе результатов вычислительного эксперимента проведена оценка пределов применимости некоторых упрощенных моделей волноводной дифракции.
Содержание диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, двух приложений и списка литературы, включающего 82 наименования. Глава 1 и глава 2 посвящены выяснению поглощающих и рассеивающих характеристик дна. В главе 3 решается задача дифракции звука на объекте в волноводе.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Перечислим новые результаты, полученные в диссертационной работе:
1. Предложена методика определения частотной зависимости донных потерь, в также поглощающих и рассеивающих свойств дна по спектрам широкополосных сигналов. Реализация методики проведена для двух моделей: а) модели жидкого однородного дна с феноменологической частотной зависимостью коэффициента затухания без разделения механизмов потерьЬ) модели грунта как двухкомпонентной среды, использующей понятие пористости и новое представление коэффициента затухания, в котором явно разделены эффекты поглощения и объемного рассеяния.
2. Эффективность предложенной методики продемонстрирована на экспериментальном материале, полученном в результате зондирования одного из районов Баренцева моря. Показана возможность использования спектров сигналов для определения параметров грунта: эффективной пористости, коэффициентов поглощения и объемного рассеяния. В частности, для исследуемого района получены согласующиеся с геологическими данными малые значения пористости и поглощения на фоне сильного объемного рассеяния, что отвечает каменистому типу грунта в глинистом заполнителе.
3. В рамках решения задачи дифракции звука на локальных объектах в волноводе получены общие формулы для рассеянного поля в дальней зоне, основанные на модовом подходе и понятиях функции Грина и плотности источника. Полученные выражения адаптированы для численных расчетов.
4. Разработан комплекс программ, позволяющий при заданной амплитуде рассеяния в неограниченной среде моделировать дифракцию звука на любых пространственно локализованных объектах в волноводе. Отдельно отлажен пакет программ, моделирующий рассеяние на жестком вытянутом сфероиде в волноводе при любых длинах волн и произвольных ориентациях сфероида.
5. Проведены численные расчеты для движущегося сфероида в условиях реальной акустической трассы Проанализированы важнейшие характеристики полученных дифракционных сигналов: амплитуда, длительность, частота заполнения. На основе результатов вычислительного эксперимента проведена оценка пределов применимости некоторых упрощенных моделей волноводной дифракции.
Список литературы
- Григорьев В.А., Кузькин В. М. Дифракция акустических волн на жестком вытянутом сфероиде в подводном звуковом канале// Акуст. журн. 1995. Т. 41(3). С. 410−414.
- Григорьев В.А., Кацнельсон Б. Г., Петников В. Г. Частотная зависимость эффективного коэффициента поглощения звука в дне Баренцева моря // Акуст. журн. 1996. Т. 42(5). С. 712−714.
- Григорьев В.А. Определение поглощающих и рассеивающих свойств дна мелководных акваторий // Экономика и естественные науки: Сб. науч. работ аспирантов Воронежского государственного университета. Воронеж: ВГУ, 1999.-С. 89−100.
- Акустика морских осадков: Пер. с англ. / Под ред. Л.Хэмптона. М.: Мир, 1977.-536 с.
- Акустика дна океана: Пер. с англ. / Под ред. У. Купермана и Ф.Енсена. М.: Мир, 1984.-454 с.
- Воловов В.И. Отражение звука от дна океана. М.: Наука, 1993. — 272 с.
- Бунчук A.B., Житковский Ю. Ю. Рассеяние звука дном океана в мелководных районах // Акуст. журн. 1980. Т. 26(5). С. 641−654.
- Эйкал Т. Акустические характеристики морского дна // Акустика морских осадков: Пер. с англ. / Под ред. Л.Хэмптона. М.: Мир, 1977. — С. 407−437.
- Hamilton E.L. Sound attenuation as a function of depth in the sea floor// J. Acoust. Soc. Amer. 1976. Vol. 59(3). P. 528−535.
- Исакович M.А. Общая акустика. M.: Наука, 1973. — 496 с.
- Biot M.A. Theory of elastic waves in a fluid-saturated porous solid. I. Low-frequency range // J. Acoust. Soc. Amer. 1956. Vol. 28(1). P. 168−178.
- Смит Д.Т. Акустические и механические свойства морских осадков // Акустика морских осадков: Пер. с англ. / Под ред. Л.Хэмптона. М.: Мир, 1977.-С. 47−65.
- Hamilton E.L. VpjVs and Poisson ratios in marine sediments and rocks // Ibid.1979. Vol. 66(4). P. 1093−1101.
- Hamilton E.L. Geoacoustic modeling of the sea floor// Ibid. 1980. Vol. 68(5). P. 1313−1340.
- Бреховских Л.М., Лысанов Ю. П. Теоретические основы акустики океана.-Л.: Гидрометеоиздат, 1982. 264 с.
- Ильин A.B. Характеристики дна океана, важные для акустики // Акустика океана. Современное состояние / Ответств. ред. Л. М. Бреховских, И. Б. Андреева. М.: Наука, 1982. — С. 227−242.
- Большой энциклопедический словарь. М.: Большая Российская энциклопедия- СПб.: Норинт, 1997. — 1456 с.
- Ильин A.B., Минеев В. А., Шурко И. И. Новые данные о геологическом строении дна Бразильской котловины // Докл. АН СССР. 1965. Т. 164(6). С. 1366−1369.
- Нешиба С. Океанология. Современные представления о жидкой оболочке Земли: Пер. с англ. -М.: Мир, 1991. -414 с.
- Геологический словарь. (В 2-х томах) / Отв. ред. К. Н. Паффенгольц. М.: Недра, 1973. — Т. 1. (Конкреции). — 487 с.
- Павлидис Ю.А. Шельф Мирового океана в позднечетвертичное время. М.: Наука, 1992.-272 с.
- Мурдмаа И.О. Фации океанов. М.: Наука, 1987. — 304 с.
- Лысанов Ю.П. О геоакустической модели верхнего слоя осадков в мелких морях // Докл. АН СССР. 1980. Т. 251(3). С. 714−716.
- Ивакин А.Н., Лысанов Ю. П. Определение некоторых параметров морских осадков по данным акустического зондирования // Акуст. журн. 1985. Т. 31(6). С. 807−809.
- Сизов И.И. О неоднородностях морского грунта, влияющих на характеристики объемного рассеяния звука // Тр. Акуст. инст. 1967. № 2. С. 131−140.
- Горная энциклопедия. (В 5-ти томах) / Гл. ред. Е. А. Козловский. М.: Сов. энциклопедия, 1989. — Т. 4. (Соляная тектоника). — 623 с.
- Ландау Л.Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика: Учебное пособие. (В 10-ти томах). Т. 4. Гидродинамика. М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. -736 с.
- Чернов Л.А. Волны в случайно-неоднородных средах. М.: Наука, 1975. -172 с.
- Доддс Д.Дж. Оценки поглощения по разрезам дна, полученным профило-графом с высоким разрешением // Акустика дна океана: Пер. с англ. / Под ред. У. Купермана и Ф.Енсена. М.: Мир, 1984. — С. 131−147.
- Кацнельсон Б.Г., Петников В. Г. Акустика мелкого моря, М.: Наука, 1997.- 191 с.
- Владимиров B.C. Уравнения математической физики: Учебник. М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. — 512 с.
- Baggeroer А.В., Kuperman W.A. Matched field processing in ocean acoustics // Acoustic signal processing for ocean exploration / Ed. J.M.F.Moura, I.M.G.Lourtie. Dordrecht- Boston- London: Kluwer Academic Publishers, 1992.-P. 79−114.
- Кузькин B.M., Огурцов A.B., Петников В. Г. Влияние гидродинамической изменчивости на частотные смещения интерференционной структуры звукового поля в мелком море // Акуст. журн. 1998. Т. 44(1). С. 94−100.
- Бункин Ф.В., Кацнельсон Б. Г., Кравцов Ю. А., Кулапин Л. Г., Петников В. Г., Ривелис Е. А., Резников В. М., Сабиров О. И., Сиденко А. В. Усредненные оценки поглощения звука в океанических волноводах малой глубины // Акуст. журн. 1989. Т. 35(1). С. 1−7.
- Hall M.V. Inversion of explosive shallow water transmission loss data to obtain acoustic seabed models //ICA/ASA'98, Seattle, 1998. P. 1635−1636.
- Кравцов Ю.А., Кузькин B.M., Петников В. Г. Приближенный подход к задаче о дифракции волн в многомодовом волноводе с плавно меняющимися параметрами // Изв. вузов. Радиофизика. 1983. Т. 26(4). С. 440−446.
- Кравцов Ю.А., Кузькин В. М., Петников В. Г. Дифракция волн на регулярных рассеивателях в многомодовых волноводах// Акуст. журн. 1984. Т. 30(3). С. 339−343.
- Kravtsov Y.A., Kuz’kin V.M., Petnikov V.G. Wave diffraction by regular scatterers in multimode waveguides // Sov. Phys. Acoust. 1984. V. 30(3). P. 199 202.
- Кузькин B.M. Характеристики акустического дифрагированного сигнала в океаническом волноводе // Акуст. журн. 1997. Т. 43(4). С. 514−520.
- Хёнл X., Мауэ А., Вестфалль К. Теория дифракции: Пер. с нем. / Под ред. Г. Д. Малюженца. М.: Мир, 1964. — 428 с.
- Галишникова Т.Н., Ильинский А. С. Численные методы в задачах дифракции. М.: Изд-во МГУ, 1987. — 207 с.
- Шендеров E.JI. Излучение и рассеяние звука. Л.: Судостроение, 1989.
- Waterman Р.С. New formulation of acoustic scattering // J. Acoust. Soc. Amer. 1969. V. 45(6). P. 1417−1430.
- Bostrom A. Transmission and reflection of acoustic waves by an obstacle in a waveguide // Wave motion. 1980. V. 2. P. 167−184.
- Bostrom A. The T-matrix method for scattering by an obstacle in a waveguide // Acoustic, electromagnetic and elastic wave scattering / Edited by V.V.Varadan, V.K.Varadan. Pergamon, New York, 1980. P. 221−224.
- Tobocman W. Comparison of the T-matrix and Helmkoltz integral methods for wave scattering calculation // J. Acoust. Soc. Amer. 1985. V. 77(2). P. 369−374.
- Hackman R.H., Sammelmann G.S. Acoustic scattering in an inhomogeneous waveguide: Theory // J. Acoust. Soc. Amer. 1986. V. 80(5). P. 1447−1458.
- Hackman R.H., Sammelmann G.S. Long-range scattering in a deep oceanic waveguide// J. Acoust. Soc. Amer. 1988. V. 83(5). P. 1776−1793.
- Hackman R.H., Sammelmann G.S. Multiple-scattering analysis for a target in an oceanic waveguide 11 J. Acoust. Soc. Amer. 1988. V. 84(5). P. 1813−1825.
- Квятковский С.О. Применение метода Т-матриц к задаче о дифракции волн на рассеивателях в многомодовых волноводах // Волны и дифракция-85. IX Всесоюз. симп. по дифракции и распространению волн. Тбилиси: Изд-во Тбилисск. гос. ун-та. 1985. Т. 2. С. 240.
- Квятковский С.О. Дифракция звуковых волн на рассеивателе в волноводе // Акуст. журн. 1988. Т. 34(4). С. 743−745.
- Немцов В.Н., Федорюк М. В. Дифракция звуковых волн на тонком теле вращения в двуслойной жидкости //Акуст. журн. 1986. Т. 32(1). С. 131−134.
- Горская Н.В., Горский С. М., Зверев В. А., Николаев Г. Н., Курин В. В., Хиль-ко А.И. Коротковолновая дифракция в многомодовом слоистом волноводе // Акуст. журн. 1988. Т. 34(1). С. 55−59.
- Горская Н.В., Горский С. М., Зверев В. А. и др. Особенности коротковолновой дифракции звука в многомодовых слоистонеоднородных волноводах// Акустика океана / Под ред. И. Б. Андреевой, Л. М. Бреховских. М.: Наука, 1991. С. 97−110.
- Елисеевнин B.A., Тужилкин Ю. И. Дифракция звукового поля на плоском прямоугольном вертикальном экране в волноводе // Акуст. журн. 1995. Т. 41(2). С. 249−253.
- Вдовичева Н.К., Сазонтов А. Г., Хилько А. И. Дифракция акустического поля на рассеивателе в случайно-неоднородном океане// Акуст. журн. 1998. Т. 44(2). С. 181−191.
- Вдовичева Н.К., Сазонтов А. Г., Хилько А. И. Коротковолновая дифракция акустического поля на жестком рассеивателе в волноводе со взволнованной поверхностью // Акуст. журн. 1998. Т. 44(4). С. 443−450.
- Sakissian A. Method of superposition applied to scattering from a target in shallow water // J. Acoust. Soc. Amer. 1994. V. 95(5). P. 2340−2345.
- Кузькин В.M. Об отражающей способности тела в океаническом волноводе // Формирование акустических полей в океанических волноводах / От-ветств. ред. В. А. Зверев. Н. Новгород: ИПФ АН СССР, 1991. — С. 130−139.
- Горский С.М., Зверев В. А., Матвеев A.JL, Митюгов В. В. Некогерентное накопление сигналов акустической дифракции // Акуст. журн. 1995. Т. 41(2). С. 223−231.
- Зверев В.А., Матвеев A.JL, Митюгов В. В. Согласованная фильтрация откликов акустической дифракции при некогерентном накоплении на вертикальной антенне // Акуст. журн. 1995. Т. 41(4). С. 591−595.
- Матвеев A. JL, Митюгов В. В., Салин Б. М. Экспериментальное наблюдение акустической дифракции // Акустика океана / Сб. трудов школы-семинара акад. Л. М. Бреховских. М.: ГЕОС, 1998. — С. 151−156.
- Кулапин Л.Г. Распространение звука в многомодовых гидроакустических волноводах с поглощающей границей: Дис.. канд. физ.-мат. наук. Воронеж, 1986. — 128 с.
- Белов В.Е., Горский С. М., Хилько А. И. Дифракция акустических волн на упругом циллиндре в многомодовом слоистом волноводе // Волны и дифракция 90. — М.: Физическое общество, 1990. — Т. 1. — С. 378−382.
- Гринблат Г. А., Клещев A.A., Смирнов К. В. Звуковые поля сфероидальных рассеивателей и излучателей в плоском волноводе // Акуст. журн. 1993. Т. 39(1). С. 72−76.
- Клещев A.A. Гидроакустические рассеиватели. СПб.: Судостроение, 1992.
- Конюхова Н.Б., Пак T.B. Дифракция плоской звуковой волны на жестком вытянутом сфероиде // Сообщения по прикладной математике. М.: Вычислительный центр АН СССР, 1985. — 61 с.
- Комаров И.В., Пономарев Л. И., Славянов С. Ю. Сфероидальные и кулонов-ские сфероидальные функции. М.: Наука, 1976. — 319 с.
- Дышко A.JI. Численное нахождение вытянутых угловых сфероидальных функций и соответствующих им собственных значений, а также первых производных этих функций. Информ. бюлл. ВНТИЦентра «Алгоритмы и программы». 1983. № 6. 11 006 572.
- Абрамов A.A., Дышко A.JL, Конюхова Н. Б., Пак Т. В., Парийский Б. С. Вычисление вытянутых сфероидальных функций решением соответствующих дифференциальных уравнений // Ж. вычисл. матем. и матем. физ. 1984. Т. 24(1). С. 3−19.
- Физика. Большой энциклопедический словарь / Гл. ред. A.M. Прохоров. 4-е изд. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1999. — 944 с.
- Федорюк М.В. Рассеяние звуковых волн тонким акустически жестким телом вращения // Акуст. журн. 1981. Т. 27(4). С. 605−609.
- Прудников А.П., Брычков Ю. А., Маричев О. И. Интегралы и ряды. Элементарные функции. М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1981. — 800 с.
- Корн Г. А., Корн Т. М. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1984. — 832 с.
- Uzunoglu N.K., Fikioris J.G. Scattering from an inhomogeneity inside a dielectric-slad waveguide// J. Opt. Soc. Amer. 1982. V. 72(5). P. 628−637.
- Кузькин В.M., Фролова Т. А. Усредненный закон спадания звукового поля протяженной вертикальной антенны в мелком море// Акуст. журн. 1988. Т. 34(5). С. 891−897.