Затухание и рассеяние акустических волн в мелководных волноводах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.06, кандидат физико-математических наук Григорьев, Валерий Анатольевич

• Григорьев, Валерий Анатольевич
• кандидат физико-математических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Григорьев, Валерий Анатольевич

Введение.

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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 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 потерь; Ь) 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 диссертации по теме «Акустика», Григорьев, Валерий Анатольевич

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 потерь; Ь) 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 диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Григорьев, Валерий Анатольевич, 1999 год

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. Список приведен в порядке упоминания в тексте.

5. Акустика морских осадков: Пер. с англ. / Под ред. Л.Хэмптона. М.: Мир, 1977.-536 с.

6. Акустика дна океана: Пер. с англ. / Под ред. У.Купермана и Ф.Енсена. М.: Мир, 1984.-454 с.

7. Воловов В.И. Отражение звука от дна океана. М.: Наука, 1993. - 272 с.

8. Бунчук A.B., Житковский Ю.Ю. Рассеяние звука дном океана в мелководных районах // Акуст. журн. 1980. Т. 26(5). С. 641-654.

9. Эйкал Т. Акустические характеристики морского дна // Акустика морских осадков: Пер. с англ. / Под ред. Л.Хэмптона. М.: Мир, 1977. - С. 407-437.

10. 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.

11. Исакович M.А. Общая акустика. M.: Наука, 1973. - 496 с.

12. 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.

13. 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.

14. Hamilton E.L. VpjVs and Poisson ratios in marine sediments and rocks // Ibid.1979. Vol. 66(4). P. 1093-1101.

15. Hamilton E.L. Geoacoustic modeling of the sea floor// Ibid. 1980. Vol. 68(5). P. 1313-1340.

16. Бреховских Л.М., Лысанов Ю.П. Теоретические основы акустики океана.-Л.: Гидрометеоиздат, 1982. 264 с.

17. 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.

18. Большой энциклопедический словарь. М.: Большая Российская энциклопедия; СПб.: Норинт, 1997. - 1456 с.

19. 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.

20. Нешиба С. Океанология. Современные представления о жидкой оболочке Земли: Пер. с англ. -М.: Мир, 1991. -414 с.

21. Геологический словарь. (В 2-х томах) / Отв. ред. К.Н.Паффенгольц. М.: Недра, 1973. - Т. 1. (Конкреции). - 487 с.

22. Павлидис Ю.А. Шельф Мирового океана в позднечетвертичное время. М.: Наука, 1992.-272 с.

23. Мурдмаа И.О. Фации океанов. М.: Наука, 1987. - 304 с.

24. Лысанов Ю.П. О геоакустической модели верхнего слоя осадков в мелких морях // Докл. АН СССР. 1980. Т. 251(3). С. 714-716.

25. Ивакин А.Н., Лысанов Ю.П. Определение некоторых параметров морских осадков по данным акустического зондирования // Акуст. журн. 1985. Т. 31(6). С. 807-809.

26. Сизов И.И. О неоднородностях морского грунта, влияющих на характеристики объемного рассеяния звука // Тр. Акуст. инст. 1967. №2. С. 131-140.

27. Горная энциклопедия. (В 5-ти томах) / Гл. ред. Е.А.Козловский. М.: Сов. энциклопедия, 1989. - Т. 4. (Соляная тектоника). - 623 с.

28. 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.

29. Чернов Л.А. Волны в случайно-неоднородных средах. М.: Наука, 1975. -172 с.

30. 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.

31. Кацнельсон Б.Г., Петников В.Г. Акустика мелкого моря, М.: Наука, 1997.- 191 с.

32. Владимиров B.C. Уравнения математической физики: Учебник. М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. - 512 с.

33. 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.

34. 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.

35. 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.

36. Hall M.V. Inversion of explosive shallow water transmission loss data to obtain acoustic seabed models //ICA/ASA'98, Seattle, 1998. P. 1635-1636.

37. 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.

38. 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.

39. 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. 199202.

40. Кузькин B.M. Характеристики акустического дифрагированного сигнала в океаническом волноводе // Акуст. журн. 1997. Т. 43(4). С. 514-520.

41. Хёнл X., Мауэ А., Вестфалль К. Теория дифракции: Пер. с нем. / Под ред. Г.Д.Малюженца. М.: Мир, 1964. - 428 с.

42. Галишникова Т.Н., Ильинский А.С. Численные методы в задачах дифракции. М.: Изд-во МГУ, 1987. - 207 с.

43. Шендеров E.JI. Излучение и рассеяние звука. Л.: Судостроение, 1989.

44. Waterman Р.С. New formulation of acoustic scattering // J. Acoust. Soc. Amer. 1969. V. 45(6). P. 1417-1430.

45. Bostrom A. Transmission and reflection of acoustic waves by an obstacle in a waveguide // Wave motion. 1980. V. 2. P. 167-184.

46. 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.

47. 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.

48. Hackman R.H., Sammelmann G.S. Acoustic scattering in an inhomogeneous waveguide: Theory // J. Acoust. Soc. Amer. 1986. V. 80(5). P. 1447-1458.

49. 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.

50. 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.

51. 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.

52. Квятковский С.О. Дифракция звуковых волн на рассеивателе в волноводе // Акуст. журн. 1988. Т. 34(4). С. 743-745.

53. 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.

54. 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.

55. 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.

56. 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.

57. 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.

58. 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.

59. 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.

60. 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.

61. 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.

62. 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.

63. 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.

64. Кулапин Л.Г. Распространение звука в многомодовых гидроакустических волноводах с поглощающей границей: Дис. . канд. физ.-мат. наук. Воронеж, 1986. - 128 с.

65. 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.

66. 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.

67. Клещев A.A. Гидроакустические рассеиватели. СПб.: Судостроение, 1992.

68. 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.

69. Комаров И.В., Пономарев Л.И., Славянов С.Ю. Сфероидальные и кулонов-ские сфероидальные функции. М.: Наука, 1976. - 319 с.

70. 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. 11006572.

71. 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.

72. Физика. Большой энциклопедический словарь / Гл. ред. A.M. Прохоров. 4-е изд. - М.: Большая Российская энциклопедия, 1999. - 944 с.

73. Федорюк М.В. Рассеяние звуковых волн тонким акустически жестким телом вращения // Акуст. журн. 1981. Т. 27(4). С. 605-609.

74. Прудников А.П., Брычков Ю.А., Маричев О.И. Интегралы и ряды. Элементарные функции. М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1981. - 800 с.

75. Корн Г.А., Корн Т.М. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1984. - 832 с.

76. 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.

77. 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.