Введение к работе
Актуальность темы
Актуальность данной работы связана с необходимостью изучения природы волн звукового и инфразвукового диапазонов, которые регистрируются различными установками в геосферах Земли. Геосферы Земли контактируют друг с другом и поэтому волны, которые возникают в одних геосферах, проникают в другие геосферы по определенным законам, которые связаны с импедансами сред, длинами волн, геометрическими характеристиками слоев геосфер и их неоднородностей. Волны могут переходить из одних геосфер в другие геосферы по законам трансформации, могут возбуждать в соседних геосферах волны на соответствующих частотах в линейном случае или генерировать волны на других частотах в нелинейном случае, возможно также параметрическое воздействие данных волн на основные параметры волн различных частот, распространяющихся в соседних геосферах, волновая энергия может переходить во внутреннюю энергию соседних геосфер. Таким образом, волны, энергия которых теряется или переходит в соседние геосферы, могут: 1) трансформироваться в волны соответствующих частот; 2) трансформироваться в волны других частот; 3) изменить основные параметры волн, распространяющиеся в соседних геосферах; 4) перейти во внутреннюю энергию соседних геосфер. Все эти случаи равновероятны и могут наблюдаться раздельно или одновременно в каждом конкретном случае.
При изучении волн земной коры многие ученые обнаружили, что некоторые из них имеют морское происхождение. Так микросейсмы первого и второго рода (периоды от 2 до 20 с), которым было приписано происхождение, связанное с микроземлетрясениями, обусловлены морским ветровым волнением и волнами зыби, часть энергии которых на границе гидросфера - земная кора преобразуется в энергию упругих волн
верхней части земной коры. В последние годы установлено, что морские приливы, сейши, внутренние морские волны, инфрагравитационные морские волны передают свою энергию упругой среде на соответствующих частотах. Во всех этих случаях возникает вопрос о количестве энергии, переданной в соседние геосферы.
Все данные вопросы невозможно изучить без применения в исследованиях высокочувствительной аппаратуры, обладающей широким частотным и динамическим диапазонами. К такой аппаратуре в настоящее время относятся, в первую очередь, установки, созданные на основе современных лазерно-интерференционных методов. Применение данных методов позволило создать аппаратуру, измеряющую вариации основных параметров геосфер на уровне фоновых колебаний, что остро необходимо при получении точных экспериментальных оценок о количестве трансформированной энергии на границе раздела сред. Для измерения вариаций микросмещений земной коры созданы лазерные деформографы. Для измерений вариаций атмосферного и гидросферного давлений созданы лазерный нанобарограф и лазерный измеритель вариаций давления гидросферы, соответственно.
Изучение закономерностей трансформации волновых процессов на границе геосфер в инфразвуковом и звуковом диапазонах необходимо начинать с экспериментальных исследований, в которых в качестве излучающих систем применяются источники с известными техническими характеристиками. При этом мы остановимся на изучении закономерностей трансформации волновой энергии простейшего случая: преобразование энергии излученных волн в энергию трансформированных волн на частоте излучения. Необходимо заметить, что по данным экспериментальным исследованиям мы можем оценить не всю энергию, трансформированную в упругую среду, а только часть энергии волн, которые распространяются в упругом слое - слое
расположения лазерного деформографа. Изучив закономерности трансформации энергии на границе раздела геосфер с применением искусственно излучающих и приемных систем, мы можем, в дальнейшем, решая модельно-теоретические задачи, применить полученные результаты при исследовании более низкочастотных природных процессов.
Цель работы - экспериментально и модельно-теоретически изучить закономерности трансформации энергии гидроакустических и сеисмоакустических волн, создаваемых в воде или в упругой среде низкочастотными гидроакустическими и сейсмоакустическими излучателями, в энергию сеисмоакустических и гидроакустических волн на частотах работы излучателей на границе «вода - упругая среда».
Для достижения цели работы были сформированы следующие задачи:
отработать методику проведения комплексного эксперимента с применением низкочастотных гидроакустических и сеисмоакустических излучателей, берегового лазерного деформографа и лазерного измерителя вариаций давления гидросферы;
провести ряд экспериментальных исследований с помощью низкочастотных гидроакустических излучателей и береговых лазерных деформографов по генерации гидроакустических волн и приему трансформированных волн береговым лазерным деформографом на границе «вода - упругая среда»;
выполнить обработку полученных экспериментальных данных лазерного деформографа с целью выделения спектральных максимумов на частотах излучаемых гидроакустических сигналов и изучения их временного поведения;
на основе полученных экспериментальных данных теоретически оценить количество трансформированной гидроакустической энергии в энергию волн земной коры поверхностного типа на частотах работы гидроакустических излучателей в линейном случае;
провести ряд экспериментальных исследований с помощью низкочастотного сейсмоакустического излучателя, берегового лазерного деформографа и лазерного измерителя вариаций давления гидросферы по генерации сейсмоакустических волн, регистрации излучённых волн береговым лазерным деформографом и приёму трансформированных сейсмоакустических волн в гидроакустические волны лазерным измерителем вариаций давления гидросферы, установленным на шельфе Японского моря;
выполнить обработку полученных синхронных экспериментальных данных лазерного деформографа и лазерного измерителя вариаций давления гидросферы с целью выделения спектральных максимумов на частотах излучаемых сейсмоакустических сигналов и изучения их временного поведения;
на основе полученных экспериментальных данных теоретически оценить количество трансформированной сейсмоакустической энергии в гидроакустическую энергию на частотах работы сейсмоакустического излучателя в линейном случае.
Научная новизна
До настоящего времени был проведен ряд экспериментальных работ по генерации в гидросфере гидроакустических волн на различных
частотах всевозможными искусственными гидроакустическими
источниками и регистрации данных волн в гидросфере, литосфере
различными приемными системами, в том числе лазерными
деформографами. Но при этом не проводились экспериментальные и
модельно-теоретические исследования по оценке доли
трансформированной гидроакустической энергии в энергию упругих волн земной коры на частотах излучаемых гидроакустических волн в линейном случае. Данные исследования важно проводить с использованием высокочувствительной аппаратуры, обладающей широким частотным диапазоном и имеющей линейную амплитудно-частотную характеристику в рабочем диапазоне частот. К таким установкам относятся, в первую очередь, лазерные деформографы, разработанные и созданные в ТОЙ ДВО РАН. Они способны измерять микросмещения участков земной коры с точностью 0,3 нм в частотном диапазоне от 0 до 1000 Гц. Их характеристики полностью удовлетворяют требованиям эксперимента.
Решение поставленных в работе задач было выполнено для двух условий: глубокого (Л « Н) и «промежуточного» (Л ~ Н) морей. Для этих двух условий были проведены экспериментальные и модельно-теоретические исследования, позволившие в линейном случае оценить количество гидроакустической энергии, трансформированной в энергию упругой поверхностной волны зоны расположения лазерного деформографа на частотах излучаемых волн.
В работе затронуты важные вопросы о доле энергии упругих волн, распространяющихся в земной коре и проникающих в гидросферу, возбуждающих там гидроакустические волны на соответствующих частотах. Проведенные экспериментальные исследования с помощью низкочастотного сейсмоакустического излучателя, берегового лазерного деформографа и лазерного измерителя вариаций давления гидросферы и модельно-теоретические расчеты позволили оценить долю
сейсмоакустической энергии, трансформированную в гидроакустическую энергию.
Основные положения, выносимые на защиту
Проведённые экспериментальные исследования по изучению закономерностей трансформации гидроакустических волн, создаваемых гидроакустическими излучателями в условиях моря разной глубины, в сейсмоакустические волны позволили модельно-теоретически установить, что около 1% излучённой гидроакустической энергии на частотах излучаемых волн трансформируется в энергию поверхностных волн Рэлеевского типа зоны расположения лазерного деформографа.
Проведённые экспериментальные исследования по изучению закономерностей трансформации сейсмоакустических волн, создаваемых сейсмоакустическим излучателем в земной коре, в гидроакустические волны позволили модельно-теоретически установить, что около 0.3% поверхностных волн Рэлеевского типа на частотах излучаемых волн трансформируется в энергию гидроакустических волн.
Экспериментальные исследования пространственно-временных характеристик гидроакустических полей, генерируемых низкочастотными гидроакустическими излучателями и регистрируемые береговыми лазерными деформографами, дают возможность изучать воздействие сверхнизкочастотных колебаний водоемов на данные поля. Практическая значимость
Диссертационная работа проводилась в соответствии с одним из направлений работ в Тихоокеанском океанологическом институте им. В.И. Ильичева ДВО РАН по развитию методов исследования взаимодействия геосфер. Научные результаты получены в ходе
выполнения программ, проводимых Тихоокеанским океанологическим институтом им. В.И. Ильичева ДВО РАН: ФЦП «Мировой Океан», ЦНТП «Разработка технологии раннего обнаружения предвестников опасных геодинамических процессов в береговой зоне России и способов защиты её прибрежных территорий» (2005-РП-13.4/001), грантов РФФИ: № 03-05-65216-а «Изучение законов генерации, динамики и трансформации инфразвуковых колебаний и волн в области переходных зон», № 06-05-64448-а «Энергообмен геосфер зон перехода», № 08-05-10008-к «Организация и проведение комплексной экспедиции на шельфе и свале глубин Японского моря», гранта ДВО № 09-Ш-В-07-371 «Прямая и обратная трансформация гидроакустической энергии в зоне перехода «вода - морское дно».
Личный вклад
Теоретические и экспериментальные результаты, анализируемые в работе, получены в совместной работе с соавторами публикаций. Автор принимал участие в обеспечении работы экспериментального оборудования, с помощью которого проводились исследования. Выполнял обработку экспериментальных данных и проведение модельно теоретических работ.
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 20 работ, из них: 5 работ - в рецензируемых научных журналах, 1 работа - в коллективной монографии, 2 работы - в сборниках материалов международных конференций, 9 работ - в сборниках материалов докладов российских конференций и 3 работы - в сборниках тезисов российских конференций.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и списка литературы, включающего 86 наименований. Работа содержит 106 страниц текста, включая 5 таблиц и 31 рисунок.
