Введение к работе
Актуальность темы. Нерегулярные границы весьма типичны для океанических волноводов. Примерами случайно-неровных поверхностей могут служить нерозное дно, взволнованная ветром поверхность океана, взволнованная полем внутренних волн граница резкого перепада температуры в термоклине. Таким образом, Еопрос о влиянии неровных границ на распространение низкочастотного звука представляется очень важным.
Такие исследования интересны и с точки зрения решения ряда практических проблем. К числу таких проблем относятся: прогнозирование дальнего распространения низкочастотного звука, исследование передачи информации по гидроакустическому каналу, конструирование звуковых антенн, а также дистанционное определение статистических характеристик нерегулярных границ волноводов. Следует отметить, что последняя проблема особенно актуальна в связи со слоаностями соответствующих прямых контактных измерений.
3 последние годы велись интенсивные исследования многократного рассеяния низкочастотного звука на неровном дне океана, а "также на ветровом волнении. Кроме того, ка оснозе полученных аналитических решений для статистических характеристик звуковой волны, рассеянной на взволнованной ветром поверхности, разрабатывались методы акустической диагностики ветрового волнения.
. Однако, например, для случая неровного дна океана, проведенные исследования были ограьлчены областью очень малых уклонов поверхности
а « R О2 .
где а - среднеквадратичный уклон неровностей, R - параметр
Рэлел, бсг - критітческий угол волновода. Sto не позволил: рассмотреть эффекта рассеяния во всем характерном диапазон-океанически;-: параметров. И кроме того, ь указанном приближении не было возможно исследовать зависимость статистически) характеристик звуковой волны С например, декремента затуханні ее когерентной компоненты) от импедансньк свойств дна. Заметим, что такое исследование представляется весьма вдкзкы : связи с интенсивно развивгкаепсл б последние годы акустической диагностикой геологических свойств дна.
Что re касается изучения влияния ветрового волне::ня на ьолноводное распространение низкочастотного звука, то здесь вне внимания исследователей оставался Еоярос о рассеянии на "мелкомасштабном" ветровом еслнєкпи. "Мелкомасштабкость" понимается В СМЫСЛе ВЫЛОЛНеНИЯ УСЛОВИЯ:
с а: ук їєг « і .
о * сг
где К волновое число звуковой волны. /чв- характерное волновое число пространственного спектра неровностей -на. Это условие означает, что д;&граш.га рассеяния намного превосходит критический угол волновода, и хорошо выполняется в реальных океанических условиях для звука кпэксй частоты (/ 100 Гц) к типичных значений скорости ветра CV 10-15 м/сек).
Следует отметить, что большинство работ посвячене исследованию влияния ветрового волнения кг распространение зьу-'а е глубоком океане, и не рассматривалось распространение гвука в шельфових районах, где существенно вязкое поглощение в дне.
Хотелось бы такке обратить внимание и ка отсутствие аналитических решений, дасаих наглядную связь статистических характеристик звуковой волны и ветрового волнения. Такие решения позволили бк, с одной стороны, интерпретировать инесімеся экспериментальные данные по дальнему распространение низкочастотного звука, а с другой - послужили бы основой разработки алгоритмов акустической диагностики ветрового волнения. Заметим также, что отсутствие простых. наглядных математических моделей рассеяния звука на ветровом волнении тормозило развитие акустических методов восстановления его статистических характеристик.
Вне вникания исследователей оставалось и влияние взволнованней внутренними ьолкаш! поверхности скачка температуры в термокли-
Все это позволяет сформулирсзать основные направления ^следований з рассматриваемой области. Предетазяяется яеоб-эдимым расширить теоретическую кодєль рассеяния ка неровном іе на область "немалих" С в указанном зыие смисле) уклонов эзерхиости п исследовать влияние нкпедакскык н поглс-дающ-ік >ойстз океанического дна на характер рассзякдя. Кроне того, ітзресно также разрас'отать иєтоди решения уравнений для .зто-?л ст?т;^тпческп>: моментов амплитуд нормальная код звуковой 5лкы з случае "мелкомасштабного" ветрового волнения и рас-готреть распространение ззуковой волны з иелкоц море с вззо-юзанкой ветром поверхностью. Важным является псследова-:е статистических характеристик нормальных мод ка оснозо про-их математических моделей, а также использование этих шдэ-;й для объяснения данных экспериментов по распространено :зкочастоткого звука з приповерхностных волноводах и для лос-юенпя алгоритмов акустической диагностики ветрового во.ттге-:я. Интересно такге исследовать влияние взволнованной слу- . lhhhm полем внутренних волн поверхности резкого перепада тец->ратуры в термоклине на распространение низкочастотной ззуко-)й волны. Изучения именно этих вопросов я посзяцена настоя-я диссертация.
Целью работы является исследование рассеяния низкочасто-:ого звука ка неровном дне, поверхностном волнении, ззволно-лноп внутренние воякаші поверхности скачка температуры а
рМОХЛИНе.
В качестве примера перспективного океанографического применил разраозтызаемых наглядных аналитических моделей рас-яння на ветровой волнении ставилась цеЛл гпзучять еоз?-о?гго-п осуществления акустической диагностики-ветрозого волнения.
Научная новизна работы состоит з следугцем. Исследовано влияние случайно-неровного дна - характера ого педанса, объемного поглощения и "немальп:" уклонов дна на ссеякне низкочастотного звука в океанпческыа: лноводах. Здесь, во-первых, получеки уравнения для статиста-скнх характеристик звукового сигнала многократнорасссяллого случайно-неровном дне с "немалыми" уклокага. Исолвдогааы
условия применимости этих уравнений. Во-вторых, изучено влш икс- импедансных свойств лна на характеристики низкочастотнс звуковой волны. И, наконец, исследовано совместное ьлиякі рассеяния к донного поглощения на трансформацию акустическої поля в океане . со случайно-неровным дном.
-
Разработан приближенный метод решения уравнений для вторь статистических моментов акустического поля нормальны:-: 'мод случае "мелкомасштабного" (в обс„. лдаеыом выше смысле) ветровс го волнения и произвольного профиля звукового канала Сприсзля Еэние слабой некогерентности3.
-
Построены приближенные аналитические модели Гиссеяния v. анизотропном ветровом волнении как в приповерхностных Волкове дах глубокого океана, так и в мелком море. Эти модели основак на разного рода приближениях - ВК5 для нормальных.мод канала диффузионном, слабой кекогерентности. Полученные акалитичес кие решения ..дляг статистических характеристик мод звукове волны использованы для объяснения ряда имеющихся эксперимен тальных данных qo распространению низкочаст.-тного звука в оке ане. ' . .
-
На основе разработанных моделей развиты алгоритмы акус^л .ческой диагностики статистических характеристик ветрового*вол
нения, в частности, разработана схема восстановления частотно углового спектра волнения в области низких частот.
Практическая ценность.
Проведенное исследование показало, что расоеяиио на норо вноы дне может сильно влиять на распространение низкочастотно го звука в придонных океанических Еолноводах. В связи с эти необходимо учитывать его как при прогнозировании дальнего рас пространения звука, так и при интерпретации данных натурны измерений на протяженных трассах.
Полученные аналитические решения устанавливают связь меж ду статкстлческичи характеристиками звуковой волны и неровног дна. Они могут быть использованы для разработки методов вое становления информации о неровностях дна.
Исследование показало также, что импедансные свойства дн уогут сильно влиять ка статистические характеристики звуково БОЛКК. Это указывает на принципиальную возможность определе НИЯ акустического импеданса дна по статистическим карактерис
якам рассеянного поля.
Разработанный метод решения уравнений для спектральных и зергетических характеристик мод ззуковой волны, рассеянных на этроэом волнении, а также построенные на основе этого метода ряда других приближенийтеоретические модели рассеяния вз:шы пя объяснения каблэдаемых з зксперш.'.ентах особенностей эзолв-як ззуковой волны. Кроме того, они позволяй? разрабатывать гтодику акустической диагностики ветрового волнения. .
Предложенные алгоритмы акустической диагностики статисти-еских характеристик ветрового волнения позволяют росстгнавли-зть частотно-угловой спектр 'волнения.
Апробация работы.
Оенозные результаты диссертации докладывались на Втором а ретьем Всесоюзных съездах советских скеакологоз С Ялта, Э82г.; Ленинград, 1987г.), Третьей конференции "Человек и Ч'еан" (Владивосток, 1982г.), Десятой Всесоюзной акустической знференцни по проблеме изучения Мирового океана (Владивосток, 383 г.). Третьей, Четвертой, Пятой Всесоюзных школах по акус-!<ке океана (Москза, 1934, 1985, 1938 г.г.), на Всесоюзном емикаре "Исследование мелкомасштабного взаимодействия атнос-эры и океана" (Севастополь, 198S г.), Совещании по проекту Ветрозое волнение" (Сочи, 1989 г.), Первой и второй конфере-циях "Техника и методика акустического зондирования океана" Наманган, 1985, 1987 г. г.), Седьмом международном симпозиуме о гидроакустике (РП, Гдыня, 1990 г.), на семинарах Института-, рикладно;"! физики АН СССР, Института океанологии АН СССР, убликации полностью отражают результаты диссертации.
Публикации. По теме диссертации опубликовано И работ в аучкых журналах и 1 препринт ИПФ АН СССР.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из ведения, трех глаз и заключения. Обаий объем диссертации оставляет страницы, в том числе страниц машинописного екста, 38 рисунков (38 страниц). Список литературы содержит 3 наименования С14 страниц).
