Влияние случайных нерегулярностей на распространение звука в мелководных океанических волноводах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

ИНСТИТУТ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

од

- :

на правах рукописи

ИЕРЕСЁЛКОВ СЕРГЕЙ АЛЕКСЕЕВИЧ

ВЛИЯНИЕ СЛУЧАЙНЫХ НЕРЕГУЛЯРНОСТИ!! НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЗВУКА В МЕЛКОВОДНЫХ ОКЕАНИЧЕСКИХ ВОЛНОВОДАХ.

01.04.06 - акустика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата фнчпко-математическнх наук

Москва 19 9 8

Работа выполнена на кафедре математической физики Воронежского государственного университета

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук Б.Г. Кацнельсоп

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Р.Ф. Швачко

кандидат физико-математических наук В.М. Кузькин

Ведущая организация: Институт океанологии им. П.П. Ширшова

Защита состоится: " ¡^ "^АСС^О 1998 г. и с-

на заседании специализированного совета Д-003.49.02 в Институте общей физики РАН по адресу: 117942, ГСП - 1, Москва, В-333, ул. Вавилова, 38

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИОФ РАН

Автореферат разослан "

Ученый секретарь специализированного совета, доктор физико-математических наук

оа>с,гл 1998 г.

Б. П. Быков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ

Актуальность работы.

13 настоящий период гидроакустические средства связи, локации, управления и мониторинга активно используются в процессе изучения и освоения вод Мирового океана. Повышение эффективности работы гидроакустических устройств требует создания реалистических моделей звукового поля в океанической среде, позволяющих точнее предсказывать измеряемые характеристики поля. Хорошо известно, что океаническая среда носит случайный характер, обусловленный внутренними волнами, тонкоструктурными образованиями, поверхностными волнами, турбулентностью., неровностями дна и т.п. Наличие случайных перегулярностей в океанических волноводах приводит к акустическим эффектам, которые не могут быть описаны в рамках детерминированных моделей. Поэтому одно из актуальных направлении современной акустики океана - разработка статистических моделей, позволяющих учитывать влияние случайных перегулярностей океанической среды на звуковое поле,

Распространение звука в случайно-неодородных средах и, в частности, в подводных звуковых каналах (ПЗК), является объектом активных исследований, как теоретических, так и экспериментальных на протяжении нескольких десятков лет. К настоящему моменту в океанической акустике наиболее полное исследование проблемы проведено в рамках лучевого подхода: {Чернов, 1958), (.Иысаиов, 197-1), (Швачко, Чупрок, 1974), (Рытое, Кравцов, Татарский, 1978), (Флатте, 1982). Как известно, для низких частот лучевой подход теряет свою эффективность. В этом случае для исследования акустических эффектов, вызванных случайной нерегулярностью среды распространения, используют модовый подход: (Колер, Папапико-лау, 1977), (Dozier, Tappen, 1978), (Дотш, Нечаек, 1981), (Кряжев, Кудря-шов, 1984), (McDaniel, McCommon, ¡987), (Сазоитов, Фарфель, 1088), (Горская, Раевский, 1990, 1992). Однако следует отметить, что авторы большинства работ, разрабатывая модовое описание поля в случайно-нерегулярных волноводах, либо ориентировались на глубоководные ПЗК, либо для мелкого моря рассматривали существенно идеализированные модели.

Представляется актуальным в рамках модового подхода исследовать особенности распространения низкочастотного звука в случайно-нерегулярных мелководных ПЗК на базе более реалистичных моделей. В частности, е учетом реального профиля скорости звука, изменении глубины канала (генерального рельефа дна), донного поглощения. Последнее, на-

пример, будучи зависимым от номера моды, оказывает на звуковое ноле влияние, сравнимое по своему эффекту с действием рассеянии па случайных нерегулярностях канала и существенно усложняет картину в мелком море.

Важность данной задачи исследования обусловлена тем, что:

• хотя использование детерминированных моделей ПЗК и дает хорошие результаты при интерпретации экспериментальных данных, часто в мелком море их применение наталкивается па существенные ограничения, особенно на больших расстояниях, когда играет роль накопление эффектов рассеяния.

• некогерентная (флуктуационная) компонента звукового поля, обусловленная рассеянием зондирующего или передающего сигнала различными гидродинамическими явлениями, рассматривается в задачах гидролокации и передачи информации как помеха; знание характеристик такого рода помех позволит оптимизировать алгоритмы обработки сигнала.

• акустические эффекты, обусловленные случайной изменчивостью ПЗК, сами являются дополнительным источником информации о среде распространения, в частности при решении обратных задач мониторинга, океанического шельфа.

Цель и основные задачи работы.

Теоретическое исследование особенностей распространения низкочастотного звукового поля в случайно-нерегулярных мелководных ПЗК: разработка методики анализа случайно-нерегулярных звуковых каналов с мелком море; получение аналитических оценок усредненных характеристик звукового поля на основе упрощенных моделей мелководных ПЗК; численные расчеты в рамках более сложных моделей для реальных акустических трасс.

Метод исследования.

Для описания звукового поля в случайно-нерегулярном мелководном ПЗК используется модовый подход. С методической точки зрения проведенное исследование можно разделить на две части:

• усредненное описание звукового поля в мелководном ПЗК на базе статистического анализа системы стохастических дифференциальных уравнений для модальных амплитуд. В качестве пространственного усреднения использован максимальный масштаб межмодовых биений.

• моделирование звукового поля на основе численного решения задачи Штурма-Лиувилля для собственных мод волновода сравнения и числен-

ного интегрирования системы дифференциальных уравнений для модальных амплитуд. Необходимые расчеты выполнены с применением современных методов вычислительной, математики п программирования.

Научная новизна работы.

На основе экспериментальных данных предложено выражение для корреляционных функций пространственных флуктуации скорости звука, обусловленных внутренними волнами в мелком море.

Проанализированы свойства звукового ноля, в частности поведение ин-тенсивностей когерентной (средней) и некогерентной (флуктуационной) компонент.

Получены аналитические оценки расстояния когерентности звукового поля в случайно-нерегулярном ПЗК.

Исследовано изменение вертикальной зависимости интенсивности звукового поля в случайно-нерегулярном мелководном ПЗК.

В рамках статистического подхода проанализирована частотная зависимость акустических эффектов, вызванных пакетами внутренних волн в мелком море.

Для реальной акустической трассы1, проведены численные расчеты звукового поля с учетом рассеяния звуковых волн на неровностях дна и свободной поверхности. Показано, что для данной трассы учет рассеяния звуковых волн на неровностях дна позволяет добиться лучшего согласия между результатами теоретического расчета и эксперимента.

Положения, выносимые на защиту.

]. Выражения для корреляционных функций пространственных флуктуации скорости звука и глубины мелководного ПЗК, которые обусловлены внутренними волнами и мезомасштабным рельефом донной поверхности.

2. Выражения для коэффициентов взаимодействия мод в мелководном ПЗК при наличии случайных неоднородностеи в водном слое (внутренние волны, тонкая структура скорости звука) и случайно-нерегулярных границ (мезомасштабный рельеф дна и поверхностные волны).

3. Аналитические выражения для полной интенсивности, звукового поля, ннтенсивностей его когерентной и некогерентной компонент, сглажен-

1 В работе использовались экспериментальные данные, полученные сотрудниками ИОФ РАН на акустической трассе в Баренцевом море (1988г.).

пых по масштабу межмодовых биений. Оценки расстояния когерентности для звукового поля.

4. Изменение глубинной зависимости интенсивности звукового поля в случайно-нерегулярном мелководном ПЗК придонного типа.

5. Теоретический анализ и результаты расчета частотной зависимости акустических эффектов, вызванных пакетами внутренних ноли в мелком море.

6. Методика и результаты расчета звукового поля для реальных акустических трасс с учетом рассеяния звуковых воли па случайно-нерегулярных границах ПЗК (мезомасштабных неровностях дна и поверхностных волнах).

Теоретическая и практическая ценность работы.

Результаты диссертации позволяют предсказывать характеристики звукового поля в реальных мелководных ПЗК с учетом рассеяния звуковых волн на случайных нерегулярностях среды распространения. Результаты работы могут быть использованы:

• при проектировании гидроакустических систем и устройств;

• при решении обратных задач мониторинга мелкого моря;

• в задачах обнаружения и гидролокации.

Апробация работы и публикации.

Результаты, полученные в диссертации опубликованы в работах [1-12]. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 4-ой сессии Российского акустического общества (Москва, Россия, 1995), на международной конференции «Oceans'96 MTS/IEEE» (Fort Lauderdale, Florida, USA, ¡996), на международной конференции «Физические процессы на океаническом шельфе» (Светлогорск, Россия, 1996), на международной конференции «Shallow water acoustics» (Beijing, China, 1991), на 6-ой сессии Российского акустического общества (Моста, Россия, 1997), на научном семинаре ИОФ РАН (Москва, России, 1996), на семинаре под руководством J1.M. Бреховских в институте океанологии им. П.П. Ширшова РАН (Москва, Россия, 1997).

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 109 наименований. Объем диссертации составляет 119 страниц, включая 87 страниц текста, 22 страницы рисунков и 10 страниц списка литературы.

С О Д Е Р Ж Л Н И Е Д М С С К Р I Л Ц П П Во сведении проводится литературный обзор теоретических и экспериментальных работ по теме исследования, определены цели диссертационной работы, решаемые задачи и направление исследований.

В первой главе рассматриваются характерные черты мелкого моря как случайно-нерегулярной акустической среды. Здесь на основе экспериментальных данных, относящихся к различным районам океанического шельфа, формулируется корреляционная модель пространственных флуктуации параметров мелководных ПЗК. В рамках этой модели учитывается наличие случайных иеоднородностей в водной толще и случайно-нерегулярных границ.-Предполагается, что случайные неоднородности водной толщи вызваны внутренними волнами н тонкоструктурными образованиями скорости звука, а случайно-нерегулярные границы обусловлены поверхностными волнами и мсзомасштабными неровностями дна (см. рис.1).

V

Рис. 1 Модель мелководного случайно-нерегулярного ПЗК.

В первом параграфе рассматриваются важные для акустики параметры мелководной океанической среды, такие как: глубина водного слоя, профиль скорости звука, геоакустическпе параметры дна. Мелководный ПЗК представляется в виде водного слоя: гп ограниченного по глубине

свободной поверхностью и поглощающим полупространством - дном (см. рис.1). Параметры ПЗК предполагаются случайными функциями пространственных координат и представляются в виде суммы средней компоненты, описывающей крупномасштабную изменчивость океанической среды н флуктуационной, которая соответствует случайно-нерегулярным изменениям:

скорость звука: с„(/>г) = с(г,г) + ос(г,:), {&) = 0, (1)

свободная поверхность: гн = ¿(г), = (2)

донная поверхность: гд = Я(г) + /?(>'), («} = О, (3)

Скобки ( ) означают усреднение по ансамблю реализации пространственных флуктуаций параметров ГОК.

Во втором параграфе построена корреляционная функция для флуктуаций скорости звука в водной толще (&(/',)&(/- + х,г2 вызванных внутренними волнами в мелком море. Согласно большому количеству экспериментов, проведенных в различных районах океанического шельфа, внутренние волны в мелководной среде существенно отличаются от глубоководных внутренних волн. Этим обусловлена неприменимость модели Гар-ретта-Маика для описания внутренних волн на шельфе. В рамках построенной корреляционной функции флуктуаций скорости звука учтены характерные особенности внутренних волн в мелководной океанической среде: анизотропия в горизонтальной плоскости, одномодовая структура, неоднородность. На основе экспериментальных данных о свойствах шельфовых внутренних волн предложены следующие выражения для корреляционных функций пространственных флуктуаций &(/',г), обусловленных фоном внутренних волн: (&ф(г,г1)бсф(г + т,г2)) = с202Мг{=1)М2(х1)((1х) х

х |ф(сг,г1)Ф(сг).г2)5,Дсг)со5(отсоз0)А7 / |ф2(ст,гшах)5,Дсг)г/сг

о

(4)

и пакетами внутренних волн:

(&,(г.г,)&„(,•+ г,г,)) - с'егЯ'(г,>«'(=!) *

2Ф (0"„.-ж|.ч) О

В выражениях (4), (5) О = 2.4 с/м2- комета« та, определяемая физическими свойствами воды, М(г) - частота плавучести, ф(ст,г) - первая гравитационная мода, соответствующая горизонтальному волновому числу а, в - угол между направлением внутренних волн и плоскостью волновода. В соответствии с экспериментальными данными в работе для пространственного спектра фона внутренних волн и пакетов внутренних волн используются выражение вида:

(а) = 2(С1Х )Сст-р для <т > аП1га, (б)

5„И = ^ехр{-(<х-^)72А;| (7)

В этих выражениях (^Стяк) ' дисперсия вертикальных смещении на глубине 21П.1Х, С7 - нормировочная константа, величина Дп и 0.1 сг, определяет ширину спектра 5„(сг).

В третьем параграфе сформулирована корреляционная функция флуктуации скорости звука (&(/',)&(/■ + г,г2)}, обусловленных тонкоструктурными образованиями. Согласно экспериментальным данным тонкоструктурные образования как в глубоком море, так и в мелком отличаются крайней анизотропией. Отношение горизонтального интервала корреляции к вертикальному для случайных неоднородностсй, обусловленных тонкой структурой,составляет — 101 —103.

В четвертом параграфе сформулирована корреляционная функция случайных отклонений свободной поверхности (л(г)5'(/'+ г)). Предполагается, что случайные неровности свободной поверхности обусловлены поверхностными волнами. В качестве основы при построении корреляционной функции случайно-нерегулярной поверхности используется временной спектр Москвитца-Пирсона.

В пятом параграфе построена корреляционная функция случайных неровностей донной поверхности (/;(/•)//(''+г)), обусловленных мезомас-штабным рельефом дна па океаническом шельфе. При этом использовались результаты высокочастотного эхолоцирования донной поверхности а Баренцевом море. Применяемый в работе спектр мезомасштабных неровностей дна получен на основе спектрального анализа результатов эксперимента.

Во второй главе работы формулируется краевая задача, описывающая распространение звукового поля в случайно-нерегулярном ПЗК. Решение задачи находится в рамках модового подхода, который модифицируется с учетом специфики мелководных ПЗК - донного поглощения п изменении глубины канала (генеральный рельеф дна).

В первом параграфе решение краевой задачи представлено в виде суммы взаимодействующих мод волновода сравнения:

р(г,г) = 1Ш%Мехр{//Д(,>■}, (8)

и V( Й • )

где сп (/") - случайные модальные амплитуды, г/>„(/,г) - моды волновода сравнения, 4„(г) ~ РЛГ)+ ¡Уп/^- ' соответствующие им горизонтальные волновые числа. Здесь уп = 21т£п - описывают донное поглощение мод.

Рассмотрены случайные неоднородности в водном слое, случайно-нерегулярная свободная граница, случайно-нерегулярная импедансная граница. Для этих случаев сформулированы стохастические дифференциальные уравнения, описывающие поведение модальных амплитуд в случайно-нерегулярном мелководном ПЗК. Определены границы применимости сформулированных уравнений.

Во втором параграфе в рамках статистического анализа системы стохастических уравнений для модальных амплитуд, получены соотношения, определяющие трансформацию модального распределения интенсивности когерентной компоненты звукового поля ¡''„(г) = (/'))[2:

с/У„ (г)/с!г = -|7я 4- £ апт |к„ (,■), У„ (0) = \с„ (0)|2, (9)

где коэффициенты характеризующие донное поглощение мод, определяются параметрами дна, коэффициенты апт, описывающие перераспределение интенсивности вследствие рассеяния, определяются статистическими характеристиками случайных нерегулярностей ПЗК.

В третьем параграфе в рамках статистического анализа системы стохастических уравнений для модальных амплитуд, получены соотношения, определяющие трансформацию модального распределения полной интенсивности звукового поля \Уп (г) = (У)|21:

с!1У„ (г),М- = -Га IV,, (г) + £ а„„, {и<;„ (/•) - к о-)}, Щ, (0) = |С(1 (о)|2. (1 о)

/и

В четвертом параграфе получены многомг-ювые (высокочастотные) приближения для уравнении (9) и (10).

В третьей главе усредненное описание поля используется для исследования особенностей распространения звука в случайно-нерегулярных мелководных ПЗК. В качестве интервала усреднения выбран масштаб межродовых биений Ьинт = 2лгтах|Д( - Дл| \ В результате такого сглаживания

получается сравнительно плавная зависимость интенсивности от расстояния.

В первом параграфе главы рассматривается общий подход усредненного описания звукового поля в случайно-нерегулярном ПЗК. Интенсивность

звукового поля представляется в виде суммы интенсивностей когерентной (средней) и некогерентной (флуктуацмонной) компонент поля:

На основе уравнений (5) и (6) сформулированы выражения для указанных интенсивностей как в маломодовом случае, так и в многомодовом (высокочастотном) приближении. Вводится понятие расстояния когерентности звукового поля (гко,), на котором интенсивности, заключенные в когерентной и некогерентной компонентах, выравниваются. При >'«г1:а, поле носит детерминированный характер. При г»,гт. характер поля становится существенно стохастическим (см. рис. 2).

Во втором параграфе в рамках усредненного описания исследуется поведение интенсивности звукового поля в мелководном ПЗК с акустическими нсодиородиостями, обусловленными тонкой структурой скорости звука.

Показано, что по мере распространения в таком ПЗК наряду с донным поглощением происходит перераспределение интенсивности между модами. Это приводит к постоянному «оттоку» энергии из слабо затухающих мод в моды с большими коэффициентами затухания. В результате полная интенсивность звукового поля спадает быстрее, чем в мелководном ПЗК без случайных неоднородпостей. Также при распространении поля в случайно-неоднородном ПЗК, как результат многократного рассеяния, происходит «перекачка» интенсивности из когерентной компоненты поля - /,.(/") в некогерентную - 1,,('')'■ вблизи источника /„(/')< 1К (г); на некотором расстоянии (г1ЛК) интенсивности 1К (г) и /„('") выравниваются; при дальнейшем увеличении расстояния г > гт/. /„ (г) > Л. (г). В случайно-неоднородном звуковом канале с постоянной средней скоростью звука для интенсивности поля2 получены следующие аналитические выражения:

где а - параметр, характеризующий рассеяние на случайных неодпородно-стях, у - параметр, характеризующий донное поглощение. Оценка рас-

(II)

(12)

стояния когерентности звукового поля при условии, что гко,^[ау « 1 нме-

2 При выводе выражении предполагалось, что источник излучает единичную мощность в единицу телесного угла.

ет вид: гтг «0.35/а. Как видно из (12), полученные выражения в пределе

3/2

■г '

а —> 0 дают известный закон «трех вторых»: /„ = 1 к

71''

-у г

кНг^

В третьем параграфе главы усредненное описание используется для анализа интенсивности звукового поля в мелководном ПЗК с акустическими неоднородностями, вызванными фоном внутренних волн. В работе показано, что для ПЗК с постоянной средне!! скоростью звука на расстояниях г < г0 = 1.5/\[ау полная интенсивность звукового поля спадает в соответствии с законом: /„ = , -Г=г ' . Интенсивность когерентной компоненты

"". J ,, --о I-'

кН2^

в таком ПЗК зависит от расстояния в соответствии с выражением:

г \

^W-rH

УР

г )dp.

(13)

^ 2{р+Щ~)

Полученная оценка расстояния когерентности в волноводе при наличии фона внутренних волн имеет вид: гКОГ » 0.5/-Jay .

О 8 -

И

S -1

а ь-о о г и з -

о г о

II

S

5 -4

50 100 150

расстояние, (км) Рис.2 Iп - кривая 1; /к - кривая 2; /,. - кривия 3. Точка соответствует расстоянию - гког.

200

На рис.2 представлено поведение интенсивности звукового поля (без учета фактора цилиндрической расходимости) для следующих значений пара-

1 (Я = 200 м, =0.01 с'1,

метров у= 10 7м"1, о = 4-10

°mm ~ Ю"3 м"!> (Стах) = 4 М2).

В четвертом параграфе в рамках усредненного описания рассмотрена интенсивность звукового поля в мелководном ПЗК' со случайно-

нерегулярной свободной поверхностью (поверхностные волны). Полученное выражение для спадания интенсивности когерентной компоненты 1 к согласуется с известным законом, выведенным в лучевом приближении.

В пятом параграфе в рамках развитого подхода анализируется резонансный характер акустических эффектов, вызванных пакетами внутренних волн в мелком море.

5Г, .!'>

а)

частота, Гц

1000

в)

1000

-IV. * «п ? й Ц-ц

¥ т ^

_I_I_I-С---2-

ЮОО

частота, Рц

Рнс.З Акустические эффекты, обусловленные пакетами внутренних поли; кривая 1 - 0- 0°, кривая 2 - 0 - 32°

Здесь показано, что в мелководном ПЗК в присутствии пакетов внутренних волн дополнительные потери звуковой интенсивности и флуктуации звукового поля резко увеличиваются при выполнении условия:

\Рп -Рт\

<х„ - Д„

соя <9

< о-,, + Д„

(14)

На рис.За) и рис.36) представлены результаты расчета частотной зависимости дополнительных потерь звуковой интенсивности ¿у =/„//„ и степени

когерентности звукового поля óc = íf./¡l¡ (/^.-интенсивность когерентной компоненты, Iп и /0 - интенсивности звукового поля при наличии пакетов внутренних волн и без них). При расчетах параметры Г13К полагались близкими к параметрам акустической трассы в Желтом море [.У. Zhou el ai, JASA, 90, №>¡, ¡990]. Сплошная кривая на рис.Зв) - результат эксперимента на этой трассе.

В шестом параграфе исследуется изменение глубинной зависимости интенсивности звукового поля при распространении в мелководном ПЗК со случайными неоднородностями.

, М

О 20 40 60 80 100

i;= 10 км

г = 50 км

г = 200 íc.vi

3-3 з-з

Цг,г), дБ

Рис.4 Глубинная зависимость интенсивности в мелководном ПЗК придонного типа с учетом рассеяния (кривая 1) и без (кривая 2).

На примере мелководного ПЗК придонного типа: c(z) - с0(\- iz¡2) показано, что распределение интенсивности по вертикали изменяется вследствие многократного рассеяния, и большая часть интенсивности концентрируется на глубинах с наименьшей скоростью звука (cwt. рис.4). Kpuuuc на рис.4 соответствует случаю: s = 2.5-10"4м~[ Н = 100 м, глубина источника: 50 м.

В четвертой главе разрабатывается методика численного моделирования звукового поля для реальных акустических трасс. Данная методика позволяет проводить расчеты поля точечного источника в случайно-нерегулярных ПЗК в мелком море с учетом рассеяния волн на случайных, неоднородностях в водном слое (внутренние волны, тонкая структура ска-

рост» звука) н на случайных нерегулярпостях границ ШК (поверхностные волны и мезомасштабные неровности дна).

В первом параграфе излагается подход к расчету звукового поля в случайно-нерегулярном ПЗК. Схема расчета поля сводится к нахождению точного (численного) решения задачи Штурма-Лиувилля и интегрированию вдоль акустической трассы системы дифференциальных уравнении для модальных амплитуд. Рассматриваются особенности реализации данной методики расчета звукового поля.

Во втором параграфе приводятся экспериментальные данные, полученные па реальной акустической трассе. Оцениваются условия эксперимента и обосновывается применимость расчетной модели.

В третьем параграфе анализируются особенности распространения звуковых волн в реальном ПЗК.

В четвертом параграфе разработанная методика расчета используется для исследования влияния неровностей дна п поверхностных волн на звуковое поле для реальной акустической трассы. Проведено сопоставление измеренной интенсивности звукового поля с результатами численных расчетов, выполненных для трех случаев: без учета поверхностных волн и ме-зомасштабпого рельефа дна, с учетом мезомасштаоного рельефа неровностей дна, с учетом поверхности!,IX волн. Основная расчетная величина:

Здесь ц> величина звукового поля без фактора цилиндрической расходи-№

мости, /0 опорная интенсивность. Черта означает продольное сглаживание по масштабу L = 200 м .

В качестве критерия сравнения результатов теоретических расчетов <5, и эксперимента Se использован параметр, учитывающий совпадение как усредненных интенсивностей, так и амплитуд межмодовых биении.

При расчетах дно предполагалось однородным поглощающим полупространством. Волновое число в дне: /г,-, = knt)(\ + ia/2}, где п0 - показатель преломления в дне, а - параметр характеризующий поглощающие свойства дна. С целью улучшения согласия расчета и эксперимента проводится уточнение эффективного параметра дна для каждого из трех упомянутых выше случаев.

Результаты расчетов показали, что для данной акустической трассы рассеяние на поверхностных волнах оказывает незначительное влияние на звуковое поле. В тоже время учет рассеяния на неровностях дна позволяет добиться лучшего согласия теории и эксперимента. В качестве примера на

(15)

рис.5 представлены зависимости 8С и <5, (частота: 230 Гц, глубина источника: 54 м, глубина приемника: 75 м).

5, дБ

-10 -1 -15 --20 --25 -30 -35

О

-10 -| -15-20-25-30 -35

О

-1-

10000

20000

30000 г• м

5, дБ

Л ■ * I Л

щмт

л!

—1-

10000

20000

--1-

30000

г, м

Рис.5 Ломаная кривая - ¿У,; звездочки -Зе; плавная кривая - усреднение экспериментальных значений по масштабу Ьпнт.

На верхнем графике величина 51 рассчитана без учета рассеяния, па нижнем - с учетом рассеяния на неровностях дна.

В заключении диссертации сформулированы основные результаты работы и сделанные на их основе выводы.

РЕЗУЛЬТАТЫ Д 11 С С Е Р Т А Ц II11

¡.Предложена модель случайно-нерегулярного, подводного звукового канала в.мелком море. Данная модель учитывает характерные особенности внутренних вола, тонкой структуры скорости звука, поверхностных волн, неровностей дна на океаническом шельфе. Модель использована в работе в качестве основы для анализа распространения звуковых волн в случайно-нерегулярных ПЗК как аналитическими-, так и численными методами.

2. В рамках модового подхода на основе анализа системы стохастических дифференциальных уравнений, модифицированных с учетом специфики

мелководной среды, подучены соотношения, определяющие трансформацию модального распределения полной интенсивности звукового поля и интенсивности его когерентной компоненты в случайно-нерегулярном мелководном ПЗК.

3. В рамках усредненного описания получены аналитические выражения для полной интенсивности звукового ноля, иптенсивностей когерентной и некогерентной компонент поля в мелководном ПЗК при наличии топ-коетруктурных образований, фона внутренних волн, поверхностных волн. Проанализировано соотношение вкладов когерентной и некогерентной компонент звукового поля. Получены оценки расстояния когерентности О'ког) звукового ноля в случайно-нерегулярном ПЗК.

4: Проведен теоретический анализ акустических эффектов резонансного типа, вызванных пакетами внутренних волн в мелком море. Сформулировано условие резонанса. Выполнены расчеты частотной зависимости степени когерентности и дополнительных потерь в мелководном ПЗК при наличии пакетов внутренних волн. Результаты расчетов согласуются с результатами эксперимента в Желтом море.

5. Исследовано изменение глубинной зависимости интенсивности звукового поля в случайно-нерегулярном мелководном ПЗК, обусловленное рассеянием. Па примере звукового канала придонного типа показано, что многократное рассеяние на случайных неоднородностях в мелком море приводит к концентрации интенсивности поля па глубинах с наименьшей скоростью звука.

6. Предложена методика численного моделирования звукового ноля для реальных акустических трасс в мелком море. Данная методика позволяет при вычислении звукового поля учитывать рассеяние волн на неоднородностях водной толщи, неровностях свободной поверхности и дна. На основе предложенной методики разработаны программные средства, позволяющие:

• вычислять значение интенсивности звукового поля в зависимости от расстояния до источника на фиксированном горизонте;

• строить зависимость интенсивности звукового поля от глубины на фиксированном расстоянии до приемника.

7. Проведены расчеты звукового поля для реальной акустической трассы с учетом рассеяния звуковых волн на неровностях свободной поверхности и дна. Сравнение результатов теоретических расчетов с экспериментальными данными показало, что для данной акустической трассы поверхностные волны слабо влияют на звуковое ноле. Однако учет рассеяния волн fia неровностях дна играет принципиальную роль при интерпретации экспериментальных данных.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Кацнельсон Б.Г., Переселков С.А. Глубинная зависимость интенсивности звука и определение параметров волновода в мелком море со случайными неоднородностями И Сб. докл. IV сессии «Российского акустического общества» - Москва, 1995. - С.90-92.

2.Katsnelson B.G., Pereselkov S.A. Depth dependence of the sound intensity in shallow water with the rough bottom and internal waves. // Proc. Conference «Oceans'95 MTS/IEEE» - San Diego, California, USA, 1995.

3. Возможности дистанционной акустической диагностики солитонопо-добных внутренних волн в мелководных прибрежных зонах / Кацнельсон Б.Г., Пака В.Т., Пстншсов В.Г., Переселков С.А., Сабинин К.Д., Шмелев АЛО. // Сб. докл. Международной конференции ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ НА ОКЕАНИЧЕСКОМ ШЕЛЬФЕ. - Светлогорск, Калининграда«.. обл., 1996. - С.41-42

4. Pereselkov S.A. Sound field in a shallow water waveguide with internal waves // Proc. XI. Int. Conference for Physics Students (ICPC'96) - Szeged, Hungary, 1996. - P.87

5.Katsnelson B.G., Pereselkov S.A. Influence of internal waves on sound field in shallow water. // Proc. Conference «Oceanology Internationa! 96» -Brighton, UK, 1996. - P. 182-186

6. Кацнельсон Б.Г., Переселков С.А. Глубинная зависимость интенсивности звука в мелком море со случайными неодпородиостями. // Акуст. журн. - 1997. - Т.43, №1. - С.73-77.

7. Кацнельсон Б.Г., Переселков С.А. Интенсивность звукового поля в мелководном волноводе при наличии внутренних волн. // Акусг. жури. -1997. - Т.43, №5. - С.654-660.

S.Katsnelson B.G., Pereselkov S.A. Shallow water internal-wave field model for underwater acoustics // Proc. Conference «Oceans'96 MTS/IEEE». - Fort Lauderdale, Florida,'USA, 1996. - V. 1. - P. 17-22.

9. Numerical modeling of sound field perturbations caused by internal waves in shallow water / Katsnelson B.G., Pereselkov S.A., Pctnikov V.G., Sabiuin K.D. // Proc. Int. Conference on Shallow Water Acoustics. - Beijing, China. 1997. - C.58.

10. Katsnelson B.G., Pereselkov S.A. Sound fluctuations due to soliton-like internal waves in shallow water. // Proc. Conference «Oceanology International 97» - Word Trade Center, Singapure, 1997. - P.257-263.

11. Переселков С.А. Резонансное рассеяние звука на пакетах интенсивных внутренних волн. // CG. докл. VI сессии «Российского акустического общества» - Москва, 1997. - С.191-194.

12. Katsnelson B.G., Pereselkov S.A. Hydrodynamic noise modeling for the signal detection problem in shallow water. // Proc. Conference «1MDEX'97» -Greenwich, London, UK, 1997. - V.l. - P.123-130.

Типография ВГУ. Пушкинская ,3 Формат 1/16, Тираж 100, Объем 1,25