7.М1.В.ДВ.1.1 Акустика океана (новое окно)

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Дальневосточный федеральный университет»
(ДВФУ)
ИНЖЕНЕРНАЯ ШКОЛА
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ (РПУД)
Акустика океана
200100.68 «Приборостроение»
Форма обучения очная
Инженерная школа ДВФУ
Кафедра приборостроения
курс ___1__ семестр ___2__
лекции 16 (час.)
практические занятия 38 час.
семинарские занятия – не предусмотрено учебным планом
лабораторные работы – не предусмотрено учебным планом
консультации – не предусмотрено учебным планом
всего часов аудиторной нагрузки__54__ (час.)
самостоятельная работа __126___ (час.)
контрольные работы – не предусмотрено учебным планом
курсовой проект__2__семестр
зачет – не предусмотрено учебным планом
экзамен___2_______семестр
Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями федерального государственного
образовательного стандарта высшего профессионального образования (приказ №65 от 25 января 2010г.)
Рабочая программа обсуждена на заседании
кафедры_____Приборостроения_______________________«_04___»__09__2012__г.
Заведующий (ая) кафедрой: докт. физ.-мат.наук, профессор В.И.Короченцев
Составитель (ли): В. И. Короченцев
1
ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Учебно-методический комплекс дисциплины «Акустика океана»
Разработал: Короченцев В.И.
Идентификационный номер: УМКД
7(57) 200100.68-М.1.В.ДВ.1.1 - 2012
Контрольный экземпляр находится на
кафедре приборостроения
Оборотная сторона титульного листа РПУД
I. Рабочая программа пересмотрена на заседании кафедры:
Протокол от «_ _» _сентября_ 2013г. № _1__
Заведующий кафедрой _______________________ В.И.Короченцев____
(подпись)
(и.о. фамилия)
Изменений нет.
II. Рабочая программа пересмотрена на заседании кафедры:
Протокол от «_____» _________________ 2014 г. № ______
Заведующий кафедрой _______________________ __________________
(подпись)
(и.о. фамилия)
Лист2 из 16
ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Учебно-методический комплекс дисциплины «Акустика океана»
Разработал: Короченцев В.И.
Идентификационный номер: УМКД
7(57) 200100.68-М.1.В.ДВ.1.1 - 2012
Контрольный экземпляр находится на
кафедре приборостроения
Лист3 из 16
Аннотация
В годы второй Мировой войны бурно развивается гидролокация –
отрасль акустики океана, имеющая целью обнаружение подводных лодок,
надводных кораблей с подводных лодок, других подводных предметов
посредством излучения и приема отраженного акустического сигнала от
предмета.
Для
этого
необходимо
знать
характер
распространения
акустического сигнала в океане, его зависимость от полей температуры,
солености, давления, скорости течения, особенности его отражения от
поверхности океана и дна и т.д. Оказалось, что акустический сигнал в океане
может распространяться на большое расстояние. Это послужило основой для
его использования как средства связи. Началось развитие акустической
телеметрии.
Акустическая гидролокация широко используется в промысловой
разведке рыбы и при определении ее запасов, в геологических изысканиях
для определения строения дна. Появление чувствительных приемников
звуков выявило, что с их помощью можно улавливать сигналы, издаваемые
различными
морскими
организмами,
улавливать
шум,
создаваемый
морскими волнами, подвижками дна, движением и торошением льда и т.д.
Это позволило "слушая" океан получать представление о происходящих в
нем процессах. С 70-х годов начинает оформляться акустическая томография
- наука, позволяющая по изменению излученного акустического сигнала в
точке приема определять структуру океана и течения на участке между
излучателем и приемником сигнала. Морская вода как сплошная среда
обладает объемной упругостью, поэтому возмущения упругости, приводящие
к сжатию или расширению воды в каком-то объеме, распространяются за его
пределы. Скорость этих колебаний
относительно положения равновесия
ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Учебно-методический комплекс дисциплины «Акустика океана»
Разработал: Короченцев В.И.
Идентификационный номер: УМКД
7(57) 200100.68-М.1.В.ДВ.1.1 - 2012
Контрольный экземпляр находится на
кафедре приборостроения
Лист4 из 16
называется колебательной скоростью волны, а скорость распространения
сжатий
и
разрежений
-
акустической
скоростью
или
скоростью
распространения звука. Поскольку направление колебаний частиц среды
происходит вдоль направления распространения волны, то акустические
волны в океане относятся к категории продольных.
Цели и задачи курса
Цель курса: - изучение студентами способов описания акустических
полей, базирующихся на векторных и скалярных характеристиках поля в
каждой
точке
акустической
волны,
изучение
физических
основ
распространения звуковых волн в океане и знакомство с подходами к
решению прикладных задач низкочастотной акустики, базирующихся на этих
методах.
Основное
внимание
при
чтении
лекций
уделяется
наглядной
интерпретации основных принципов анализа явлений в океанической среде
при использовании максимально простых методов решения рассматриваемых
конкретных задач.
В процессе изучения дисциплины студенты должны приобрести
элементарные знания по теоретическим основам океанологии и по основным
методам расчета полей гидроакустического типа в неоднородных средах. От
студентов требуется умение делать несложные оценки применительно к
реальным физическим ситуациям.
Данный курс изучается и осваивается со следующими задачами:
1.
Овладение
теоретическими
основами
описания
и
анализа
акустических полей, базирующимися на использовании полной информации
о векторных и скалярных характеристиках поля, измеряемых в точке.
ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Учебно-методический комплекс дисциплины «Акустика океана»
Разработал: Короченцев В.И.
2.
Идентификационный номер: УМКД
7(57) 200100.68-М.1.В.ДВ.1.1 - 2012
Приобретение
устойчивых
Контрольный экземпляр находится на
кафедре приборостроения
навыков
Лист5 из 16
использования
аппарата
векторно-фазовых методов описания акустических полей для решения
конкретных задач.
3.
Знакомство
реализациями
с
современными
векторно-фазовых
аппаратными
методов
в
и
приборными
практике
акустических
метрологического
обеспечения
измерений.
4.
Знакомство
с
вопросами
акустических измерений в низкочастотной инфразвуковой акустике.
5.
Знакомство
с
принципами
решения
прикладных
задач
низкочастотной акустики, основанными на использовании векторно-фазовых
методов.
Компетенции, формируемые дисциплиной «Акустика океана»
-способность
самостоятельно
приобретать
с
помощью
информационных технологий и использовать в практической деятельности
новые знания и умения, в том числе в новых областях знаний,
непосредственно не связанных со сферой деятельности (ОК-6),
- способность осознать основные проблемы своей предметной области,
определить методы и средства их решения (ПК-3),
- способность оформлять, представлять и докладывать результаты
выполненной работы (ПК-6),
-
способность
построить
математические
модели
анализа
и
оптимизации объектов исследования, выбрать численные методы их
моделирования или разработать новый алгоритм решения задачи(ПК-21),
- способность использовать результаты научно-исследовательской
деятельности и пользоваться правами на объекты интеллектуальной
собственности (ПК-25).
ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Учебно-методический комплекс дисциплины «Акустика океана»
Разработал: Короченцев В.И.
I.
Идентификационный номер: УМКД
7(57) 200100.68-М.1.В.ДВ.1.1 - 2012
Контрольный экземпляр находится на
кафедре приборостроения
Лист6 из 16
СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ЧАСТИ
КУРСА
(16часов, 6 с применением МАО)
Тема 1. Введение. -2часа
Основные определения. Акустика океана. Акустический сигнал.
Скорость звука в океане. Вертикальное распределение скорости звука в
океане. Скорость звука на больших глубинах.
Тема 2. Волновая теория акустических полей. -2часа
Характеристики упругих волн. Упругая волна. Виды волн.
Характеристики волны, длина волны.
Акустические характеристики среды. Скорость звука. Скорость звука в
морской воде. Использование эмпирических формул для скорости звука.
Волновое уравнение. Типы граничных условий. Коэффициенты
отражения и преломления.
Тема 3. Простейшие виды бегущих волн. Плоские бегущие волны. 2часа
Простейшие виды бегущих волн. Плоские бегущие волны.
Сферические волны. Цилиндрические волны.
Уравнение упругой волны. Понятие избыточного давления. Уравнение
плоской отраженной волны в одномерном пространстве. Синусоидальная
или гармоническая упругая волна.
Приближение Кирхгофа. Формула Кирхгофа.
Излучение звука поверхностью. Отражение звука от препятствия.
Дифракция звука на отверстии.
ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Учебно-методический комплекс дисциплины «Акустика океана»
Разработал: Короченцев В.И.
Идентификационный номер: УМКД
7(57) 200100.68-М.1.В.ДВ.1.1 - 2012
Контрольный экземпляр находится на
кафедре приборостроения
Лист7 из 16
Тема 4. Метод стационарной фазы. Одномерный, двумерный и
общий случаи. -2часа
Локационное отражение от поверхностей. Метод стационарной фазы.
Прохождение звука через границу сред разной плотности.
Эффект Доплера. Изменение частоты и длины волн. Частоты звуковых
волн. Звук, распространяющися в среде.
Тема 5. Поглощение и рассеяние упругих волн. -2часа
Затухание акустических полей. Затухающие колебания. Свободные
колебания. Затухание в акустике.
Волновая
теория
рассеяния.
Дифракция
волн.
Интерференция.
Интерференция вторичных волн. Огибание волной препятствия.
Тема 6. Модели рассеивающих тканей. -2часа
Модели
переплетения
рассеивающих
нитей
в
тканей.
ткани,
Параметры
структура
нитей,
модели:
способ
алгоритм
расчета
распространения света в нитях и механизм присвоения цвета точкам нитей
при визуализации образца ткани. Модели в компьютерной графике. Метод
Монте-Карло.
Модель дискретных рассеивателей.
Виды моделей дискретных
рассеивателей
Тема 7. Геометрическое приближение в теории рассеяния. -2часа
Теории рассеивателей. Применимость различных теорий рассеяния.
Теория
однократного
рассеивания
Элементы теории многократного рассеяния. Эффективный
волн.
поперечник
ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Учебно-методический комплекс дисциплины «Акустика океана»
Разработал: Короченцев В.И.
Идентификационный номер: УМКД
7(57) 200100.68-М.1.В.ДВ.1.1 - 2012
Контрольный экземпляр находится на
кафедре приборостроения
Лист8 из 16
рассеяния. Границы приблежения однократного рассеяния. Уравнения
геометрической оптики. Флуктуации эйконала.
Тема 8. Прием, генерация и визуализация акустических полей. 2часа
Генерация акустических полей и их структура. Акустический шум.
Динамические
шумы.
Сейсмические
шумы.
Ледовые
шумы.
Биологические шумы. Технические шумы.
Методы визуализации акустических полей. УЗ системы визуализации.
Эхо-импульсная визуализация.
II.СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКОЙ ЧАСТИ
КУРСА
(38 часов, 16 с применением МАО)
Модуль 1. Волновая теория акустических полей. (13часов)
Занятие 1. Волновое уравнение. -2часа
1.Типы граничных условий.
2.Коэффициенты отражения и преломления.
Занятие 2. Приближение Кирхгофа. -2часа
1.Формула Кирхгофа.
Занятие 3. Излучение звука поверхностью. -3часа.
1.Принципы излучения звука поверхностью.
2. Дифракция звука.
ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Учебно-методический комплекс дисциплины «Акустика океана»
Разработал: Короченцев В.И.
Идентификационный номер: УМКД
7(57) 200100.68-М.1.В.ДВ.1.1 - 2012
Контрольный экземпляр находится на
кафедре приборостроения
Лист9 из 16
Занятие 4. Метод стационарной фазы. -2часа.
1.Одномерный метод стационарной фазы.
2.Двумерный и общий случаи метода стационарной фазы.
Занятие 5. Локационное отражение от поверхностей. -2часа
1.Свойства локационного отражения.
Занятие 6. Эффект Доплера. -2часа.
1.Нормальные волны в маломодовом гидроакустическом волноводе.
2.Акустическое поле в однородной среде с плоской границей.
Модуль 2. Поглощение и рассеяние упругих волн. (13часов)
Занятие 7. Затухание акустических полей. -2часа
1. Мощность акустического поля.
2. Физические эффекты в акустических полях.
Занятие 8. Модели рассеивающих тканей. -2часа
1. Свойства рассеивающей ткани.
2. Волновая теория рассеяния.
Занятие 9. Модель дискретных рассеивателей. -3часа.
1. Дифракционная теория для совокупности рассеивателей
2.Геометрическое приближение в теории рассеяния.
ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Учебно-методический комплекс дисциплины «Акустика океана»
Разработал: Короченцев В.И.
Идентификационный номер: УМКД
7(57) 200100.68-М.1.В.ДВ.1.1 - 2012
Контрольный экземпляр находится на
кафедре приборостроения
Лист10 из 16
Занятие 10. Модель неоднородного континуума. -3часа
1. Континуум Коссера (модель без внутренних связей).
2.Моделирование свойств и движений неоднородного одномерного
континуума.
Занятие 11. Применимость различных теорий рассеяния. -3часа.
1.Рассеяние волн произвольной природы.
2.Рэле́евское рассе́яние — когерентное рассеяние света без изменения
длины волны (называемое также упругим рассеянием).
Модуль 3. Прием, генерация и визуализация акустических полей.
(12часов)
Занятие 12. Генерация акустических полей и их структура. -6часов.
1.Процесс генерации акустических полей.
2.Структурирование акустических полей.
3.Виды генерации акустических полей.
Занятие 13. Методы визуализации акустических полей. 6часов.
1.Применение УЗ системы визуализации.
2.Применение эхо-импульсной визуализацияи.
3. Линейное сканирование.
ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Учебно-методический комплекс дисциплины «Акустика океана»
Разработал: Короченцев В.И.
Идентификационный номер: УМКД
7(57) 200100.68-М.1.В.ДВ.1.1 - 2012
Контрольный экземпляр находится на
кафедре приборостроения
Лист11 из 16
III. КОНТРОЛЬ ДОСТИЖЕНИЯ ЦЕЛЕЙ КУРСА
Вопросы к экзамену
1. Затухание и рассеяние звука в море. Коэффициент затухания.
Формулы Шулкина-Марша, Торпа, Киблуайта, Шихи-Холи.
2. Физические характеристики поверхности и дна океана, влияющие
на распространение звука в морской среде.
3. Крупномасштабные неоднородности океана.
4. Интенсивность звука, фактор фокусировки, каустики.
5. Геометроакустическое
приближение:
уравнение
переноса
и
уравнение эйконала. Приближение ВКБ для плоскослоистой среды.
6. Поле
точечного
источника,
расположенного
вблизи
дна.
Разложение сферической волны на плоские волны.
7. Боковая волна. Отражение от слоисто-неоднородного пространства.
Каустики.
8. Затухающие и распространяющиеся моды. Концепция Бриллюэна.
9. Связь между различными представлениями поля в однородном
волноводе
10. Распространение звуковых волн в двуслойной жидкости (волновод
Пекериса)
11. Простейшая лучевая теория ПЗК.
12. Коэффициент захвата энергии в ПЗК.
13. Выражение для поля точечного источника в ПЗК в виде суммы
нормальных волн.
14. Интегральное представление поля в ПЗК.
15. Примеры использования лучевого инварианта.
16. Метод Барриджа-Вайнберга - горизонтальные лучи и вертикальные
ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Учебно-методический комплекс дисциплины «Акустика океана»
Разработал: Короченцев В.И.
Идентификационный номер: УМКД
7(57) 200100.68-М.1.В.ДВ.1.1 - 2012
Контрольный экземпляр находится на
кафедре приборостроения
Лист12 из 16
моды.
17. Звуковое поле в клиновидной области.
18. Метод параболического уравнения.
Вопросы для текущего контроля
1. Почему на практике для расчета скорости звука в океане
используется не точная аналитическая формула, а приближенные?
2. В чем состоят достоинства и недостатки волнового и лучевого
подходов к описанию распространения звука в океане?
3. Как меняются акустическое давление и интенсивность звука с
расстоянием в плоской, цилиндрической и сферической акустических волнах
в идеальной жидкости?
4. Как влияет стратификация океана на траекторию акустического
сигнала и на интенсивность звука вдоль нее?
5. Как определяются границы подводного звукового канала и чем он
характерен?
6. Каковы законы горизонтальной рефракции акустического сигнала?
7. Как зависит ослабление звука в океане от частоты излучаемого
сигнала?
8. Что понимается под уравнением гидролокации?
9. Почему возникает явление реверберации звука в океане?
10.
Чем различаются акустические шумы в океане и каково их
практическое значение?
11.
В
чем
заключается
акустической томографией?
суть
раздела
акустики,
называемого
ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Учебно-методический комплекс дисциплины «Акустика океана»
Разработал: Короченцев В.И.
Идентификационный номер: УМКД
7(57) 200100.68-М.1.В.ДВ.1.1 - 2012
Контрольный экземпляр находится на
кафедре приборостроения
Лист13 из 16
IV. ТЕМАТИКА И ПЕРЕЧЕНЬ КУРСОВЫХ РАБОТ И РЕФЕРАТОВ
Темы курсовых проектов
1. Акустика океана как отрасль океанологии: прямые и обратные
задачи.
2. Неоднородность океанической среды.
3. Физические свойства морской воды.
4. Стратификация океана.
5. Типичные вертикальные профили скорости звука и солености.
6. Формула Медвина.
7. Различные способы измерения скорости звука в морской среде.
8. Уравнение Гельмгольца.
9. Плоские и сферические волны.
10. Рефракция лучей в слоистой среде: закон Снеля, радиус кривизны и
кривизна луча.
11. Трехмерная рефракция.
12. Траектория луча в плоскослоистой среде.
13. Кусочно-линейная аппроксимация скоро-сти звука.
14. Коэффициенты отражения и прозрачности на границе двух жидких
сред.
15. Отражение плоской звуковой волны от жидкого слоистого дна.
16. Звуковое поле точечного источника, расположенного вблизи
свободной поверх-ности.
17. Лучевое представление поля точечного источника в однородном
изоскоростном слое.
18. Понятие "мнимых" источников.
19. Интегральное представление поля в слое.
ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Учебно-методический комплекс дисциплины «Акустика океана»
Разработал: Короченцев В.И.
Идентификационный номер: УМКД
7(57) 200100.68-М.1.В.ДВ.1.1 - 2012
Контрольный экземпляр находится на
кафедре приборостроения
Лист14 из 16
20. Представление поля в слое в виде нормальных мод.
21. Коэффициенты возбуждения.
22. Модель глубокого моря.
23. Канонический подводный звуковой канал.
24. Метод поперечных сечений.
25. Адиабатическое приближение.
V. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Основная литература:
1. Бугаев А. С. Устройства на поверхностных акустических волнах:
учебное пособие / А.С. Бугаев, В.Ф. Дмитриев, С.В. Кулаков. - СПб.: ГУАП,
2009. - 188 с.
2. Петров П.Н. Акустика. Электроакустические преобразователи:
Учебное пособие. - СПб.: ГУАП, 2003. - 80 с.
3. Соловьянова И.П., Шабунин С.Н. Теория волновых процессов:
Акустические волны: Учебной пособие. - Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУУПИ, 2004. - 142 с.
4. Уфимцев П.Я. Основы физической теории дифракции. - М.: БИНОМ.
Лаборатория знаний, 2009. - 350 с.
5. Марфин Е.А., Овчинников М.Н. Упругие волны в насыщенных
пористых средах: учебно-методическое пособие. - Казань: Казанский
университет, 2012. - 28 с.
ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Учебно-методический комплекс дисциплины «Акустика океана»
Разработал: Короченцев В.И.
Идентификационный номер: УМКД
7(57) 200100.68-М.1.В.ДВ.1.1 - 2012
Контрольный экземпляр находится на
кафедре приборостроения
Лист15 из 16
Дополнительная литература.
1. Акустика океана / Под ред. Дж. Де Санто. М.: Мир, 1982.
2. Бреховских Л.М., Лысанов Ю.П. Теоретические основы акустики
океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1982. - 264 с.
3. Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. М.: Наука, 1973. - 343 с.
4. Клей К.С., Медвин Г. Акустическая океанография. М.: Мир, 1980. 582 с.
5. Бреховских Л.М., Гончаров В.В. Введение в механику сплошных
сред (в приложении к теории волн). М.: Наука, 1982. - 335 с.
6. Бархатов А.Н. Вопросы акустики ограниченных и неоднородных
сред. Учебное пособие. Горький: изд-во ГГУ, 1980.
7. Толстой И., Клей К.С. Акустика океана. М.: Мир, 1969.
8. Урик Дж. Основы гидроакустики. Л.: Судостроение, 1978.
9. Распространение волн и подводная акустика / Под ред. Дж.Келлера и
Дж.Пападакиса. М.: Мир, 1980. - 229 с.
10. Акустика в задачах. Учеб. рук-во. / Под ред. С.Н.Гурбатова и
О.В.Руденко. М.: Наука, 1996. - 336 с.
Электронные ресурсы
1.Соловьянова И.П., Шабунин С.Н. Теория волновых процессов:
Акустические волны: Учебной пособие. - Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУУПИ, 2004. - 142 с. http://window.edu.ru/resource/432/28432/files/ustu039.pdf
2.Петров
Учебное
П.Н.
пособие.
Акустика.
-
Электроакустические
СПб.:
ГУАП,
http://window.edu.ru/resource/778/44778/files/petrov.pdf
2003.
преобразователи:
-
80
с.
ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Учебно-методический комплекс дисциплины «Акустика океана»
Разработал: Короченцев В.И.
Идентификационный номер: УМКД
7(57) 200100.68-М.1.В.ДВ.1.1 - 2012
Контрольный экземпляр находится на
кафедре приборостроения
Лист16 из 16
3.Бугаев А. С. Устройства на поверхностных акустических волнах:
учебное пособие / А.С. Бугаев, В.Ф. Дмитриев, С.В. Кулаков. - СПб.: ГУАП,
2009. - 188 с. http://window.edu.ru/resource/012/78012/files/us_pov_ak_v.pdf