Исследование дальней реверберации нитзкочастотного звука в океане тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

Л'.4»

На правах рукописи

АБРОСИМОВ Дмитрий Иванович

ИССЛЕДОВАНИЕ ДАЛЬНЕЙ РЕВЕРБЕРАЦИИ НИЗКОЧАСТОТНОГО ЗВУКА В ОКЕАНЕ

01.04.06. — акустика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород — 1996

Работа выполнена в Институте прикладной физики Российской Академии наук

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

Л.С. Долин

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

С. Н. Гурбатов

кандидат физико-математических наук А. Г. Сазонтов

Ведущая организация: Институт общей физики РАН,

г. Москва

Защита состоится "_"_ 1996 г. в _ час. на

заседании специализированного совета К 003.38.02 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук в Институте прикладной физики РАН по адресу: г. Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной физики РАН

Автореферат разослан "_"_ 1996 г.

Ученый секретарь специализированного совета доктор физико-математических наук

А. Г. Лучинин

Общая характеристика работы.

Актуальность. В последнее время исследование явления реверберации звука в океане шло по двум главным направлениям: во-первых — изучение свойств реверберации как основной помехи для работы активных гидроакустических систем, от которой нельзя избавиться простым повышением излучаемой мощности, и во-вторых — использование реверберационного сигнала для дистанционной диагностики характеристик морской среды и мезомасштабных неоднородностей (циклонические вихри, течения, и т. п.). К настоящему моменту разработан ряд математических моделей реверберации, созданы алгоритмы и программы, предназначенные для численного моделирования этого явления на ЭВМ и выполнения прогнозных расчетов характеристик рассеянного сигнала в конкретных гидрологических условиях, проведено весьма большое число натурных экспериментальных исследований реверберации звука в океане, позволивших установить эмпирические зависимости для характеристик рассеивателей различной природы и подтвердить корректность существующих теоретических моделей. Однако, сказанное отнюдь не означает, что исследования реверберации звука в океане могут быть признаны завершенными и больше не представляют интереса. Актуальность подобных исследований в наши дни объясняется рядом причин. Перечислим основные из них.

1. Разработанные сравнительно недавно мощные низкочастотные излучатели позволяют использовать в гидроакустике звук низких частот (сотни Герц), испытывающий значительно меньшее поглощение в морской среде и распространяющийся вплоть, до расстояний в тысячи километров. В связи с этим возникает потребность в теоретических и экспериментальных исследованиях особенностей реверберационного отклика, приходящего с таких расстояний. В частности, необходима разработка методов описания многолучевой реверберации, непосредственно связанных с задачами волноводного распространения звука в океане.

2. Существующие программные средства имеют сравнительно узкие рамки применимости и предназначены для моделирования либо распространения, либо реверберации звука в океане. До сих пор не было создано ни одной универсальной программы, объединяющей в себе возможности моделирования

обоих этих явлений и способной адекватно учитывать все разнообразие гидрологоакустических условий, встречающихся в природе.

3. Проведенные экспериментальные исследования реверберации звука в океане нельзя признать абсолютно полными. В частности, ощущается недостаток экспериментальных данных в низкочастотном диапазоне (сотни Герц). Натурные исследования в зимних гидрологических условиях, когда существенную роль должна играть поверхностная реверберация, практически не проводились.

Все выше перечисленные вопросы в той или иной степени определили цели и задачи, поставленные перед автором при проведении комплексных научных исследований явления дальней реверберации низкочастотного звука в океане, которые были выполнены в период с 1980 по 1995 гг. В результате этих исследований были получены следующие результаты, обладающие научной новизной и выносимые на защиту в качестве основных положений работы:

1. Развита математическая модель дальней реверберации низкочастотного звука в океане, на основе которой исследованы свойства реверберации в случае, когда распространение звука имеет существенно волноводный характер.

2. Разработан траекторно-лучевой метод расчета распределения интенсивности звука и уровней реверберации в двухмерно неоднородном океане, на основе которого создан универсальный программный комплекс ОКЕАН.

3. Проведены натурные экспериментальные исследования частотно-временных энергетических характеристик дальней реверберации низкочастотного звука в пяти районах Мирового океана с различными гидрологоакустическими свойствами. Впервые в зимних гидрологических условиях зарегистрированы и исследованы сигналы поверхностной реверберации, приходящей с расстояний до 600 км. Выполнено сравнение расчетных и экспериментальных зависимостей уровня реверберации от времени, в результате которого доказана высокая эффективность применения разработанных программных средств для прогнозирования энергетических характеристик реверберации звука в условиях открытого океана.

. Практическая ценность проведенных исследований состоит в том, что полученные автором результаты и разработанные программные средства могут быть использованы для:

— интерпретации экспериментальных результатов исследо-

вания дальней реверберации звука в океане;

— проведения прогнозных расчетов интенсивности зондирующего звукового поля и реверберации в конкретных гидрологических условиях;

— решения обратной задачи гидроакустики - определение характеристик морской среды по данным акустического зондирования;

— планирования натурных гидроакустических экспериментов.

— расчетов характеристик реверберационной помехи при разработке гидроакустических систем;

Натурные исследования реверберации звука в океане были выполнены в ходе 3-х морских экспедиций в различных районах Мирового океана в период с 1984 по 1989 гг. В одной из экспедиций автор выполнял функции начальника отряда и непосредственно осуществлял планирование и руководство проведением эксперимента.

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 2-й Европейской конференции по подводной акустике (Копенгаген, 1994 г.), 2-м Всесоюзном съезде океанологов (Ялта, 1982 г.), на научных семинарах в Акустическом институте им. Н. Н. Андреева, Институте прикладной физики РАН, и опубликованы в 8 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из Введения, трех глав, Заключения, списка использованной литературы и Приложения. Общий объем — 96 страниц, включая 31 рисунок. Список литературы состоит из 51 наименования.

Основное содержание работы.

Во Введении дан обзор литературы, освещающий положение дел в исследовании реверберации звука в океане на сегодняшний день, показана актуальность подобных исследований, приведены краткое содержание работы по главам и основные результаты, выносимые на защиту.

Первая глава работы посвящена описанию теоретических моделей реверберации звука в океане.

В разделе 1.1 на примере поверхностной реверберации в приближении метода малых возмущений получены наиболее

общие соотношения, связывающие среднюю по ансамблю реализаций неоднородностей интенсивность сигнала реверберации со статистическими характеристиками неоднородностей и интенсивностью зондирующего поля. При этом в качестве сигнала реверберации рассматривалась не интенсивность звука в точке приема, как в большинстве предшествующих моделей, а напряжение на выходе обрабатывающего устройства приемной системы. Подобное описание позволяет задать произвольные пространственно - частотные характеристики приемной системы (такие, как диаграмма направленности, спектральную чувствительность, и др.).

В разделе 1.2 с учетом ряда упрощающих предположений и с использованием модовой модели распространения звука в океане выше указанные соотношения приведены к достаточно простому виду, дающему возможность описать основные физические свойства дальней морской реверберации. В частности, показано, что усредненная по некоторому большому промежутку времени интенсивность рассеянного поверхностью сигнала в случае волноводного характера распространения звука имеет существенно иной, чем в однородной среде, закон спадания со временем / вместо Р1).

В разделе 1.3 на качественном уровне проведено обобщение описанных в предыдущих разделах закономерностей, присущих поверхностной реверберации, на случай объемной и донной реверберации.

Как уже отмечалось, изложенные в разделах 1.1 и 1.2 математические модели реверберации устанавливают количественную связь между энергетическими характеристиками реверберации, интенсивностью зондирующего поля и статистическими свойствами рассеивателей. Однако, на практике применение полученных в этих разделах соотношений для численных расчетов сопряжено с рядом трудностей. Во-первых, входящие в данные соотношения характеристики рассеивателей - пространственные спектры - достаточно плохо экспериментально изучены (особенно это касается донных неоднородностей), Во-вторых, способ описания зондирующего поля в виде разложения по нормальным волнам (модам) волновода применим лишь в предположении плоско-слоистой среды. Практика показывает, что такая модель не всегда корректно описывает распространение звука в реальных гидрологических условиях: часто существенную роль может играть изменение вертикального профиля скорости звука и (особенно) глубины моря вдоль трассы. В

разделе 1.4 описана менее строгая, но более применимая для численных расчетов феноменологическая лучевая модель реверберации, основанная на определении коэффициента рассеяния и учитывающая изменение гидрологии с расстоянием.

В разделе 1.5 приведено предложенное автором простое соотношение для коэффициента рассеяния взволнованной поверхностью моря при малых углах скольжения лучей, хорошо согласующееся как с более сложными теоретическими моделями рассеяния, так и с экспериментальными данными в области низких частот. Это соотношение было использовано в дальнейшем при разработке программных средств, предназначенных для расчетов характеристик реверберации.

Наконец, раздел 1.6 посвящен качественному анализу основных факторов, определяющих форму частотного спектра реверберации. К этим факторам относятся:

- характер излученного сигнала;

- движение рассеивателей;

- длительность и форма окна анализа спекгранализатора.

В разделе приведены достаточно простые соотношения, позволяющие оценить ширину и положение максимума спектра реверберации различного типа и использованные в дальнейшем для интерпретации экспериментальных данных.

Вторая глава работы посвящена вопросам численного моделирования реверберации звука в океане. На основе описанных в 1-й главе теоретических моделей дальней реверберации автором был разработан траекторно-лучевой метод расчета звуковых полей в двухмерно неоднородной среде и создан универсальный программный комплекс ОКЕАН, впервые сочетающий в себе возможности моделирования как распространения, так и реверберации звука в океане.

Раздел 2.1 посвящен качественному описанию и обоснованию траекгорно-лучевого алгоритма моделирования звуковых полей в океане, который используется в программах комплекса и состоит в вычислении усредненной по элементарному объему интенсивности звука путем некогерентного суммирования вкладов лучей, пересекающих этот объем. Подобный алгоритм был изначально задуман для решения задачи численного моделирования реверберации, по своей природе обладающей «усредняющим» свойством. Разработанный метод практически не имеет ограничений по максимальной дальности трассы распространения и сложности геометрии дна, он устра-

няет проблемы, связанные с вычислением поля в окрестности каустик, и имеет другие преимущества по сравнению с традиционно применяемыми методами.

В разделе 2.2 приведено описание состава программного комплекса ОКЕАН и возможностей программ, входящих в него. Перечень исходных данных, необходимых для проведения расчетов, а также описание заложенных в программы акустических моделей среды, основанных на обобщении известных эмпирических зависимостей, приведены соответственно в разделах 2.3 и 2.4.

Третья глава работы посвящена описанию результатов натурных экспериментальных исследований реверберации низкочастотного (~200 Гц) звука в океане, полученных в ходе трех морских экспедиций в период с 1984 по 1989 гг., а также сравнительному анализу экспериментальных и расчетных зависимостей уровня реверберации от времени запаздывания сигнала (дальности до рассеивающего объема).

В разделе 3.1 содержится описание:

- условий проведения экспериментов (гидрологоакустичес-кие характеристики районов) — подраздел 3.1.1;

- излучающей и приемно-регистрирующей аппаратуры — подраздел 3.1.2;

- методики обработки данных и использованной при этом аппаратуры — подраздел 3.1.3;

- методики выполнения сравнительных численных расчетов — подраздел 3.1.4.

Раздел 3.2 посвящен описанию и интерпретации результатов экспериментальных исследований в гидрологических условиях теплых морей (субтропические, тропические и экваториальные районы) следующих характеристик реверберации:

- зависимость уровня реверберации (УР) от времени (расстояния до рассеивающего объема) — подраздел 3.2.1;

- текущие частотные спектры реверберации — подраздел 3.2.2;

- плотность вероятности рсвербсрационного сигнала — подраздел 3.2.3.

В результате обработки записей рассеянных сигналов, ^зафиксированных в указанных районах, были экспериментально подтверждены предсказанные теоретически свойства дальней реверберации. Установлено, что: а) зависимость УР от времени приобретает немонотонный («всплесковый») характер и тенденцию к

более медленному (по сравнению со случаем ближней реверберации) спаданию; б) смещение и уширение главного максимума в спектре реверберации объясняются дрейфом излучающего судна; в) в зависимости от характера рассеивающих неоднородностей закон распределения сигнала реверберации может быть близок к нормальному, равно как и отличаться от него. Анализ спектров реверберации и результаты численных расчетов показали, что в гидрологических условиях теплых морей донная реверберация практически всегда преобладает над другими типами.

В разделе 3.3 содержится описание результатов экспериментальных исследований реверберации звука в СевероЗападной части Тихого океана. Исследования реверберации в этом районе проводились как в летнее (подраздел 3.2.1), так и в зимнее (подраздел 3.2.2) время. Гндрологоакустические особенности этого района, обусловленные наличием холодного течения, в летнее время создают условия для сверхдальнего распространения звука, что позволяло, наблюдать сигналы реверберации, пришедшие с расстояния до 1000 км. Зимой в данном районе образуется приповерхностный звуковой канал, что приводит к «прижатию» звуковой энергии к поверхности моря и повышению уровня поверхностной реверберации. Особенно следует отметить результаты зимнего эксперимента 1989 года, являющегося в своем роде уникальным. До сих пор практически нет ни одной публикации, посвященной исследованиям реверберации звука в открытом океане в зимних гидрологических условиях. В результате обработки данных вышеуказанного эксперимента впервые с большой степенью достоверности были зафиксированы и исследованы сигналы поверхностной реверберации, приходящей с расстояний 200 - 600 км и имеющие частотный сдвиг относительно основного максимума в спектре на величину частоты резонансной гармоники ветрового волнения (~0,7 Гц). При этом был обнаружен и интерпретирован эффект корреляции уровней донной и поверхностной реверберации при распространении зондирующего сигнала вглубь шельфовой зоны.

В разделе 3.4 проведен анализ сравнения экспериментальных зависимостей УР от .времени с расчитанными при помощи программы ОКЕАН и сделаны выводы о пределах применимости двухмерных лучевых алгоритмов для численного моделирования реверберации звука в реальных гидрологических условиях. В результате этого сравнения доказана высокая эф-

фективность применения разработанных программных средств для прогнозирования энергетических характеристик ревербера.-ции звука в условиях открытою океана даже при наличии мезо-масштабных трехмерных неоднородностей (таких как подводные горы, острова, и т. п.). В случае более сложной геометрии дна (например, в непосредственной близости от континентальной береговой линии) более целесообразным представляется использование трехмерных программ.

В Приложении приведены примеры файлов, содержащих исходные данные для программы ОКЕАН.

Основные результаты работы

1. Развита математическая модель дальней реверберации низкочастотного звука в океане, устанавливающая количественную связь между статистическими характеристиками реверберации, интенсивностью зондирующего поля и статистическими характеристиками рассеивателей. Показано, что в том случае, когда распространение звука имеет волноводный характер, свойства реверберационного отклика могут существенно измениться, а именно: зависимость интенсивности реверберации от времени приобретает немонотонный (всплесковый) вид и тенденцию к более медленному по сравнению со случаем ближней реверберации спаданию.

2. Предложено простое выражение для коэффициента поверхностного рассеяния при малых углах скольжения, показавшее хорошее согласие как с экспериментальными зависимостями, так и с более сложными теоретическими соотношениями. Полученное выражение было использовано при разработке программных средств.

3. Разработан траекторно-лучевой метод расчета распределения интенсивности звука и уровней реверберации в двухмерно неоднородном океане, на основе которого создан универсальный программный комплекс ОКЕАН.

4. Проведены натурные экспериментальные исследования частотно-временных энергетических характеристик дальней реверберации низкочастотного звука в пяти районах Мирового океана с различными гидрологоакустическими свойствами, результаты которых подтвердили основные теоретические выводы о характере зависимости уровня дальней реверберации от

времени. Впервые в зимних гидрологических условиях с высокой степенью достоверности зарегистрированы и исследованы сигналы поверхностной реверберации, приходящей с расстояний до 600 км, при этом обнаружен эффект корреляции уровней донной и поверхностной реверберации при распространении зондирующего сигнала вглубь шельфовой зоны.

5. Выполнено сравнение расчетных и экспериментальных зависимостей уровня реверберации от времени, в результате которою доказана высокая эффективность применения разработанных программных средств для прогнозирования энергетических характеристик реверберации звука в условиях открытого океана даже при наличии мезомасштабных трехмерных неодн-ородностей (таких как подводные горы, острова, и т. п.).

Список опубликованных работ по теме диссертации.

1 .Д. И. Абросимов, Л. С. Долин. О поверхностной реверберации при волноводном распространении звука в океане // Акуст. журнал. - 1981. - Т. 27. - № 6. - С. 808-816.

2. Д. И. Абросимов, Л. С. Долин. Расчет поверхностной реверберации при волноводном распространении звука в океане // II Всесоюзн. съезд океанологов. Тезисы докладов. Вып. 4, часть 1. — Севастополь, МГИ АН УССР, 1982. - С. 21.

3. Д. И. Абросимов, В. С. Авербах, Л. С. Долин, и др. Экспериментальное исследование низкочастотных звуковых полей в океане // Докл. АН СССР. - 1988. - Т. 299. - № 2. - С. 477-481.

4. D. I. Abrositnov, V. S. Averbakh, et al. Far low-frequency sound reverberation in the ocean // Proc. of the Second European Conference on Undervater Acoustics / Ed. by L.Bjorno. — Luxemburg, 1994. - Pp. 101-103. '

5. D. I. Abrosimov, V. S. Averbakh, et al. Far low-frequency sound reverberation in the ocean // 5-th Western Pacific Regional Acoustics Conference. Technical papers / Ed. by S. W. Yoon and M.Bae. - Seoul, Korea, 1994. - Pp. 302-304.

6. Д. И. Абросимов. Численное моделирование звуковых полей в океане: Препринт ИПФ РАН № 370. — Н. Новгород, 1995. - 24 с.

7. Д. И. Абросимов. Экспериментальные исследования реверберации звука в океане: Препринт ИПФ РАН № 378. — Н.Новгород, 1995. - 24 с.

8. Д. И. Абросимов, В. С. Авербах, Е. И. Болоничева, и др. Дальняя реверберация низкочастотного звука в океане // Акуст. журнал. - 1995. - Т. 41. - № 3. - С. 364-369.

Подписано к печати 31.05.96 г. Формат 60 х 90 1/16. Бумага офсетная № 1. Усл. печ. л. 0,75. Усл. кр.-отт. 0,75. Уч.-изд. л. 0,6. Тираж 100 экз. Заказ № 64. Бесплатно.

Отпечатано иа ротапринте в Институте прикладной физики РАН, 603600, г. Н. Новгород, ул. Ульянова, 46

Дмитрий Иванович Абросимов

ИССЛЕДОВАНИЕ ДАЛЬНЕЙ РЕВЕРБЕРАЦИИ НИЗКОЧАСТОТНОГО ЗВУКА В ОКЕАНЕ

Автореферат