О влиянии стратификации скорости ветра и температуры приземного слоя атмосферы на распространение низкочастотных звуковых волн тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.12 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ФИЗИКИ АТМОСФЕРЫ

На правах рукописи

ОТРЕЗОВ Александр Иванович

О ВЛИЯНИИ СТРАТИФИКАЦИИ СКОРОСТИ ВЕТРА И ТЕМПЕРАТУРЫ ПРИЗЕМНОГО СЛОЯ АТМОСФЕРЫ НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ НИЗКОЧАСТОТНЫХ ЗВУКОВЫХ ВОЛН

Специальность 01.04.12 — геофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 1992 г.

Работа выполнена в Институте физики атмосферы Российской Академии наук.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

кандидат физико-математических наук Чунчузов И. П.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

доктор 'физико-математических наук Кон А. И. кандидат технических наук Аржанов М. В.

ВЕДУЩЕЕ ПРЕДПРИЯТИЕ:

Нижегородский научно-исследовательский радиофизический институт

Защита диссертации состоится « Ш92 г.

в час. «а заседании специализированного совета ИФА РАН

(шифр К.003.1'8.01) по геофизике (специальность 0Ю4112).

Адрес ИФА РАН: 1-0Ш17 Москва, Пыжевский пер., & С диссертацией можно ознакомиться в библиоткс ИФА РАН.

Автореферат разослан «

11992 г.

Ученый секретарь специализированного совета, канд. физ.-мат. наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Акустические волны с частотами ниже 30 Гц играют особую роль в атмосферной акустике. Их способность, благодаря слабому молекулярному поглощению и явлению волноводного распространения, распространяться на дальние расстояния (сотни и тысячи километров) от источника, создает возможность для практического применения низкочастотных волн в задачах дальнего обнаружения и локации различных источников звука в атмосфере (взрывы, сверхзвуковые самолеты и ракоты, авиационные и производственна шумы, метеофронты, грозы, смерчи, пожары и др.), дистанционного зондирования и акустической томографии атмосферы. При решении подобных задач принципиально необходим учет влияния стратификации скорости ветра и температуры атмосферы на волновое поле источников, в частности, на ослабление а!.ахлитуды поля, на исказение фазового фронта, а также на- форму н длительность акустических сигналов от источников, имениях к?я1ульсный характер излучения.

Число искусственных источшшоз инфразвука неуклонно возрастает Еместе с научно-техническим прогрессом, поэтому несомненна актуальность проблемы распространения низкочастотных волн в приземном слое атмосферы - прямом акустическом канале распространения. Специфика приземного слоя атмосферы состоит з том, что его толщина (несколько десятков мэтроз) сравнима по величине или меньше длины звуковой волны на низких частотах, поэтому учесть влияете стратификации приземного слоя на полз источников кезосмогзга в рамках лучевого подхода, традиционно применяемого в акустике неоднородной движущейся средн. В этом случае вблизи поверхности супкст-

5ÔHK0 проявляются ЕОЛНЭЕНЭ Э'^еКТЫ, ЕЦЗВВНППЭ K2IC неоднородность!.1 температуры, так и скоростью негра приземного слоя при-

чем Еетер ео многих случаях оказывает превалирующее влияние. Учет влияния болноеых эффектов возможен только в рамках волновой теории, которая применительно к неоднородным движущимся средам стала интенсивно развиваться лишь в последнее десятилетие. Одновременно с потребностью в волновой теории, возникла также необходимость в экспериментальном исследовании влияния реальной приземной стратификации скорости Еетра и температуры атмосферы на поле низкочастотных источников и е объяснении экспериментальных данных с позиции волнового подхода. Поэтому цель данной работы состоит в экспериментальном исследовании влияния стратификации скорости ветра и температуры приземного слоя атмосферы на распространение НЧ звука от гармонических и импульсных источников и в сравнении экспериментальных данных с существующей волновой теорией.

Научная новизна работы. Получены новые результаты по ослаблению низкочастотных волн (10 и 30 Гц) в условиях устойчивой и неустойчивой стратификации приземного слоя атмосферы и для разных типов подстилающей поверхности земли (поле и лес). Впервые экспериментальное исследование распространения низкочастотных волн было проведено при непрерывном контроле приземной стратификации скорости ветра и температуры с помощью методов акустического и радиоакустического зондирования.

Показано, что на амплитудное распределение поля инфразвуковой волны вблизи земной поверхности, а также на изменение формы и длительности акустического импульса в пограничном слое атмосферы преимущественное влияние оказывает стратификация скорости ветра (по сравнению со стратификацией температуры и влиянием импеданса подстилающей поверхности земли.

Исследовано вертикальное распределение низкочастотного поля над

разншл: типами подстилающей поверхности земли и при .резных типах стратификации.

Разработана методика измерения флуктуаций фазы низкочастотной волны и исследована корреляционная связь фазы о флуктуациями скорости ветра и влияние на фазу стратификации скорости ветра и температуры.

Изучены закономерности искажения форты длительности акустического импульса в зависимости от направления распространения, расстояния от источника и типа стратификации скорости ветра и темпе-« ратуры приземного слоя атмосферы.

Показана принципиальная возможность использования импульсного •источника для наклонного зондирования атмосферы.

Практическая значимость. Результаты диссертации по ослаблению амплитуды, и. измерению фазы звуковой волны могут быть использованы для прогноза распространения низкочастотного звука в разных направлениях вдоль земной поверхности от источника и при разных метеоусловиях, что важно для задач акустической локации источников инфразвука при определении мощности и местоположения источника, а также для расчета зон безопасного уровня звука от . сильношумящих производственных объектов в целях их рационального размещения на местности, а также от взрывов, запусков ракет и от других.источников.

Результаты исследования закономерностей.искажения и расцепления . импульсов от детонационного источника,-при распространении вдоль ' земной поверхности могут "быть использованы для моделирования прЗ1' цессов распространения импульсов от взрывов разной косности в атмосферных волноводах, а также для акустической диагностики скорости ветра и температуры в пограничном слое атмосферы.

Апробация результатов. Основные результаты диссертации докладывались на X Всесоюзной Акустической конференции (1983г.); на конференции молодых ученых в ГГО; на сессии Научного Совета "Акустика" (Москва, 1989г.); на семинарах Акустического института им.Н.Н.Андреева; на школах и семинарах ИФА АН СССР.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глаЕ и заключения. Объем 98 машинописных листое, в том числе 42 рисунка и список литературы из 47 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во Введении обосновывается актуальность исследований, сформулирована цель диссертации, научная новизна и практическая ценность.

В первой главе приводится -обзор теоретических и экспериментальных работ по распространению -звука в приземном слое атмосфера. Приводится ряд работ посвященных лучевому подходу- к решению этой проблемы. Отмечается, что для решения проблемы распространения НЧ звука в неоднородной движущейся среде, когда масштаб неоднородности изменения скорости ветра с высотой сравнивается с длиной еолнн НЧ звука, лучевой подход неприменим. Поэтому далее анализируются теоретические работы, в которых развивался волновой подход. Приводится, в частности, волновое решение поля точечного источника при экспоненциальных профилях скорости ветра и температуры в приземном слое атмосферы. Приводятся также результаты теоретических раоот п: распространению звука в однородной атмосфере вдоль импедансной локально-реагирующей границы.

Во второй главе описывается разработанные автором методика и техника экспеииментов по исследованию распространения гармонической волны, с частотой 10 Гц или 30 Гц, в приземном слое атмосферн

при постоянном контроле стратификации скорости ветра и температур« с помощью специальной градиентной мачты, высотой 32 м и методоЕ акустического и радиоакустического зондирования.

В качестве низкочастотного источника, созданного в Радиоакустической лаборатории ИФА РАН использовалась труба-рэзонатор, длиной Эми диаметром 0,8 м, в которую мощным вентилятором накачивается воздух через заслонку, прерывающую поток с частотой равной акустическому резонансу трубы. В качестве приемника использовался микрофон фирмы В К с масштабным усилителем и узкополосным фильтром.

В эксперименте была выявлена • азимутальная анизотропия законов ослабления амплитуды НЧ ЗЕука в разных направлениях от источника. Показано, что в услошях устойчивой стратификации приземного слоя атмосферы вдоль одной из двух трасс, составляющей острый угол с направлением скорости ветра формируется акустический волновод, обуславливающий закон спадания амплитуды поля едоль трассы слизкий к В этот же период времени вдоль второй трассы, исходящей

от источника в направлении против скорости ветра спад амплитуды с расстоянием происходил быстрее, чем г~", что соответствовало анти-волноводному характеру распространения. В ходе метеорологических измерений амплитуды было установлено, что в условиях нейтральной стратификации влиянием подстилающей поверхности (поле и лес) на ослабление амплитуды НЧ волн, распространяющейся едоль поверхности земли, можно пренебречь.

Впервые изучено вертикальное распределение амплитуды НЧ волк над поверхностью земли. При этом использовалась привязная оболочка, заполненная гелием, которая вместе с приемником могла подниматься до высоты 75 метоов. Показано, что в услоекях волноесдг-сгс распространения НЧ звука его амплитуда убывает с высотой сгре-

деленного значения, достигаемого на высоте нескольких десятков метров. Толщина слоя концентрации волнового поля растет с расстоянием. При антиволноводном распространении происходит рост амплитуды с высотой. В условиях же нейтральной стратификации приземного слоя было показано, что амшштудв не меняется с высотой независимо от типа подстилающей поверхности (поле и лес). Далее в этой же главе описывается предложенная автором экспериментальная методика измерения фазового набега НЧ волны и его флуктуаций. Проведенные измерения показали, что флуктуации фазового набега НЧ волны обусловлены глэеным образом крупномасштабными флуктуациями проекции скорости ветра вдоль базы, соединяющей два приемника фазометра. Обнаружен и измерен эффект изменения фазового набега НЧ волны из-за изменения стратификации скорости ветра и температуры в период формирования приземной инверсии.

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию влияния стратификации скорости ветра и температуры приземного слоя атмосферы на распространение акустического импульса вдоль земной поверхности. Генерация импульсов стабильной Форш (с ударным фронтом) осуществлялась с помощью специального детонационного источника. В начале главы дается краткий обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных этой проблеме и описывается методика и техника эксперимента. Также как и в случае с гармоническим источником этот эксперимент проводился при постоянном контроле стратификации скорости, направления ветра и температуры пограничного слоя атмосферы методами акустического и радиоакустического зондирования. В ходе этих экспериментов было изучено влияние темперь-турной и ветровой стратификации на форму и длительность акустического импульса в разных азимутальных направлениях от источника к не

€

разных расстояниях от него. Показано, что в дневное время, в условиях конвективной неустойчивости, когда стратификация близка к нейтральной, с увеличением расстояния от источника из-за влияния импеданса форма импульса сглаживается и растягивается по длительности. В условиях же существования приземного акустического волно-Еода в условиях устойчивой стратификации, импеданс подстилающей поверхности практически не оказывает влияния на головную часть сигнала, но сглаживает "хвост" сигнала. Показано, что ветровая стратификация обуславливает азимутальную анизотропию формы импульса, что связано с изменением числа мод в зависимости от азимута точки наблюдения. При изменении азимутального угла-и с увеличением расстояния от источника происходит "расщепление" сигнала на отдельные приходы, причем число приходов и интервал времени между ними растет с расстоянием от источника, что качественно согласуется с выводами волновой теории.

Б заключении диссертации приведены основные ее результаты, выносимые на защиту.

ОСНОВНЫЕ ТЕЗУЗГЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ В настоящей работе впервые проведены экспериментальные исследования распространения низкочастотных гармонических звуковых волн (10 и 30 Гц) и импульсов в приземном слое атмосферы при контролируемой стратификации скорости ветра и температуры.

Показано, что основное влияние на амплитудное ослабление п фазу гармонической НЧ еолны оказывает стратификация скорости ветра. При нейтральной стратификации ослабление инфразвука происходит по згг-кону г , а при наличии приземного волновода, обусловленного стратификацией скорости ветра и температуры, ослабление подчиняется

—Т/""1

закону г .

Изучены законы ослабления и высотного распределения амплитуды инфразвуковых волн в условиях волноводного и антиволноводного распространения, т.е. вдоль и против направления скорости ветра.

Экспериментально показано, что влияние подстилающей поверхности при различных метеоусловиях погранслоя на ослабление инфразвуковш волн до расстояний, ограниченных модностью источника, несущественно и не зависит от типа подстилающей поверхности (поле и лес).

Обнаружено влияние изменения стратификации температуры и скорости ветра в приземном слое атмосферы на изменение фазового набега волн. Показано, что флуктуации фазы низкочастотной еолны обусловлены глэеным образом крупномасштабными флуктуациями проекции скорости ветра едоль базы фазометра.

Изучена зависимость формы акустического импульса, излучаемого детонационным источником, в зависимости от расстояния (7 км) и направления распространения по отношению к направлению скорости ветра. Обнаружено расщепление отдельного импульса на несколько приходов при измерении азимута точки наблюдения и при увеличении расстояния от нее.

Изучены закономерности изменения формы сигнала при изменении типа стратификации погранслоя атмосферы, в частности, при формировании инверсии в вечернее время. Установлено, что импеданс подстилающей поверхности практически не оказывает влияния на первые приходы сигнала и наоборот, сильно "сглаживает" и ослабляет "хвост" сигнала, что качественно согласуется с выводами волновой теории.

Измерения с помощью трех датчиков горизонтальных и вертикальных углов прихода позволяют сделать вывод о принципиальной возмокности использования акустического импульсного источника для диагностики стратификации погранслоя атмосферы.

Е

ЛИТЕРАТУРА

1. Куличков G.H. Чунчузов И.П. Отрезоь А.1'. и др. Распространение акустического импульса ь пограничном слое атмосферы. Препринт,М.,1988,ИФА АН СССР,с.76.

2. ОтрезоЕ А.И., Чунчузов 15.П. Распространение низкочастотных звуковых волн е приземном слое атмосферы. - ФАО, 1986, т.22, #4; с.356- зез.

3. Грачев А.И., Морлухович М.К., Отрезов А.И. Экспериментальное исследование распространения инфразвуковых волн вдоль земной поверхности. - Труды X Всесоюзной Акуст. конф.,М..Секция A, I9S3. с.45-48.

4. Отрезов А.И. Депонент в сб."Труды конф. молодых ученых и специалистов ГТО им.А.И.Воейкова" - Л. ,1986,21-25 апр. ,Деп.Х622-Ш

от 6.03.37.

5. Отрезов А.И., Чунчузов И.П. Об амплитудном распределении низкочастотного звукового поля вблизи поверхности земли. - ФАО,1987, т. 23. J6I, с .103-108.

6. Нестерова Т.Н., Отрезов А.К., Смирнов A.C., Чунчузов И.П. О влиянии стратификации температуры и ветра в приземном слое атмосферы на фазу низкочастотной звуковой волны. - ФАО, 1987,

т.23. Ji2,c.2i:-£IS.

7. Буш Г.А.. Грачев А.И.. Отрезов A.Ii, и др. Распространен:;? инфразЕуковых волн от экспериментального взрыва (по программе МАССА). - Препринт.U..ИФА АН СССР.1932.с.Зс.

ОГЛАВЛЕНИЕ ДИССЕРТАЦИИ.

Стр.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. Обзор теоретических в экспериментальных данных по распространению звука в приземном слое атмосферы.

1.1. Лучевой подход в проблеме распространения звука вдоль поверхности земли.

1.2. Волновой подход.

1.3. Обзор теоретических и экспериментальных данных по распространению звука над поверхностью земли с конечным импедансом.

1.4. Исследование искажения фазового фронта звуковой волны. ГЛАВА 2. Экспериментальное исследование распространения низкочастотного звука гармонического источника в приземном слое атмосферы.

2.1. Методика эксперимента.

2.2. Результаты экспериментальных исследований ослабления амплитуды низкочастотного звука.

2.3. Исследование влияния подстилаицей поверхности земли на ослабление НЧ звуковых волн.

2.4. Влияние стратификации температуры и скорости ветра на фазу волны НЧ звука.

ГЛАВА 3. Распространение акустического импульса в пограничном слое атмосферы.

3.1. Краткий обзор теоретических и экспериментальных данных.

3.2. Методика эксперимента.

3.3. Результаты экспериментов. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

ЛИТЕРАТУРА.