Исследование параметра акустической нелинейности в морской среде тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

ТИХООКЕАНСКИМ ОКЕАНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ Дальневосточное отделение Российской Академии наук

^ На правах рукописи

V

ГОРКАВЕНКО Владимир Васильевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРА АКУСТИЧЕСКОЙ НЕЛИНЕЙНОСТИ В МОРСКОЙ СРЕДЕ

( Специальность 01.04.06 - Акустика )

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Владивосток -1997

Работа выполнена в Тихоокеанском океанологическом институте ДВО РАН Научный руководитель: доктор физ.-мат. наук, профессор

У.Х. Копвиллем

Официальные оппоненты: доктор физ.-мат. наук, профессор

И.Н. Каневский кандидат физ.-мат. наук, с.н.с. А.О. Максимов

Ведущая организация: Институт физики и информационных технологий Дальневосточного государственного университета, г. Владивостока.

Защита состоится " М » 1997 года в /Г

часов

на заседании диссертационного совета Д.003.34.01 при Тихоокеанском океанологическом институте по адресу: г. Владивосток, ул. Балтийская, 43, ТОЙ ДВО РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТОЙ ДВО РАН. Автореферат разослан " " ^т^_1997 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета Д.003.34.01 доктор физ.-мат. наук

Н.В. Сушилов

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ - Проявление акустических нелинейных свойств морской среды носит самый разнообразный характер. Это и появление комбинационных частот, модуляция волн, самодетектирование, явление просветления и т.д. Проблема генерации гармоник, взаимодействия акустических волн являющиеся одной из основных в нелинейной акустике непосредственно связаны с параметром акустической нелинейности рабочей среды.

Параметр акустической нелинейности е является интегральной физической характеристикой морской среды, он зависит от температуры, солености, гидростатического давления, растворенных газов, фазовых включений (пузырьки газа, различные твердые частицы, зоо- и фитопланктон) и позволяет судить о термодинамическом состоянии морской среды. Для проведения акустических исследований в океане в последнее время стали применять параметрические акустические излучатели и приемники, которые весьма перспективны благодаря уникальному сочетанию таких свойств", как широкополосность и узкая характеристика направленности излучения. (приема) в широком диапазоне частот. Однако существенная особенность параметрических антенн - это зависимость их параметров от состояния среды, в которой они работают. Это обстоятельство связано с тем, что формирование волны разностной или суммарной частоты происходит в среде, как правило, неоднородной вдоль направления распространения излучения. Наиболее сильно изменяются акустические характеристики морской воды в слое океана, содержащем газовые пузырьки. Известно, что пузырьки в воде, совершающие при больших амплитудах звукового поля вынужденные колебания, могут существенным образом изменить такие акустические характеристики, как параметр акустической нелинейности, коэффициент поглощения и дисперсию скорости звука в среде. При определенных концентрациях пузырьков и ориентации оси излучения в приповерхностном слое, эффективность параметрического взаимодействия может резко увеличиться. Наличие пространственной зависимости акустических характеристик среды значительно усложняет решение нелинейной задачи о генерации волны разностной частоты при взаимодействии первичных волн накачки в микронеоднородной среде.

Морская среда обладающая высокой акустической нелинейностью является микронеоднородной жидкостью. Нелинейные свойства таких сред связаны с их структурой и неоднородностями, для обнаружения которых наиболее перспективны методы нелинейной акустической диагностики, основанные на определение параметра акустической нелинейности.

Изменчивость, слабая изученность параметра акустической нелинейности морской среды, отсутствие соответствующей океанологической тех-

ники затрудняют решение вопросов связанных с районированием, прогнозированием, построением моделей поля акустической нелинейности в океане. Поэтому экспериментальное исследование пространственной структуры и временной изменчивости поля акустической нелинейности, как одной из физических характеристик среды, в области различных пространственно-временных масштабов является одной из актуальных задач гидрофизики. Отрывочность лабораторных исследований и отсутствие достаточно полной информации о поведении параметра акустической нелинейности морской воды на разных глубинах и в различных районах Мирового океана обусловили необходимость разработать метод исследования параметра акустической нелинейности и создать аппаратуру, реализующую этот метод.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью работы является разработка и обоснование метода исследования параметра акустической нелинейности на высоких частотах в море и его практическая реализация для проведения натурных измерений пространственно-временного распределения параметра акустической нелинейности в море.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Диссертационная работа имеет экспериментальный характер. В ней описывается разработанный метод, его реализация , излагаются и анализируются результаты натурных исследований параметра акустической нелинейности в море.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

Научная новизна полученных в работе результатов заключаются в следующих положениях:

- впервые разработан и обоснован метод исследования параметра акустической нелинейности в морской среде, обеспечивающий выполнение исследований в море до глубины 1000 м;

- впервые получены систематические данные о величине параметра акустической нелинейности и о характеристиках его флуктуаций в море, а также его связи с температурой, скоростью звука, газовыми пузырьками;

- впервые установлена связь флуктуаций параметра акустической нелинейности с характеристиками внутренних волн;

- показано, что поле акустической нелинейности в определенных пространственных масштабах, зависящих от типа водных масс, является устойчивым и отражает некоторое квазистационарное состояние морской среды.

НАУЧНАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ

. Научная и практическая значимость работы состоит в значительном расширении представлений о распределении параметра акустической нелинейности в морской среде и его взаимосвязи с другими гидрофизическими характеристиками морской среды. По единой методике получен значительный объем данных о величине параметра акустической нелинейности и его флуктуациях в различных районах Мирового океана па различных глубинах при различных гидрологических условиях. Результаты измерений показали связь параметра акустической нелинейности с внутренними волнами (ВВ). Зарегистрированы солитонообразные возмущения акустической нелинейности, вызванные прохождением цуга ВВ, что позволяет рассматривать новый тип нелинейного акустического детектора ВВ и гидродинамических возмущений. Полученные данные о величине параметра акустической нелинейности и о характеристиках его флуктуаций в море. Закономерности связи параметра акустической нелинейности с гидрофизическими факторами могут быть использованы как при разработке обычных линейных, так и параметрических акустических излучателей и учитываться в гидролокации и гидронавигации. Результаты, полученные при изучении неоднородностей параметра акустической нелинейности в море могут служить основой для создания акустического метода диагностики неоднородной морской среды.

апробация работы

По материалам диссертации опубликовано 22 работы, из них в центральной печати и сборниках материалов конференций опубликовано 18 работ. Результаты исследований докладывались: на Всесоюзной конференции "Использование современных физических методов в неразрушающих исследованиях и контроля" ( г. Хабаровск, 1984, 1987 ); на Всесоюзной школе "Технические средства и методы изучения океанов и морей" ( г. Геленджик, 1985, 1987, 1989); па Всесоюзном совещании "Глубоководные системы и комплексы" ( г. Черкассы, 1986 ); на Всесоюзном симпозиуме "Применение ультразвука в промышленности и медицине" (г. Вильнюс, 1987 ); на 5 Дальневосточной акустической конференции (г. Владивосток, 1989"); на 2 Всесоюзном совещании "Физические основы построения устройств обработки информации на молекулярном уровне" ( г. Москва, 1990); на Дальневосточной акустической конференции ( г. Владивосток, ТОВВМУ, 1994 ) , а также на семинарах отделения акустики Тихоокеанского океанологического института ДВО РАН. Кроме того, результаты представлялись на другие конференции международного и Российского уровня.

СТРУКТУРА И ОБЬЕМ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы ( 137 наименований ), при этом включает титульный лист и оглавление 3 стр., 119 стр. печатного текста, 63 рисунка ( 51 стр. иллюстраций).

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. Показана возможность использования разработанного сравнительного метода для определения параметра акустической нелинейности в море на высоких частотах, основанного на генерации второй гармоники, до глубины 1 км с высокой пространственной и временной разрешимостью.

2. Получены обширные экспериментальные данные об абсолютной величине параметра акустической нелинейности в различных районах Тихого и Индийского океанов, Японского моря и показано, что параметр акустической нелинейности в море, как правило, превышает расчетные значения для морской воды без фазовых включений (ФВ). Показано, что повышенная нелинейность морской воды обусловлена газовыми пузырьками, всегда присутствующими в толще морской воды. Установлено, что существует связь параметра акустической нелинейности с суточной миграцией планктона.

3. Показано, что наибольшую пространственную и временную изменчивость в океанической среде испытывает величина параметра акустической нелинейности.

4. Установлена связь спектральных и корреляционных характеристик флук-туаций параметра акустической нелинейности с характеристиками внутренних волн на шельфе Японского моря.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении показана актуальность темы, обсуждаются принципы и подходы к предмету исследования и дана общая характеристика работ в рассматриваемой области. Сформулирована новизна, научная и практическая значимость работы и изложены основные положения работы, выносимые на защиту.

глава 1. обзор теоретических и экспериментальных исследований параметра нелинейности и нелинейных характеристик среды В п. 1.1 дано краткое содержание первой главы. В первой главе рассмотрены некоторые нелинейные эффекты, возникающие при распространении звука в жидкости с ФВ. Рассмотрен механизм возникновения параметра акустической нелинейности в жидкости и проанализированы популярные современные модели акустической нелинейности жидкости с ФВ. Особое внимание уделено акустической нелинейности жидкости с газовыми пу-

зырьками, когда наблюдается генерация второй гармоники при бигармони-ческом возбуждении. Проанализированы методы-измерения параметра нелинейности в жидкостях и приведены некоторые результаты величин параметра нелинейности. Проведен термодинамический расчет параметра нелинейности морской воды без ФВ на основании гидрологической информации (температуры, солености и гидростатического давления ). В п. 1.2 рассмотрены проявления нелинейности среды, возникающей при распространении звуковой волны конечной амплитуды. Показано, что наличие нелинейных членов в волновом уравнении приводит к появлению искажения формы волны, т.е. происходит генерация гармоник. Наиболее важной характеристикой является нелинейность, вызванная нелинейностью уравнения состояния - она является универсальней характеристикой, присущей любым средам вне зависимости от характера динамики в такой среде и часто называется термодинамической нелинейностью. В качестве характеристики отклонения от линейности вводят понятие параметра нелинейности среды

где р - плотность жидкости, С - скорость звука, Р - амплитуда звукового

давления. Отмстим, что для воздуха параметр нелинейности у = 1,4, тогда как для воды у = 7, В/А = у - 1. Из экспериментальных результатов известно, что величина параметра нелинейности для разных жидкостей изменяется от В/Л ~ 4 до В/А 14.

В п. 1.3 излагаются основные теоретические представления о распространении звука в мнкронеоднородной среде, содержащей фазовые включения, анализируется амплитуда рассеяния звука на газовом пузырьке, показано влияние вида функции распределения пузырьков по размерам на сечение обратного рассеяния, затухания и дисперсию скорости звука. В п. 1.4 приводится обзор существующих методов исследования параметра нелинейности в жидкостях. Показано, что в настоящее время только термодинамический способ дает повторяющиеся величины параметра нелинейности измеренные различными авторами. На основе анализа выбран сравнительный метод, суть которого заключается в определении амплитуд первой и второй гармоник в жидкости, где величина параметра акустической нелинейности г 0 известна (жидкость сравнения) и в жидкости, где этот нелинейный параметр гх неизвестен, на расстояниях меньших расстояния стабилизации второй гармоники. Амплитуды первой и второй гармоник определяются при одинаковом напряжении на излучающем кварце и одинаковом расстоянии излучатель - приемник.

В п. 1.5 проанализированы наиболее популярные современные модели акустической нелинейности В/А жидкостей с фазовыми включениями. Показано, что существующие в настоящее время модели не позволяют определить нелинейный параметр сразу во всем диапазоне изменения концентрации частиц в жидкости.

В п. 1.6 рассмотрено влияние газовых пузырьков на параметр акустической нелинейности в воде, когда наблюдается генерация второй гармоники. Показано, что параметр акустической нелинейности жидкостей с газовыми пузырьками зависит от частоты и функции распределения пузырьков по размерам Я ). Для типичных значений концентрации пузырьков и для распределения £( И.) с максимумом влияние пузырьков уменьшается с ростом частоты.

В п. 1.7 рассмотрены особенности генерации второй гармоники в воде со взвешенными частицами. Эффективность генерации связана с плотностью частиц и их концентрацией. Показано, что при отсутствии пузырьков в суспензиях можно проводить их нелинейную диагностику, т.е. определять плотность частиц и их концентрацию. Присутствие пузырьков затрудняет диагностику, т.е. эффективность генерации второй гармоники будет определяться в основном пузырьками.

В п. 1.8 приводится термодинамический расчет параметра нелинейности ер морской воды без фазовых включений. Показано, что параметр нелинейности ер морской воды растет с увеличением температуры, солености и давления (глубины). Крутизна роста ер уменьшается с увеличением давления и температуры. Показано, что при высоких температурах и больших давлениях приращение параметра нелинейности стремится к нулю. Получена формула для расчета параметра нелинейности, которая неоднократно проверялась в контролируемых лабораторных условиях с эталонной (нормальной) морской водой

ер = 3,44 + 9,75• 1(Г3 • Т + 3,4• Ю-3 • (5-35) + 0,9• 1(Г8 • Р-4,08• Ю"'2 •Р-Т2 где Т - температура в 0 С, Б - соленость в %., Р - гидростатическое давление в Па. Согласно полученной формуле рассчитаны основные типы вертикального распределения ер для различных районов Мирового океана. глава 2. аппаратура и методика проведения экспериментов В п. 2.1 дано краткое содержание второй главы. Во второй главе рассмотрены методические вопросы связанные с излучением и регистрацией акустических волн конечной амплитуды в жидкости. Рассматривается спектральный метод, основанный на выделении гармонических составляющих волны и необходимый для определения параметра акустической нелинейности. Дано описание работы лабораторной установки и морского измери-

теля акустической нелинейности, и методик их применения для измерения акустической нелинейности. Уделено внимание нетрадиционному приему акустических волн в жидкости на лабораторной установке при помощи лазерного двухлучевого интерферометра Майкельсона и определению акустической интенсивности излучения излучателей относительно длины световой волны X = 0,6328 ¡лк. Тщательно изучены вопросы, связанные с возникновением "паразитной" второй гармоники в передающем и приемном трактах и ее фильтрации. Апробирован метод калибровки измерителя акустической нелинейности в реальной морской среде (in situ). В п. 2.2 рассматривается лабораторная установка для проведения исследований нелинейных явлений з жидкостях, возникающих при прохождении в них волн конечной амплитуды. В качестве широкополосного приемника звука используется лазерный двухлучевой интерферометр Майкельсона. Частотный диапазон приемника составляет 500 кГц - 30 МГц при неравномерности АЧХ 0,5 dB. Частотный диапазон приемника имеет ограничения снизу шумами лазера и вибрациями, а сверху полосой пропускания фотоприемника.

В п. 2.3 описываться морской измеритель акустической нелинейности (МИАН), выполненный в виде зонда, который имеет рабочую глубину погружения до 1 км. Частота применяемого в зонде излучения 2,8 МГц, амплитуда звукового давления до 0,3 МПа. Метод измерений основан на измерении величины второй гармоники, генерируемой средой за счет ее нелинейности при распространении волны конечной амплитуды на фиксированном расстоянии между излучателем и приемником. Здесь вторая гармоника растет линейно в зависимости от пройденного расстояния. При этом одновременно идут измерения величины первой гармоники, температуры, скорости звука и гидростатического давления. Параметр акустической нелинейности определялся относительным методом по формуле: = с (Т гП Р2.Ло(Г,Я) р,С\

е* > plxp20(T,H) р0(т;н)с!(т,н)'

где индексы "о" и "х" относятся, соответственно, к жидкости сравнения и жидкости, где s определяется. Расстояние между приемником и акустическим фильтром равное 16 см, выбрано таким образом, чтобы при изменении акустической нелинейности среды до гх =100, без учета поглощения, при амплитуде накачки 10 кПа, амплитуда второй гармоники росла линейно от пройденного расстояния. Расстояние между излучателем и приемником равно 17,2 см. что соответствует первому максимуму дифракционной картины на оси излучателя, при изменении скорости звука от 1440 м/с до 1560 м/с амплитуда давления звуковой волны в точке приема изменяется на

1,5 %, из-за сдвига первого максимума. Юстировка излучателя и приемника проводилась с помощью лазера ЛГ-79-1 совмещением оптической и акустической осей. "Паразитная" вторая гармоника возникающая в передающем тракте устранялась с помощью ФНЧ с подавлением на 30 с!В. Для окончательного подавления "паразитной" второй гармоники в непосредственной близости от излучателя установлен акустический фильтр, представляющий собой пластинку из инвара, установленную под углом ~45° к оси излучатель - приемник. Установленная под углом пластинка также препятствует возникновению стоячих волн. Отношение амплитуды второй гармоники, измеренной на расстоянии 16 см от акустического фильтра, к амплитуде второй гармоники измеренной на расстоянии равном нулю составляет более 60 (1В. Калибровочные зависимости для жидкости сравнения ( дистиллированная вода) были получены непосредственно в море. Методика калибровки в море заключается в следующем. Акустический канал ( излучатель-приемник), измеритель скорости звука и датчик температуры помещали в сосуд с дистиллированной водой. В качестве сосуда использовалась труба из полиэтилена с толщиной стенки 0,1 мм, для жесткости армированная металлической сеткой с ячеей 1,5 см. Зонд погружался в море, выдерживался на различных глубинах и по результатам строились калибровочные зависимости Р10(Т,Н), РИ(Т,Н), С0(Т,Н), е0(Т,Н) необходимые для расчета параметра акустической нелинейности 8,.

глава 3. результаты экспериментальных исследований структуры поля параметра акустической нелинейности в мировом океане В п. 3.1 дано краткое содержание третьей главы. В третьей главе излагаются и анализируются результаты исследований структуры поля параметра акустической нелинейности, полученные посредством описанных в главе 2 лабораторного комплекса и морского измерителя акустической нелинейности, проведенные на морской экспериментальной станции ТОЙ ДВО РАН о. Попов и в экспедиционных рейсах на НИС "Академик А. Виноградов", "Профессор Богоров" и "Борей". Рассматриваются механизмы возникновения повышенных значений параметра акустической нелинейности морской среды. Измерения были выполнены в основном в верхнем слое различных районов Мирового океана: в Японском море, в северо-западной части Тихого океана, в экваториальных областях Тихого и Индийского океанов. Измерения проводились также на акустико-гидрофизическом полигоне ТОЙ ДВО РАН в Японском море (в районе б.Витязь). Наиболее полно исследован диапазон пространственных масштабов неоднородностей и временных флуктуаций поля параметра акустической нелинейности в шельфовой зоне Японского моря.

В п. 3.2. представлен анализ вертикальных профилей тонкой структуры первой, второй и третьей гармоник в верхнем слое океана. Показано, что в поверхностном слое до 10 м амплитуда первой гармоники имеет небольшие вариации и далее с глубиной монотонно спадает. Амплитуда второй и третьей гармоники имеют максимум флуктуации на глубинах 7-12 м, 30-45 м и 65-85 м. Тонкоструктурные неоднородности на всех станциях характеризуются разнообразием форм, вертикальных масштабов. Некоторые результаты измерений параметра акустической нелинейности и температуры, приведенные на рис. 1, полученные в одном из районов экваториальных вод Индийского океана и для них характерен подобный профиль кривых с положительным градиентом параметра акустической нелинейности на глубинах 90 - 115 м. Отметим, что на глубине порядка 100 м на эхолоте наблюдаются четко выраженные звукорассеивающие слои (ЗРС) с резким уменьшением звукорассеяния на глубинах ниже 120 м. Эти ЗРС обусловлены наличием зоопланктона и их структура по глубине также подтверждается данными облова зоопланктона сетью Джеди.

В п. 3.3 изучается структура поля параметра акустической нелинейности. Проведена фильтрация профилей для разделения пространственных масштабов при помощи косинус-фильтра. Получены нормированные вертикальные автокорреляционные функции. Радиус автокорреляции г(е,е) и

г(Т,Т) по вертикали, определенный по уровню нулевой корреляции составляет для r(s,s) « 1,5+6 м, а для r(T,T) ~ 2+10 м. Расчеты коэффициентов корреляции между параметром акустической нелинейности и температурой R(e,T), и скоростью звука R(e,C) на различных горизонтах выявили выраженную статистическую обособленность отдельных слоев толщи вод. Так поверхностный слой выделяется слабой коррелированностыо. Высокие коэффициенты корреляции характерны для сезонного термоклина. Следует отметить, увеличение коэффициентов корреляции в глубинных слоях. В области термоклина значения коэффициентов корреляции составляют Rf;:,T) = - 0,83, R(e,C) = - 0,79, R(T,C) = + 0,67. Наблюдаемая периодичность корреляционных функций обусловлена высокочастотной фильтрацией случайного процесса с убывающей спектральной пло скостью С (к) - к В большинстве случаев наклон спектра вертикальных профилей нелинейности больше наклона спектра температуры, т.е. k¡" > k"r" , а разность степеней наклона спектров Дб равна ~ 0,2. Получены изменсзптп параметра акустической нелинейности от температуры и скорости звука в море: для вертикальных профилей ( де/ ЭТ) v » 0 3 ■•- э *-пап"': для горизонтов (¿л-;/<31)л г» i-i-• 1. " .,, ' ' ■■

4 5 6 7 3,70 3,75 £р 27 31, Т° С

и температуры от глубины. Ичцчйский о::сйч 5 - расчетная величина параметра акустической кгчикс^постн г.,.

(де/дТ)н / (де/дТ)у к 10 следует, что горизонтальные неоднородности параметра акустической нелинейности сформированные за счет температуры на порядок выше вертикальных. ~ -----В п. 3.4 рассматривается изменчивость параметра акустической нелинейности в условиях морского залива Японского моря .(залив Петра Великого) и рассматривается вопрос о том какой вклад вносят ВВ в величину флуктуации параметра акустической нелинейности. Измерения ВВ в этом районе показывают, что спектральная плотность мощности (СПМ) ВВ уменьшается с ростом частоты согласно модельному спектру Гаррета и Манка пропорционально о", где а = -2. Поведение спектров акустической нелинейности в общем похоже на поведение температурных спектров, в частности, имеются также одинаковые периоды 49, 21, 12, 9,4, Л,2, 4.7 мин, характерные для данного района. Оказывается, что СПМ акустической нелинейности спадает по степенному закону, при этом на глубине 15 м (см. рис. 2) СПМ пропорционально со"1'5 и на глубине 25 м со"1'1, в тоже время спектр температуры уменьшается с частотой пропорционально со"2-1. Степенной показатель а для акустической нелинейности в данном районе изменяется от -1,1 до -1,85. При отсутствии ВВ показатель степени а увеличивается и обычно а > -1, например, для бухты Алексеева а « -0,6. Анализ пространственного распределения е, (см. рис.3) показывает, что максимум параметра акустической нелинейность сдвигается в низкочастотную область по мере удаления от берега в море. У берега максимум СПМ приходится на периоды волн 4-16 мин, а на границе шельфа 30-52 мин. По записям буксировок рассчитаны пространственные спектры воли параметра акустической нелинейности, длины волн которых приходятся на интервал 60-1600 м. Имеются общие пики с длинами волн 1600, 1100, 650, 440, 360, 67 м для буксировок сделанных в разное время. Пик, соответствуют!!;: лл'-'ке 440 м отвечает периоду волны 24 мин при скорости распространен;^! 13В V 0,3 м/с, а пик 360 м соответствует периоду 20 мин Наткни« одинаковых длин волн в спектрах разрезов, полученных в равное зре?«я и соггг.д-.т-с результатами измерений ВВ, подтверждают, что модули;, г п-рмстрз акустической нелинейности на трассе происходит за счет ВВ. Р п. 3 5 тт^ечзется. что полученные результаты абсолютных величин параметра пкустической нелинейности е, з мор?, -сок лрэтило. больше рассчитанных ер для морской ьоды без ФВ и их ошэшепае дос ас» ¿паче-шш 5,2. Рассматривается фито- и зоопланктон в качестве источника газов?« пузырькос, дд^тг.ош;!?:?- •• пр-г - • --------

сыллвлющсх поЕк^еякую г^личину г,. Е.'.-аянкг и^и

метр зкусгяческсй нелинейности можно увидеть по данным, представлен-

ным на рис. 4. Здесь фильтрованная морская вода имеет среднее значение £„, = 4,212.

Наряду с повышенными значениями е, для моря, характерно также наличие изменений е, связанное с суточной миграцией планктона и параметрами ВВ. В работе показано, что такое значительное повышение е,, в некоторых слоях водной массы, могут дать только газовые пузырьки.

емя, час

Рис. 2. Флуктуации параметра акустической нелинейности и тегс.оратуры на глуби:.. 15 „.-,на 1 кп от Ссрс»м мыса Шульц, Японское море.

Рис. 3. Пространственные колебания параметра акустической нелинейности и температуры на глубинах 1) - 20 м и 2)- 15 м, на разрезе через границу шельфа при прохождении прямого (1) и обратного (2) галсов. Японское море.

Показано, что максимумы е , приурочены к слоям с максимальным градиентом температуры и плотности воды на границе между водами холодного и теплого промежуточных слоев, точно также распределены скопления планктона по глубине (рис. 1). Приведены оценки нелинейности по данным натурных измерений газоы^х пузырьков различными авторами. Показано, что при типичных функциях распределения пузырьков по размерам в море §(11), имеющую степенной характер, величина параметра акустической аку-

стической нелинейности равна ~ 4 -ь 8. Эти значения Де совпадают с экспериментальными результатами приведенными в данной работе.

Время, час

Рис.4. Зависимость параметра акустической нелинейности для не фильтрованной ех и фильтрованной еш морской воды. # - ех и • - сш - 29 августа, бухта Алексеева; 6 - с% и ♦ - сги - 30 августа, Амурский залив; Ф - сх и А - ст - 30 августа, проба взята в 500 м от

устья впадения речки в Амурский залив,-Ф - сх и ■ - ет - 23 сентября, бухта Алексеева.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Сформулируем основные результаты, полученные в диссертации.

1. В работе проанализированы наиболее популярные современные модели акустической нелинейности жидкостей с ФВ и показано, что они не в состоянии достаточно точно выявить поведение нелинейного параметра сразу во всем диапазоне изменения концентрации ФВ в жидкости.

2. Проанализирована акустическая нелинейность жидкости с газовыми пузырьками, когда наблюдается генерация второй гармоники при бигармони-ческом возбуждении. Показано, что акустическая нелинейность жидкостей с газовыми пузырьками зависит как от частоты звука, так и от типа функции распределения пузырьков по размерам Для типичных величин концентрации пузырьков и для функции распределения с максимумом влияние пузырьков резко уменьшается с увеличением частоты.

3. Впервые получена и подтверждена эмпирическая формула для расчета параметра акустической нелинейности ер морской воды без ФВ как в лабо-

раторных условиях, так и в натурных условиях для широкого изменения внешних параметров. Сформулированы основные типы вертикального распределения ер характерные для различных районов Мирового океана. Величина параметра акустической нелинейности ср растет с увеличением температуры, солености и гидростатического давления, при этом градиент параметра акустической нелинейности уменьшается с увеличением глубины (давления). Показано, что при высоких температурах и больших гидростатических давлениях параметр акустической нелинейности е,, практически не изменяется.

4. Разработан метод исследования параметра акустической нелинейности в мере па зтлеоких частотах, основанный на генерации второй гармоники возникающей при прохождении через воду волн конечной амплитуды. Создана аппаратура, реализующая предложенный метод для исследования пространственно-временного распределения параметра акустической нелинейности в натурных условиях до глубины 1 км и разработана процедура калибровки измерителя акустической нелинейности непосредственно в море.

5. Впервые систематически проведены измерения и получены данные о величине параметра акустической нелинейности, его флуктуациях в различных районах Мирового океана. Показано, что измеренный параметр аку-с! нчсскоп нслпнсниис ги с. превышает расчетный параметр ер. Диапазон изменения ;; открытом океане равен 4,2+9,0. В шельфовой зоне разброс сч, как правило, больше И достигает величин 3,7-;-21. Основной вклад в повышенную акустическую нелинейность вх в море вносят фазовые включения - пузырьки газа.

6. Наибольшую изменчивость в океанической среде испытывает величина пространственных и временных флуктуации параметра акустической нелинейности, при это.'-! следует юворить о наличии я различных районах океана различной устойчивой вертикальной тонкой структуры флуктуации акустической нелинейности. Для всех районов океана характерна значительная горизонтальная неоднородность поля е* . Поле акустический нелинейности в определенных пространственных масштабах, зависящих от типа водных масс, является слабо изменяющемся во времени и, по-видимому, описывает некоторое квазистационарное состояние морской среды, устанавливаемое в результате сложного взаимодействия различных гидрофизических факторов.

7. Установлена связь спектральных и корреляционных характеристик флуктуации параметра акустической нелинейности с характеристиками ВВ на шельфе Японского моря, позволяющая восстанавливать характеристики ВВ по измеренному полю ех .

8. Результаты проведенных исследований свидетельствуют о наличии характерных "районных" изменений характеристик поля акустической нелинейности, поэтому следует в дальнейшем проводить целенаправленные работы по изучению параметра акустической нелинейности ех в различных (типичных по характеру водных масс) районах Мирового океана с целью классификации параметра акустической нелинейности по районам.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Горкавенко В.В., Копвиллем У.Х. Экспериментальное исследование нелинейного акустического параметра в морской воде // Деп. в ВИНИТИ 1983. № 791 - В83. 9 с.

2. Горкавенко В.В., Копвиллем У.Х. Изменчивость поля акустической нелинейности в море // Всес. конф. " Использование современных физических методов в неразрушающих исследованиях и контроля ": Тез. докл. Хабаровск, 1984. Секц. 2. С. 84 - 85.

3. Горкавенко В. В. Измерение нелинейного акустического параметра в морской воде // В кн.: Переходные явления в океане, атмосфере и литосфере. Владивосток, ТОЙ ДВНЦ АН СССР. 1985. С. 25-31.

4. Горкавенко В. В. Исследование акустических нелинейных свойств морской воды // Всес. совещание по техническим средствам и методам изучения океанов и морей: Тез. докл. Геленджик, 1985. С. 43 - 44.

5. Горкавенко В. В., Попов В. С. Способ определения дисперсии скорости звука //Автор.свид.№ 1170287 (СССР). 1985. Бюл. изобр.№ 28.

6. Горкавенко В.В., Копвиллем У.Х. Расчет акустической нелинейности в морской воде // Деп. в ВИНИТИ 30.04.1985. № 2872-В85. 12 с.

7. Горкавенко В. В. Морской измеритель акустической нелинейности // Всес. совещание "Глубоководные системы и комплексы": Тез. докл. Черкассы, 1986. Ч. 1. С. 96 - 97.

8. Копвиллем У. X., Горкавенко В. В. Изучение биологических сред посредством параметра акустической нелинейности И Всес. симпозиум "Применение ультразвука в промышленности и медицине": Тез. докл. Вильнюс, 1987. С. 19.

9. Горкавенко В. В., Копвиллем У. X. Акустическая нелинейность самоорганизующейся системы // 3 Всес. конф. " Использование современных физических методов в неразрушающих исследованиях и контроля ": Тез. докл. Хабаровск, 1987. С. 231 -232.

10. Горкавенко В.В., Копвиллем У.Х., Решецкий В. И. Морской измеритель акустической нелинейности и регистрация внутренних волн И Всес. школа "Технические средства и методы изучения океанов и морей": Тез. докл. Геленджик, 1987. С. 54 - 55.

11. Горкавенко В. В. Исследование акустической нелинейности морской среды // Отчет-о работах в 24 рейсе НИС "Профессор Богоров". Владивосток, 1987. С. 26 - 39.

¡2. Горкавенко В. В. Исследование тонкой структуры поля акустической нелинейности // Отчет о работах в 12 рейсе НИС "Академик А. Виноградов". Владивосток, 1988. Т. 1. С. 332-334.

13. Горкавенко В. В. Исследование нелинейных акустических свойств морской среды // Отчет о работах в 29 рейсе НИС "Профессор Богоров". Владивосток, 1989. С. 113- 142.

14. Горкавенко В. В., Копвиллем У. X. Исследование изменчивости акустической нелинейиссти в верхнем слое океана // Всес. школа "Технические средства и методы изучения океанов и морей": Тез. докл. Геленджик, 1989. Т. 2. С. 21.

15. Горкавенко В. В. Изучение флуктуаций акустической нелинейности в верхнем слое моря // 5 Дальневосточная акуст. конференция. Тез. докл. Владивосток, 1989. Ч. 1. С. 15 -16.

16. Горкавенко В. В., Копвиллем У. X. Регистрация гидродинамических возмущений посредством их влияния на акустическую нелинейность среды //Дсп. в ВИНИТИ 21.05.1990. №2761 -В90. 12 с.

17. Копвиллем У. X., Горкавенко В. В. Акустическая нелинейность самоорганизационных систем // 2 Всес. совещание "Физические основы построения устройств обработки информации на молекулярном уровне": Тез. докл. Москва, 1990. С. 27.

18. Горкавенко В. В. Измерения нелинейного параметра водной среды // Отчет о работах в 20 рейсе НИС "Академик А. Виноградов". Владивосток, 1992. Т. 1. С. 100-108.

19. Горкавенко В. В., Копвиллем У. X. Акустическая нелинейность самоорганизующейся системы // Оптика атмосферы и океана. 1993. Т. 6. № 7. С. 877 - 882.

20. Горкавенко В. В. Флуктуации акустической нелинейности в шельфовой зоне Японского моря // Доклады Дальневосточной акуст. конф. Владивосток, ТОВВМУ. 1994. С. 58-61.

21. Буланов В. А., Горкавенко В. В. Акустическая нелинейность деятельного слоя моря // Доклады IV сессии Российского акустического общества. Москва. 1995. С. 128 -131.

22. Горкавенко В. В. Пространственная и временная изменчивость поля акустической нелинейности на шельфе Японского моря // В кн.: "Морские технологии". Под ред. Агеева М. Д. Владивосток. 1996. Вып. 1. С. 230 - 239.