Распространение низкочастотного звука в случайно-неоднородном мелководном океаническом волноводе (04.04.2011)

Автор: Переселков Сергей Алексеевич

УДК 534.24

ПЕРЕСЁЛКОВ Сергей Алексеевич

РАСПРОСТРАНЕНИЕ НИЗКОЧАСТОТНОГО ЗВУКА

В СЛУЧАЙНО-НЕОДНОРОДНОМ МЕЛКОВОДНОМ

ОКЕАНИЧЕСКОМ ВОЛНОВОДЕ

Специальность 01.04.06 – Акустика

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

диссертация на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Воронеж – 2011

Работа выполнена на кафедре математической физики Воронежского государственного университета

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: доктор физико-математических наук,

профессор В.А. Буров

доктор физико-математических наук, А.Л. Вировлянский

доктор физико-математических наук,

А.Н. Рутенко

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ: Учреждение Российской Академии Наук Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, г. Москва

Защита состоится “___” _________ 2011 г. в ______ часов на заседании Диссертационного совета Д-002.063.01 в Учреждении Российской академии наук Институте общей физики им. А.М. Прохорова РАН по адресу: 119991, г. Москва, ГСП-1, ул. Вавилова, 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института общей физики РАН

Автореферат разослан “____” ____________ 2011 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д-002.063.01

доктор физико-математических наук И.А. Маслов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 активных 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 мелкого моря использовались идеализированные модели мелководной океанической среды.

Таким образом, в настоящее время представляется актуальным в рамках модового подхода исследовать влияние пространственно-временной изменчивости мелководной океанической среды на распространение низкочастотного звукового поля. Данное исследование требует построения реалистичных моделей формирования акустических неоднородностей звукового канала и установления механизмов флуктуаций звукового поля, вызванных ими. Наиболее полным источником информации о структуре возмущения служит интерференционная картина поля, анализ которой позволяет развить новые подходы к мониторингу океанических неоднородностей. Интерференционная структура звукового поля является характеристикой наиболее чувствительной к изменчивости среды распространения. Устойчивые особенности в формировании интерференционной структуры в случайно-неоднородном звуковом канале позволяют решать ряд важных задач: во-первых, управлять прямыми звуковыми полями на основе принципа обращения волнового фронта, обеспечивая при этом компенсацию влияния неоднородностей океанической среды; во-вторых, управлять реверберационными сигналами – случайной составляющей звукового поля, вызванной обратным рассеянием на неоднородностях звукового канала; в-третьих, устанавливать связь между параметрами звуковых сигналов и характеристиками неоднородностей звукового канала, что может быть использовано при разработке новых подходов к мониторингу океанической среды.

Целью работы является:

• разработка на основе модового подхода и апробация трехмерной модели пространственно-временной изменчивости звукового поля в случайно-неоднородном мелководном океаническом звуковом канале при наличии внутренних волн, поверхностных волн, неровностей дна; анализ распространения низкочастотного звука в таком звуковом канале;

• изучение изменчивости интерференционной структуры звукового поля в случайно-неоднородной среде мелкого моря;

• анализ возможности управления фокусировкой звукового поля и реверберационными сигналами на основе обращения волнового фронта в случайно-неоднородном океаническом звуковом канале;

• разработка и апробация нового похода к мониторингу океанических неоднородностей, основанного на регистрации частотных смещений интерференционных максимумов звукового поля.

Методы исследования.

Для решения поставленных задач использовалось математическое моделирование, опирающееся на модовое представление звукового поля в случайно-неоднородном океаническом мелководном звуковом канале. Многократное рассеяние звуковых волн учитывалось в рамках взаимодействия мод. При описании горизонтальной рефракции звуковых волн, вызванных крупномасштабными неоднородностями, применялось параболическое приближение. Поправки к собственным значениям задачи Штурма-Лиувилля, вызванные нерегулярностью волновода, определялись в рамках теории возмущений. Результаты аналитически решенных задач подкреплены данными компьютерного моделирования и получили экспериментальное подтверждение.

С методической точки исследования можно разделить на два этапа. Во-первых, разработка компьютерной модели распространения звукового поля в трехмерном случайно-неоднородном мелководном океаническом звуковом канале, в присутствии внутренних волн и поверхностных волн, а также неровностей дна. Апробация модели на экспериментальных акустических данных, полученных в различных районах Мирового океана (Баренцево море, Желтое море, Атлантический шельф США). Во-вторых, исследование в рамках предложенной модели звукового канала механизмов формирования звукового поля; изменчивости интерференционной структуры; возможности управления фокусировкой звукового поля; управления донной и поверхностной реверберацией; разработка и апробация нового подхода к мониторингу океанических неоднородностей.

Научная новизна.

Для разработанной модели случайно-неоднородного мелководного океанического звукового канал в рамках выполненных исследований впервые:

• установлены механизмы формирования пространственно-временной изменчивости звукового поля в случайно-неоднородной среде мелкого моря;

• проанализированы возможности управления фокусировкой низкочастотного звукового поля в случайно-неоднородном океаническом звуковом канале путем изменением опорной частоты излучения, не меняя распределения обращенного поля на апертуре, сформированного в отсутствии возмущения среды распространения;


загрузка...