Распространение и рассеяние низкочастотного звука на морском шельфе (15.07.2011)

Автор: Кацнельсон Борис Григорьевич

ранее установленной зависимости показателя преломления от частоты и номера моды (п.6.4), когда для данного района на частоте 300 Гц горизонтальные лучи для 4-й моды имеют наибольший показатель преломления по сравнению с другими модами. Соответствующие результаты более точных расчетов для диаграммы интенсивности и времен прихода, аналогичный приведенной на рис.10, на основе параболического уравнения показаны на рис.12. Видно хорошее согласие с экспериментом, что подтверждает предложенную интерпретацию.

Рис.12. Диаграммы интенсивности и времени прихода прямого и отраженного сигналов для первых шести мод (рассчитанные на основе параболического уравнения)

В Заключении приводятся основные результаты работы.

1. Сформулирована модель нерегулярного мелководного акустического волновода и теория дальнего (5-500км) распространения низкочастотного звука в таком волноводе с учетом одновременного влияния взаимодействия мод и горизонтальной рефракции. Адекватность модели доказана при сравнительном анализе результатов численных расчетов и натурных экспериментов в различных районах океанского шельфа: в Баренцевом и Желтом морях, на Атлантическом шельфе США.

2. Разработана и апробирована методика определения усредненных параметров мелководного волновода на основе сравнения экспериментальных данных и результатов расчетов для акустических полей на океанском шельфе. В качестве исходного набора экспериментальных данных рассматривается горизонтальная и вертикальная интерференционная структура звукового поля, а также интерференционная структура поля в частотной области. С помощью указанной методики впервые удалось оценить частотную зависимость коэффициента затухания звука в морском дне в рамках двухкомпонентной модели донных осадочных пород. При этом учитывалось как поглощение, так и рассеяние акустических волн.

3. Развита теория распространения звука в мелком море в нерегулярном волноводе с поглощающим дном и случайными неоднородностями. Получены соответствующие уравнения в диффузионном (высокочастотном) пределе. Для ряда случаев впервые получены аналитические решения и усредненные законы спадания для полной интенсивности, а также когерентной и некогерентной компонент. Определено влияние случайных неоднородностей на пространственное распределение интенсивности звука.

4. Впервые рассмотрено влияние потерь в дне на спектр интенсивности низкочастотных акустических шумов в мелком море. Проанализировано пространственное и угловое распределение интенсивности с учетом вклада непрерывного и дискретного модового спектра звукового поля, генерируемого поверхностными источниками звука. Выполнены расчеты глубинной зависимости интенсивности шума в Баренцевом море, результаты которых согласуются с экспериментальными данными.

5. Проанализировано влияние мезомасштабных неоднородностей (интенсивных нелинейных внутренних волн и температурного фронта) в мелком море. Установлено, в частности, что указанные неоднородности могут приводить к существенному перераспределению звукового поля в горизонтальной плоскости, зависящему от номера моды и частоты звука. Показано и проанализировано, при каких условиях, при распространении звуковых сигналов, пересекающих пакеты нелинейных внутренних волн, может иметь место частотно-зависимое аномальное затухание звука.

6. Разработана теория, объясняющая наблюдаемые в эксперименте пространственно-временные флуктуации звукового поля в присутствие внутренних солитонов. Показаны различные механизмы флуктуаций интенсивности звука в зависимости от направления движения солитонов по отношению к акустической трассе. Впервые приведены экспериментальные данные, подтверждающие теорию флуктуаций для различных направлений распространения звука, в частности, угловую зависимость частоты флуктуаций при взаимодействии мод и интерференцию прямого и отраженного от температурного фронта сигналов (аналог зеркала Ллойда в горизонтальной плоскости).

7. Развита теория рассеяния звука в волноводе на локализованной неоднородности вне рамок метода ВКБ. Проведено численное моделирование, демонстрирующее эффективность теории. Указанная методика использована для оценок возможностей акустического мониторинга китообразных.

Цитируемая литература

Kuperman, W. A., Lynch, J. F. Shallow-water acoustics // Physics Today, 2004, V57, №10, P. 55-61.

Кацнельсон Б.Г., Петников В.Г. Акустика мелкого моря // М. Наука, 1997, 191 C

Рутенко А. Н. Сезонная изменчивость флуктуаций интенсивности и фазы низкочастотных гидроакустических сигналов, распространяющихся в шельфовой зоне Японского моря. // Акуст. журн., 1997, Т.43, №1, С.98-105.

Apel, J. R., M. Badiey, C.-S. Chiu, S. Finette, R. H. Headrick, J. Kemp, J. F. Lynch, A. E. Newhall, M. H. Orr, B. H. Pasewark, D. Tielburger, A. Turgut, K. von der Heydt, and S. N. Wolf . An overview of the SWARM 1995 shallow-water internal wave acoustic scattering experiment // IEEE Journal of Ocean Eng. 1997, V.22, №3, P. 465-500.

Badiey, M., Y. Mu, J. F. Lynch, J. R. Apel, and S. N. Wolf. Temporal and azimuthal dependence of sound propagation in shallow water with internal waves // IEEE Journal of Ocean Eng. 2002, V. 27, №1, P. 117-129.

John A. Colosi, Robert C. Beardsley, James F. Lynch, Glen Gawarkiewicz, Ching-Sang Chiu, and Alberto Scotti. Observations of nonlinear internal waves on the outer New England continental shelf during the summer Shelfbreak Primer study.//J. of Geophysocal Research, 2001, V. 106, № C5, P. 9587-9601.

Newhall A, Duda T.et al. Acoustic and oceanographic observations and configuration information for the WHOI moorings form the sw06 experiment. //Technical report WHOI-2007-04T, 2007, 117 P.

Schroeder H., Lynch J. F., and Newhall A. Preliminary results of horizontal array coherence from the 2001 ASIAEX South China Sea experiment; //J.Acoust Soc. Am., 2002, V.111 , №5, 2406.

Колер В., Папаниколау Дж.К. Распространение волн в случайно-неоднородном океане. - В кн.: Распространение волн и подводная акустика. Под ред. Келлера Дж.Б. и Пападакиса Дж.С., М, Мир, 1980, 230 с.

Серебряный А.Н. Проявление свойств солитонов во внутренних волнах на шельфе. // Изв АН СССР, 1993, Т.29, №2, С.285-293.

Zhou J., Zhang X., Rogers P.H. Resonant interaction of sound wave with internal solitons in coastal zone. // J. Acoust. Soc.Am , 1991, V.90 , №4, P.2042-2054.

ОСНОВНЫЕ Работы автора

Кацнельсон Б.Г., Петников В.Г. Акустика мелкого моря // М., Наука, 1997, 191 с.

Katsnelson B.G., Petnikov V.G. Shallow water acoustics. // Springer/Praxis, Chichester, UK, 2002, 267 p

Кацнельсон Б.Г., Кулапин Л.Г. Усредненный закон спадания звука в гидроакустических волноводах. // Акуст.журн. 1984, Т.30, № 5, С.643-648

Кацнельсон Б.Г., Кравцов Ю.А., Кузькин В.М. , Кулапин Л.Г., Петников В.Г. Упрощенная теория придонного распространения звука // Труды ФИАН сер.Гидрофизика, М.,Наука, 1984, Т.156, С.41-55

Кацнельсон Б.Г..Кулапин Л.Г Кравцов Ю.А. Петников В.Г..Сабиров О.И Усредненный закон спадание в нерегулярном придонном звуковом канале. // Акуст.журн. 1985, Т. N4, с.537-538

Кацнельсон Б.Г. Кравцов Ю.А. Кузькин В.М., Петников В.Г.  Энергетические соотношения при обратном рассеянии звука в мелком море // Вопросы судостроения. Серия Акустика 1984, вып.18, , с.71-74

Кацнельсон Б.Г., Кравцов Ю.А., Петников В.Г. Основные методы в теории распространения звука в стратифицированных волноводах. // Труды ИОФ АН СССР, 1986 , Т.1, С.136-166

Кравцов Ю.А., Кулапин Л.Г., Петников В.Г. Сабиров О.И.. Особенности энергетических характеристик придонного звукового канала // Акустические волны в океане. Наука, М, 1987, C.76-83

Деревягина Е.И., Кацнельсон Б.Г. Влияние поглощающего дна на частотный спектр шумового поля в мелком море // Акуст.журн. 1988, Т.34, №1, С.172-174

Кацнельсон Б.Г., Сиденко А.В. Спадание интенсивности. излучения в многомодовом волноводе со случайными неоднородностями. // Изв. Вузов. Радиофизика, 1988, Т.31, С. 433-438

Деревягина Е.И., Кацнельсон Б.Г. Влияние формы области распределения поверхностных источников шума на спектр шумового поля в мелком море // Судостроительная промышленность, сер. Акустика, 1988, №3, С.50-53

Бункин Ф.В., Кацнельсон Б.Г., Кравцов Ю.А., Кулапин Л.Г.и др. Усредненные оценки поглощения звука в океанических волноводах малой глубины //Акуст.журн. 1989, Т.35 №1, С.1-7

Деревягина Е.И., Кацнельсон Б.Г. О соотношении непрерывной и дискретной составляющих поля поверхностного источника в волноводе. // Изв.вузов. Радиофизика, 1990 , Т. 33, №11, С. 1297-1298

Кацнельсон Б.Г., Кулапин Л.Г., Мигулин А.Н., Петников В.Г. Влияние гидродинамической изменчивости на интерференционную структуру звукового поля в волноводе // Акуст.журн. 1992, Т.38, №2, С.307 - 318

Petnikov V.G., Katsnelson B.G. Bottom parameters estimation by means of field inversion method. // In “Full Field Methods in Ocean and Seismo- Acoustics”. Ed Diachok at al. Kluwer Publ. Nethetlands, 1995, p.359-364

Деревягина Е.И., Кацнельсон Б.Г., Любченко А.Ю. Вертикальная структура интенсивности низкочастотного шумового поля мелкого моря // Акуст.жуpн. 1994, Т.40 №3, С.380-384

Деревягина Е.И., Кацнельсон Б.Г. Влияние случайных неоднородностей на вертикальную направленность поверхностного шума в мелком море. // Акуст.жуpн. 1995, Т.41, №2, С.240-244.


загрузка...