Полная версия научной работы 217 КБ
реклама
1 РАСПРОСТРАНЕНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ Каменев Г.А. Нижегородский государственный университет им. Н. И. Лобачевского, Нижний Новгород, Россия ACOUSTIC PULSE PROPAGATION Kamenev G.A. Lobachevsky State University of Nizhni Novgorod - National Research University Nizhny Novgorod, Russia Распространение звука в море - сложный процесс направленного (или ненаправленного) создания акустического поля в морской среде. Звук, волны являются единственным видом излучения, распространяющегося в толще воды на большие расстояния. Скорость звука в морской воде составляет 1 420—1 540 м/с в зависимости от температуры, солености и гидростатического давления. Влияние этих факторов обусловливает наличие в большинстве океанов и морей подводного звукового канала, в котором звук распространяется на очень большие расстояния, особенно на низких (менее 1 кГц) частотах. Сильно выраженная зависимость скорости звука от глубины вызывает рефракцию — искривление траектории акустических лучей в вертикальной плоскости, что, в свою очередь, служит причиной неравномерности звукового поля в пространстве, образования области с повышенной или пониженной интенсивностью звука — зон акустической освещенности или зон акустической тени, искажения формы и спектра гидроакустических сигналов. Распространение звука сопровождается затуханием, которое обусловлено вязким и релаксационным поглощением звуковой энергии молекулами солей, растворенных в морской воде, а также рассеянием и поглощением звука в воде. Поглощение существенно ограничивает дальность распространения сигналов, особенно высокочастотных. Имеется большое число факторов, ухудшающих условия распространения звука в воде. К ним относятся шероховатые и акустически неоднородные границы среды — морская поверхность и дно, звукорассеивающие слои, состоящие из морских организмов, объемные неоднородности. Рассеяние звука порождает реверберацию — явление послезвучания, сопровождающее излучение звуковых сигналов. При длинах звуковых волн, соизмеримых с глубиной моря (инфразвук, волн в глубоком море или волн более высокой частоты в мелком море), возникают особые условия распространения, характеризующиеся возбуждением 2 колебаний во всей толще среды и на строго определенных частотах (моды). Скорость распространения каждой моды зависит от ее частоты. Из-за малого поглощения звука на низких частотах инфразвук, волны распространяются в океане на расстояния до нескольких тысяч километров. Целью данной работы является ознакомление с распространением акустических импульсов в мелком море. Задачи: − рассмотреть физические явления при распространении звука в воде; − ознакомиться с акустическими методами исследования мелкого моря. 1. Физические явления при распространении звука в море Рефракция. Это, как известно, искривление лучей в среде с переменным показателем преломления. Сплющенная Луна, миражи в пустыне, плавающие в воздухе острова над морем - классические примеры оптической рефракции в воздухе. Акустическую рефракцию в воздухе заметить несколько труднее, но она тоже имеет место. А вот под водой звуковая рефракция проявляется в любое время года практически повсеместно. У гидроакустиков есть хорошее мнемоническое правило: луч, подобно жаждущему человеку, устремляется в сторону более холодных и менее соленых слоев воды. Есть, правда, еще один фактор, который труднее втиснуть в рамки мнемоники. Это гидростатическое давление, зависящее от глубины. От его величины также меняется скорость звука, а следовательно, и показатель преломления. В данном случае его изменение таково, что звуковой луч стремится вверх. Пожалуй, особенно отчетливо проявляется влияние температуры зимой, когда верхние слои морской воды более холодные, чем нижние. Луч тогда под определенным углом устремляется к поверхности моря, отражается от нее, вновь и вновь приходит к ней, постепенно затухая по мере удаления от источника звука. Художник-орнаменталист, пожалуй, мог бы позаимствовать в картинах подводных звуковых лучей мотивы для своих работ. Траектория его напоминает цепь, подвешенную во многих местах к буйкам на поверхности моря. Условия для подводного обнаружения звука в поверхностных слоях при этом достаточно хорошие. 3 В летнее время, когда более холодными являются глубинные слои воды, луч уходит в глубину. Образуются зоны акустической тени, в которых обнаружение подводных объектов затруднено. Возможны сопутствующие эффекты. На границе слоев с резким перепадом температуры может происходить полное внутреннее отражение, расщепление луча, когда небольшая часть звука проходит под слой скачка, а другая часть отклоняется кверху. Создаются не только "мертвые зоны", как иногда именуют флотские акустики зоны акустической тени, но и зоны фокусировки, усиления звука. В общем, картина распространения звука может быть очень пестрой. Звуковые каналы. Совместное влияние температуры, солености воды, гидростатического давления может быть таким, что на определенной глубине расположится зона ("горизонт") с минимальной скоростью звука. По этому горизонту, претерпевая лишь небольшие волнообразные отклонения, звуковой луч может распространяться на очень большие расстояния. Эта зона дальнего и сверхдальнего распространения звука условно названа звуковым каналом. Звуковой канал в океане был открыт американскими акустиками, а в глубоком море (Черном)-советскими учеными Л.М Бреховских и Л. А. Розенбергом.1 Были отмечены случаи распространения звука взрыва небольшой бомбы по подводному звуковому каналу от берега Австралии до Бермудских островов, то есть на расстоянии, равном половине окружности Земли. Существуют карты глубин залегания устойчивого звукового канала в океанах. Как правило, эти глубины в северных районах меньше, чем в южных. Так, на широте 10° в районе Маршалловых островов глубина залегания канала близка к 1 километру, а в районе Алеутских островов она не превышает 100 метров. Но во многих местах изолинии глубины залегания канала по земной поверхности имеют причудливые извилистые очертания. Американский акустик Э. Гамильтон предсказал теоретическую возможность существования звукового канала также в осадочных породах, выстилающих дно океана. В 1974 году Р. Урик экспериментально подтвердил это. Морская реверберация. Словом "реверберация", соответствующим английскому слову "эхо", обозначают более или менее продолжительное угасающее звучание звукового сигнала после излучения. В наибольшей степени это явление обычно связано с отражениями от скоплений газовых пузырьков, затянутых на некоторую глубину во время штормов или являющихся 1 продуктом жизнедеятельности планктона. В мелководных районах Агеева Н.С. Нормальные моды в волноводе с моделью дна в виде низкоскоростного неоднородного слоя с поглощением / Н.С. Агеева, В.Д. Крупин // Акуст. журн. – 2011. – Т. ХХХIV. - Вып. 3. – С. 391 – 397. 4 реверберация может быть обусловлена отражениями от каменистого дна. Реверберация иногда является серьезной помехой рыболокации и военно-морской гидролокации, так как она может маскировать принимаемый полезный эхо-сигнал. Интересно наблюдать реверберацию, когда она достаточно интенсивна. Всплески ее то вспыхивают, то гаснут на катодном индикаторе локатора, порой на расстояниях в несколько километров. Синхронно с этим меняется реверберация в динамике. Это значит, что гидролокационная посылка встретилась с каким-то отражающим звук скоплением, а затем проследовала далее. Первая отечественная работа по реверберации моря появилась в Журнале технической физики в 1943 году, в самый разгар Великой Отечественной войны. Автором ее был военно-морской акустик В.С. Анастасевич. Трудно забыть впечатление, которое произвела эта статья на молодых акустиков. Неужели открытое море может звучать, как готический собор? И причина этому - какие-то пузырьки... (уже известно было, что пузырьки в воде могут поглощать звук, но о рассеивающих их свойствах мало кто знал). Исследования реверберации выполнялись Ю.М.Сухаревским. Впоследствии В. В. Ольшевский дал основы статистической теории реверберации. Для борьбы с реверберационной помехой используют излучение в узком секторе, частотную модуляцию сигнала и другие приемы. В общем, если исключить малые расстояния от гидролокатора, реверберационная помеха оказывается не такой страшной, как "тривиальные" помехи от шумов морского волнения, а также от шумов самого корабля, несущего гидролокатор. Звукорассеивающие слои. Когда однажды исследователи-гидроакустики в одном из южных районов попробовали устремить луч гидролокатора вниз, то к своему удивлению обнаружили: дно океана "писалось" на глубине, в несколько раз меньше действительной. Феномен "поднимающегося и опускающегося дна" отметили и специалисты по эхолотированию. Ясно было, что существуют какие-то мигрирующие слои, которые отлично отражают звук, причем в значительно большей мере, чем его отражает, например, водный слой с температурным скачком. Брали пробы воды с глубины этих звукорассеивающих слоев, опускались в ник в батискафе. Оказалось, что "призрак" морского дна, как и реверберация, связан с морскими организмами и продуктами их жизнедеятельности. Интересно, что каждый исследователь 5 находил в отражающих слоях скопления различных организмов - от микроскопического биопланктона до медуз и даже более крупных существ.2 Однако, кто бы ни были их "учредители", со звукорассеивающими слоями приходится считаться военно-морским акустикам, да и персоналу рыбопромысловых судов, ведущих гидроакустический поиск рыбы. Из приведенного далеко не полного перечня гидроакустических явлений в море видно, сколь они разнообразны. Исследования распространения звука в морях и океанах во всех морских странах расширяются с каждым годом. Интересен анализ процесса отражения звука от объектов произвольной формы. Публикации по этому вопросу не сходят со страниц журнала Американского акустического общества (статьи Джангера, Хиклинга, Дулитла и других). Авторы статей утверждают, что можно классифицировать объект по характеру отражения звука от него. Л. М. Лямшевым еще в 50-х годах было обнаружено и проанализировано явление усиления гидролокационного отражения от пластин в жидкости вследствие возникновения в них продольных волн при падении гидролокационного импульса. Работа Л. М. Лямшева докладывалась в Венгерской Академии наук и получила общее признание. Весьма интересные исследования по теории эхо-локации выполнены в последнее время А. А. Клещевым, У. Нигулом, Е. Л. Шендеровым и другими. Заявляет о себе мирная гидроакустика. Применения ее до невероятности многообразны и становятся все более связаны с бурным освоением Мирового океана. Эхолот в традиционном исполнении и с традиционными функциями меньше других морских акустических приборов нуждается в представлении. Едва ли найдется морское судно, не имеющее его. А вот эхолоты-картографы с автоматической цифровой отметкой глубин на карте еще только начинают внедряться на гидрографические суда. Обычный эхолот для контроля глубин под килем судна породил семейство себе подобных и все же различных как по назначению, так и по степени совершенства гидроакустических устройств. Это и приборы с весьма большой мощностью излучения, позволяющие получить отметку не только линии дна, но и отражающих звук грунтовых пород на достаточно большой глубине под поверхностью дна. Это и сканирующие эхо-локационные устройства бокового обзора, их не назовешь иначе, как автоматическими топографами дна водоемов. Мелкие выступы дна высотой с полметра, траншеи, кабели на дне - все фиксируется ими на специальной бумаге. 2 Бреховских Л.М. Теоретические основы акустики океана / Л.М. Бреховских, Ю.П. Лысанов. – СПб: Питер, 2012. – С. 112. 6 Рыболокаторы тоже достаточно хорошо известны. Кажется, совсем недавно автор описывал в одной из книг живописную выставку "Инрыбпром-68" в Ленинграде. Прошло семь лет, и вот опять западная стрелка Васильевского острова была окружена множеством ослепительно белых рыболовецких судов всех стран, и флаги их вместе с флагами расцвечивания трепетали над вместительными павильонами. Особенно интересная гидроакустическая поисковая техника на "Инрыбпроме-75" демонстрировалась в советском, японском и немецком разделах выставки. Современный рыбопоисковый гидролокационный комплекс следит за косяком рыбы от момента первичного его обнаружения до момента попадания в трал. Если рыбное скопление изменило, скажем, глубину своего движения, соответствующее устройство меняет и глубину опускания трала, его раскрытие. Интегрирующие приборы позволяют определить суммарный объем встречного рыбного скопления и прогнозировать, таким образом, целесообразность его отлова. Из многообразных областей применения гидроакустических средств при освоении богатств Мирового океана отметим лишь одну, связанную с бурно развивающейся добычей нефти со дна. Совсем недавно бурение дна в нефтеносных районах велось лишь в пределах океанского шельфа, т.е. на глубинах в несколько сот метров. Первенцем подводного бурения дна в открытом море было судно "Гломар Челленджер"; сейчас таких судов насчитываются десятки. По крайней мере, две проблемы при подводном бурении решаются с помощью гидроакустики. Первая - удержание дрейфующего судна над скважиной. Гидроакустические излучатели-маркеры, расположенные на дне около скважины, непрерывно посылают вверх звуковые импульсы. По этим сигналам на судне определяют, в какую сторону его сносит относительно скважины, и соответственно приводят в действие те или иные подруливающие устройства. Вторая задача посложнее. Допустим, необходимо сменить затупившийся бур. Бурильную колонку с новым буром опускают ко дну. Но подводные течения относят эту гибкую и длинную колонку в сторону, как относит ветер паутинную нить с висящим над ней пауком. Приводится в действие гидролокационное устройство, находящееся на конце колонки. На дальних расстояниях от донной скважины излучаемые устройством импульсы имеют относительно большую продолжительность. Это режим поиска. Нащупав по отраженному сигналу скважину, конец колонки начинает приближаться к ней. Наступает 7 режим точного наведения. Импульсы учащаются, становятся короче. В момент подхода к скважине срабатывает соответствующее устройство, и колонка погружается в скважину.3 Освоение океана немыслимо без глубоководных аппаратов, которых уже теперь насчитывается великое множество. Связываются они между собой и с обеспечивающими надводными судами с помощью гидроакустического телефона, определяют рельеф дна и его глубинную структуру с помощью гидролокационных "щупалец". Больше всего при освоении Мирового океана ученых беспокоит сохранение его биосферы. Великий акванавт нашего времени Жак-Ив Кусто обратил к человечеству такие слова: "Море сохранит свои богатства только в том случае, если будут соблюдены биологические законы... Пора положить предел романтической эпохе "тайн моря". Тайн моря нет, остались насущные проблемы, которые следует разрешить. Мы на пороге новой эры, эры поисков и исследований!" Гидроакустические методы и приборы займут в этих поисках достойное мест. Чем выше температура и соленость, тем быстрее распространяется звук. Так, при увеличении температуры воды на Г скорость распространения звука увеличится на 4 метра в секунду. При увеличении солености на 1 % о скорость звука увеличится только на 1 метр в секунду. Поэтому в Черном море, которое сильно опреснено и имеет более холодные воды, чем Средиземное, звук идет медленнее на 40 метров в секунду, чем в последнем. В однородной среде звук распространяется прямолинейно. Поэтому после сильного шторма в поверхностных, хорошо перемешанных водах дальность распространения звука повышается. Но воды моря обычно состоят из слоев воды с различной температурой и соленостью. В такой «слоистой» среде звуковой луч, пущенный вдоль слоя, загибается в сторону менее соленой и, особенно в сторону более холодной воды, то есть в среду, где он распространяется с меньшей скоростью. Звуковой луч напоминает «путника в пустыне» – он стремится к прохладе и более пресной воде. Летом, когда глубинные воды более холодны, звуковые лучи будут загибаться ко дну, а дойдя до него, отразятся вверх. На пути к поверхности звуковые лучи опять начнут загибаться и так далее, пока не угаснут. Зимою поверхностные воды сильно охлаждаются. Наступает период выравненных температур. Это создает однородную среду. Тогда звуковой 3 Дивизинюк М.М. Акустические поля Черного моря / М.М. Дивизинюк. – Севастополь: НИЦ «Государственный океанариум» МО Украины. 2011. – С. 147. 8 луч пойдет прямее, а, следовательно, звуковой сигнал можно услышать на большем расстоянии от источника.4 Если зимой поверхностные воды холоднее глубинных или имеют меньшую соленость, то звуковой луч направится к поверхности и, отразившись от границы раздела вода – воздух, пойдет дальше в воде, но только путь луча от источника звука до приемника будет значительно короче, потому что звуку не приходится пробегать всю толщу воды от поверхности до дна, как летом. С глубиной скорость распространения звука увеличивается за счет гидростатического давления. Это приводит к созданию особо – благоприятных условий для дальнего распространения звука. В таких случаях говорят о наличии «звукового канала». В нем звук может распространяться более чем на 8 тысяч километров. Благодаря дальности и быстроте распространения звука можно услышать подводные извержения вулкана, землетрясение, просто взрывы, совершенные на очень большом расстоянии. При этом звук придет намного скорее, чем волна воды, вызванная даже мощным колебанием. Зная направление пришедшего звука и определив тем самым его местоположение, можно оповестить население о скором приближении больших волн, часто угрожающих жизни и хозяйству жителей побережий. В процессе эволюции организмов водные обитатели, приспособляясь к условиям существования, естественно, использовали замечательные особенности далекого и быстрого распространения звука. Слабое проникновение света в воду «сделало» их близорукими, т. е. невидящими На эхолоте ведется запись глубины моря на большом расстоянии, но зато хорошо видящими на близком. Хорошее распространение звуковых волн привело в борьбе за существование водных животных, к использованию этих особенностей природы моря. Пользуясь звуковыми волнами, обитатели больших глубин, которые из-за бедности пищи этих слоев воды живут очень разреженно, разыскивают друг друга. С помощью приборов можно переводить ультразвуковой «разговор» рыб и других животных на частоты, воспринимаемые человеком. Такой «концерт» весьма своеобразен, поскольку каждый из его участников издает свои звуки. Многие морские животные издают звуки, хорошо слышимые человеком. Имеются «поющие» рыбы – сциены, щелкающие рачки – альфеусы. Известная поговорка «ревет как 4 Вировлянский А.Л. Восстановление средней температуры океана по измерениям времени пробега звуковых импульсов / А.Л. Вировлянский, А.Ю. Казарова, Л.Я. Любавин // Акуст. журн., 2011, т. 53, № 2, С.216 – 225. 9 белуга» – относится к звукам, которые издает дельфин-белуха, на севере часто называемый белугой. Издают звуки и хорошо слышат дельфины и киты. По определенным звукам собираются они – в стаи. Самки находят своих детенышей. Некоторые звуки их пугают. Этим пользуются черноморские рыбаки-дельфиноловы. Они стучат камнями, бьют в рельсу. Шум, вызываемый охотниками, помогает им загонять стаю дельфинов в сети. Звуком можно даже приманивать китообразных, что открывает новые способы промысла. Среди рыбаков Малайского архипелага существует особая специальность рыбного слухача. Слухач плывет на лодке впереди артели. Время от времени он ныряет и слушает под водой шум двигающейся стаи рыб. По его сигналу с промысловых лодок спускают сеть.5 5 Бреховских Л.М. Теоретические основы акустики океана / Л.М. Бреховских, Ю.П. Лысанов. – СПб: Питер, 2012. – С. 126. 10 2. Акустические методы исследования мелкого моря В акустике океана можно выделить два основных направления: первое – изучение влияния свойств и динамики моря на распространение акустических сигналов – прямая задача, второе – использование акустических сигналов для исследования внутренней структуры вод моря и его дна – обратная задача. Для второго направления основным объектом исследования являются физические и акустические характеристики водного и донных слоев. Интересы океанологов в основном связаны с возможностями акустического мониторинга разномасштабных гидродинамических возмущений в море: вихрей, меандрирующих течений, внутренних волн, фронтальных зон, интересы инженеров – с возможностями восстановления акустических и физических параметров донных осадков. Решение обратных задач сводится к принципиальной возможности получать информацию о свойствах среды по характеру распространения, отражения и рассеяния акустических волн.6 Законы распространения звука в море весьма сложны, и в первую очередь это относится к шельфовым районам мелкого моря. Скорость звука существенно меняется как по вертикали, вследствие изменения температуры и солености с глубиной, так и по горизонтали. Кроме того, на распространение звука оказывает влияние его рассеяние на неровных границах волновода.7 Попытаемся сформулировать принципиальные возможности и выработать перспективные идеи, основанные на волновом подходе к решению обратных задач акустики мелкого моря. В 1979 году американские ученые В. Манк и К. Вунш предложили схему, предназначенную для реконструкции мезомасштабных неоднородностей поля скорости звука по измеренным временам прихода импульсного сигнала по различным лучевым траекториям. По аналогии с медицинской рентгеновской томографией, схема Манка была названа "акустическая томография океана" (АТО), основная задача которой − просветная диагностика крупномасштабных (десятки и сотни километров) неоднородностей океана на трассе между источниками и приемниками звука. Лучевая АТО в глубоком море позволяет дистанционно получать не только интегральные характеристики среды, но и параметры 6 Гончаров В.В. Акустическая томография океана / В.В. Гончаров, В.Ю. Зайцев, В.М. Куртепов и др. – ИПФ РАН. Нижний Новгород, 2012. – С. 113. 7 Кацнельсон Б.Г. Акустика мелкого моря / Б.Г. Кацнельсон, В.Г.Петников - М.: - Наука, 2011.- С. 105. 11 некоторых локальных неоднородностей, а также наблюдать эволюцию среды в течении времени проведения измерений.8 К настоящему времени с помощью АТО решаются задачи акустической термометрии, халинометрии, томографии течений.9 Типовая схема применения АТО предполагает наличие нескольких источников и приемников звука. Рассмотрим основополагающие соотношения лучевой томографии поля скорости звука. Время распространения tm акустического сигнала по лучу Гm, соединяющему какой-либо из источников звука с одним из приемников определяется соотношением (1) где c(r, z) – скорость звука в среде, ds – элемент луча Гm. Представим с(r, z) в виде: с(r, z) = с0(r, z) + ∆с(r, z), где с0(r, z) - известное (опорное) состояние поля скорости звука (при ∆с = 0) и ∆с(r, z) – подлежащее определению возмущение, обусловленное наличием неоднородностей в водной среде. В качестве с0, исходя из возможностей расчета лучевых траекторий (вообще говоря, трехмерных) в неоднородной среде, могут быть выбраны различные распределения, например, усредненное по акватории в данное время года. Задача томографии сводится к тому, чтобы по набору tm определить ∆с. В точной постановке задача (1) оказывается весьма сложной, поскольку она нелинейна (∆с - в знаменателе), и путь интегрирования Гm зависит от ∆с. Однако благодаря наличию малого параметра ε=|∆с/с0|, правую часть уравнения (1) можно разложить в ряд по степеням ε и удержать только члены не выше первого порядка малости tm=tm(0)+tm(1)+…, где – время распространения сигнала в невозмущенной среде по лучу Гm(0). Линейная поправка к tm дается выражением (2) Именно это выражение было положено в основу томографического метода Манка. Уравнение (2) записывается для каждого из лучей, затем для его численного решения вся 8 Лучинин А.Г. Низкочастотная акустическая томография мелкого моря с использованием маломодовых импульсов / А. Г.Лучинин, А. И. Хилько // Акуст. журн. – 2012. – Т. 51, №.2. – С. 228 – 242. 9 Вировлянский А.Л. Восстановление средней температуры океана по измерениям времени пробега звуковых импульсов / А.Л. Вировлянский, А.Ю. Казарова, Л.Я. Любавин // Акуст. журн., 2011, т. 53, № 2, С.216 – 225. 12 область томографии разбивается на ячейки, в пределах которых флуктуация ∆с считается постоянной. Тогда (2) можно свести к системе алгебраических уравнений, которая может быть решена стандартными методами где Еmn=0, если m-й невозмущенный луч не прошел через n-ю ячейку и − в противном случае. Идея лучевой томографии течений заключается в регистрации разности времен распространения сигнала во встречных направлениях, линеаризованное уравнение может быть получено аналогичным (1) – (3) образом. Томография течений по сравнению с томографией поля скорости звука - значительно более сложная задача, поскольку скорости течений малы, и вариации времен прихода сигналов ∆tm(1)(u), возникающие за счет наличия течения оказываются значительно меньше, чем вариации tm(1) вследствие изменения скорости звука. Тем не менее, эксперименты показали, что томография течений и температуры в глубоком море работоспособны вплоть до расстояний в 1000 км.10 Однако, линеаризация (1) оправдана не всегда. Первоначальные надежды на успешное применение лучевой АТО в мелком море быстро сменились разочарованием. Оказывается что даже при малых ε форма луча Гm(0) может существенно отличаться от луча Гm. Это явление непредсказуемости трассы лучей при незначительных его угловых смещениях получило название «лучевого хаоса». В условиях лучевого хаоса никакая инверсия (восстановление) параметров невозможна. Второе принципиальное ограничение вызвано тем, что в мелком море времена распространения сигнала по отдельным лучам, испытавшим многократные донноповерхностные отражения, оказываются настолько близки, что лучи не могут быть разрешены ни при какой разумной ширине полосы частот источника сигнала. 10 Вировлянский А.Л. Восстановление средней температуры океана по измерениям времени пробега звуковых импульсов / А.Л. Вировлянский, А.Ю. Казарова, Л.Я. Любавин // Акуст. журн., 2011, т. 53, № 2, С.216 – 225. 13 В мелком море лучевая АТО может использоваться только в придонных, с относительно стабильными гидрофизическими характеристиками слоях, либо в условиях существования сезонного приповерхностного звукового канала.11 Альтернативой лучевой АТО для мелкого моря является маломодовая импульсная томография – МИТ. Метод МИТ основан на регистрации эффекта трансформации модового состава низкочастотного акустического поля в мелководных каналах в результате изменения дисперсионных характеристик волновода. На законы дисперсии фазовой и групповой скорости мод кроме причин, вызывающих изменение времени пробега лучей, оказывает влияние также и слоистая структура дна и акустические характеристики морских осадков, однако времена пробега мод более стабильны. Техническая реализация МИТ в мелком море требует применения протяженных вертикальных приемных и передающих гидроакустических антенн трансиверов (приемопередатчиков), с помощью которых осуществляется встречное излучение и прием зондирующих импульсов с ограниченным модовым спектром. Вследствие различий в групповых скоростях отдельных мод (межмодовая дисперсия), начиная с определенной дистанции, вступления короткого импульса по различным модам могут быть разрешены.12 Препятствием для использования возможно более коротких импульсов является существование внутримодовой дисперсии, приводящее к уширению, «расплыванию» импульса с увеличением расстояния. Для повышения эффективности МИТ возможно использование нетональных импульсов, с законом изменения фазы, согласованным с законом дисперсии избранной моды. Такой импульс на определенном расстоянии от излучателя обостряется, испытывает максимальное сжатие во времени. Для моделирования влияния различных неоднородностей моря на временную реализацию отклика зондирующего сигнала требуется восстановление импульсной характеристики волновода при различных условиях. Здесь заключена еще одна трудность МИТ, поскольку, в отличие от лучевой теории, применение метода нормальных волн для горизонтально-неоднородных волноводов требует решения значительно более 11 Хилько А.И. Маломодовая томография неоднородностей мелкого моря / А.И. Хилько, А.Г. Лучинин, В.Г. Бурдуковская, И.П. Смирнов // Акуст. журн. – 2011. – Т. 53, №.3. – С. 437 – 450. 12 Акуличев В.А. Векторно-фазовые методы в акустической томографии океана / В.А. Акуличев, А.В. Буренин, Е.А. Войтенко и др.//ДАН. – 2012. – Т. 406, №2. – С. 61 – 64. 14 сложных уравнений (метод связанных мод) и накладывает строгие ограничения на степень неоднородности.13 Рассмотренные выше лучевой и модовый методы томографии основаны на измерении вариаций времени задержки вступления импульсов по отдельным лучам или модам, что требует высокой точности определения расстояния между приемником и излучателем. Для восстановления слоистой структуры дна в мелком море применяется метод согласованного поля (МСП) и метод, основанный на измерении резонансов коэффициента отражения.14 МСП заключается в замене обратной задачи на многократно повторяемую гораздо более простую прямую задачу. С движущегося научно-исследовательского судна, оснащенного необходимой аппаратурой, измеряются горизонтальные и вертикальные «срезы» акустического поля, создаваемого одним или лучше несколькими удаленными источниками тональной частоты (лучше изменяющейся с течением времени по известному закону), расположенными на известной глубине. Рассчитывается пространственно-частотная интерференционная структура акустического поля для некоторой модели среды, являющейся начальным приближением. Расчеты поля затем многократно повторяются, а параметры модели уточнятся, и усложняются до тех пор, пока не будет получено наилучшее согласование рассчитанного и экспериментально измеренного поля. Для определения акустических (скорость звука, затухание) и физических (толщина слоя) характеристик дна МСП может применяться и в другом, «одномодовом» виде. Возбуждая в волноводе только первую нормальную волну на разных частотах и измеряя зависимость давления по глубине (вертикальный профиль моды) можно определить толщину осадочного слоя. Измеряя зависимость фазы колебания по глубине можно определить величину затухания в слое осадков. Дополнительную информацию можно извлечь, регистрируя, кроме давления, вертикальную и горизонтальную компоненты колебательной скорости.15 Метод резонансов заключается в следующем. Если измерять модуль и фазу коэффициента отражения от дна с помощью направленной антенны для различных углов падения и различных частот, то на частотно-угловых зависимостях, вследствие интерференции волн, отраженных от границ раздела вода – первый слой осадков и первый – 13 Матвеев А.Л. Сравнительный анализ томографических методов наблюдения неоднородностей в условиях мелкого моря / А.Л. Матвеев, Д.А. Орлов, А.А. Родионов, Б.М. Салин, В. И. Торчин // Акуст. журн. – 2012. – Т. 51, №.2. – С. 268 – 280. 14 Гончаров В.В. Акустическая томография океана / В.В. Гончаров, В.Ю. Зайцев, В.М. Куртепов и др. – ИПФ РАН. Нижний Новгород, 2012. – С. 124. 15 Гончаренко Б.И. О волновых числах и разности фаз между компонентами звукового поля в трехслойном волноводе / Б.И. Гончаренко, Л.Н. Захаров, В.Е. Иванов // Акуст. журн., 2011, Т. 25, Вып. 4, С. 507 – 514. 15 второй слой осадков наблюдаются осцилляции амплитуды и фазы. 16 Методом последовательных приближений возможно подобрать такую структуру слоев, чтобы совпадение эксперимента и расчета было резонансов требуется применение наилучшим. Для осуществления метода возможно более остронаправленных антенн. Перспективным в этом плане представляется применение параметрических антенн, обладающих очень узкой характеристикой направленности.17 Недавно, О.А. Годиным и др., для томографии течений в мелком море предложен подход, получивший название метода согласованной невзаимности – МСН (принцип акустической взаимности предполагает симметрию при перестановке источник-поле и полеисточник, понятно, что в среде с течением взаимность отсутствует). МСН опирается на достигнутый в последние годы прогресс в теории и математическом моделировании распространения звука в неоднородных движущихся средах, а также в использование МСП для решения обратной задачи. Физической основой МСН является выбор в качестве измеряемой величины такой характеристики акустического поля, которая чувствительна к профилю течения, но нечувствительна к вариациям скорости звука и профиля дна. В силу этого, МСН приводит к устойчивому решению обратной задачи относительно вертикальной зависимости скорости течения.18 В настоящее неосуществима, время, высказанные когда постановка выше эксперимента предложения о в море практически возможностях извлечения дополнительной информации о среде могут и должны быть проверены в ходе экспериментов математических путем компьютерного моделирования. 16 Кузнецов В.П. Нелинейная акустика в океанологии / В.П. Кузнецов – М.: Физматлит, 2011. – С. 102. Абросимов Д.И. Особенности пространственной интерференционной структуры акустического поля в мелком море / Д.И. Абросимов, Ю.В. Петухов // Акуст. журн. – 2012. – Т. 46, №1. – С. 5 – 12. 18 Бреховских Л.М. Акустика неоднородных сред / Л.М. Бреховских, О.А. Годин //Т.1: Основы теории отражения и распространения звука. - 2007. – 442 с., Т.2: Звуковые поля в слоистых и трехмерно-неоднородных средах. - 2009. – С. 128. 17 16 Заключение Мелким принято считать море, в котором звуковое поле определяется не только профилем скорости звука, но и акустическими характеристиками слоистого дна, причем чем большее влияние на звуковое поле оказывает дно, тем с большим основанием водный слой можно считать мелким. В мелком море утечка акустической энергии из волновода, образованного водным слоем и границами раздела жидкость-воздух (сверху) и жидкость-дно (снизу) будет значительно больше, чем из рефракционного волновода глубокого моря с «сильным» звуковым каналом. Взаимодействие акустических волн с дном приводит не только к его дополнительному ослаблению, но и изменяет законы дисперсии фазовой скорости мод, что может проявиться в явлении «трансформации мод», в волноводе с дном в виде низкоскоростного слоя. Для расчета звуковых полей в акустике мелкого моря в зависимости от частоты и решаемой задачи применяются различные методы. Распространение звука подчиняется основным законом общим для акустических волн любого диапазона, называемых обычно звуковыми волнами. К основным законам распространения относятся законы отражения и преломления звука на границах различных сред, а также дифракции звука и рассеяния звука при наличии препятствий и неоднородностей в среде и неровностей на границах раздела сред. На распространение звука оказывает влияние поглощение звука, то есть не обратимого перехода энергии звуковой волны в другие виды энергии, в частности в тепло. Все перечисленные факторы влияют на дальность распространения звука Важным фактором является также направленность из лучения и скорость распространения звука, которая за висит от среды и ее специфического состояния. Звуковые импульсы могут распространяться в воздухе, газах, жидкостях и тверды телах. В безвоздушном пространстве звуковые волны не возникают и соответственно не распространяются. Скорость распространения колебательных движений от частицы к частице зависит от условий среды. Например, чем выше температура и соленость, тем быстрее распространяется звук. 17 Список использованной литературы 1. Акуличев В.А. Векторно-фазовые методы в акустической томографии океана / В.А. Акуличев, А.В. Буренин, Е.А. Войтенко и др.//ДАН. – 2012. – Т. 406, №2. – С. 61 – 64. 2. Абросимов Д.И. Особенности пространственной интерференционной структуры акустического поля в мелком море / Д.И. Абросимов, Ю.В. Петухов // Акуст. журн. – 2012. – Т. 46, №1. – С. 5 – 12. 3. Агеева Н.С. Нормальные моды в волноводе с моделью дна в виде низкоскоростного неоднородного слоя с поглощением / Н.С. Агеева, В.Д. Крупин // Акуст. журн. – 2011. – Т. ХХХIV. - Вып. 3. – С. 391 – 397. 4. Бреховских Л.М. Акустика неоднородных сред / Л.М. Бреховских, О.А. Годин //Т.1: Основы теории отражения и распространения звука. - 2012. – 442 с., Т.2: Звуковые поля в слоистых и трехмерно-неоднородных средах. - 2011. - 425 с. 5. Бреховских Л.М. Теоретические основы акустики океана / Л.М. Бреховских, Ю.П. Лысанов. – СПб: Питер, 2012. – 264 с. 6. Вировлянский А.Л. Восстановление средней температуры океана по измерениям времени пробега звуковых импульсов / А.Л. Вировлянский, А.Ю. Казарова, Л.Я. Любавин // Акуст. журн., 2011, т. 53, № 2, С.216 – 225. 7. Гончаренко Б.И. О волновых числах и разности фаз между компонентами звукового поля в трехслойном волноводе / Б.И. Гончаренко, Л.Н. Захаров, В.Е. Иванов // Акуст. журн., 2011, Т. 25, Вып. 4, С. 507 – 514. 8. Гончаров В.В. Акустическая томография океана / В.В. Гончаров, В.Ю. Зайцев, В.М. Куртепов и др. – ИПФ РАН. Нижний Новгород, 2011. - 256 с. 9. Дивизинюк М.М. Акустические поля Черного моря / М.М. Дивизинюк. Севастополь: НИЦ «Государственный океанариум» МО Украины. 2011. – 351 с. 10. Кацнельсон Б.Г. Акустика мелкого моря / Б.Г. Кацнельсон, В.Г.Петников - М.: - Наука, 2011.- 191с. 11. Лучинин А.Г. Низкочастотная акустическая томография мелкого моря с использованием маломодовых импульсов / А. Г.Лучинин, А. И. Хилько // Акуст. журн. – 2012. – Т. 51, №.2. – С. 228 – 242. 12. Матвеев А.Л. Сравнительный анализ томографических методов наблюдения неоднородностей в условиях мелкого моря / А.Л. Матвеев, Д.А. Орлов, А.А. Родионов, Б.М. Салин, В. И. Торчин // Акуст. журн. – 2012. – Т. 51, №.2. – С. 268 – 280. 18 13. Хилько А.И. Маломодовая томография неоднородностей мелкого моря / А.И. Хилько, А.Г. Лучинин, В.Г. Бурдуковская, И.П. Смирнов // Акуст. журн. – 2011. – Т. 53, №.3. – С. 437 – 450. 14. Кузнецов В.П. Нелинейная акустика в океанологии / В.П. Кузнецов – М.: Физматлит, 2011. – 264 с.
