Введение к работе
Актуальность. Активное освоение природных ресурсов мелководных акваторий Мирового океана, в частности, шельфовых зон и окраинных морей, нуждается в контроле за состоянием природной среды. Широкие возможности для этого предоставляет гидроакустика [1], [2]. Объектами контроля могут быть энергоактивные зоны океана, очаговые зоны землетрясений, зоны дивергенции и конвергенции водных масс и фронтальные зоны, трассы распространения звука на акваториях. Для повышения дальности акустического мониторинга принято ориентироваться на более низкие частоты регистрируемых сигналов в связи с их меньшим затуханием в водной среде. С понижением рабочих частот возникает проблема "мелкого", по сравнению с длиной волны, моря. В условиях мелкого моря к рефракционным эффектам добавляются эффекты взаимодействия звука с дном и особую роль играют инфразвуковые колебания, представленные волнами, основная энергия которых распространяется в донной среде. Современные представления о закономерностях генерации и распространения в природных средах упругих колебаний включают присущие этим процессам эффекты взаимной трансформации гидроакустических и сейсмоакустических волн, что вынуждает ставить вопрос о комплексном подходе к изучению акустическими средствами характеристик водного и донного каналов распространения звука.
Цель работы состояла в экспериментальном исследовании процессов, сопровождающихся излучением упругих колебаний и приводящих к временной и пространственной изменчивости акустических волновых полей в водном и донном каналах распространения звука, для исследования на этой базе возможностей ин-фразвукового сейсмоакустического мониторинга мелкого моря.
Основные направления решения поставленных задач включали:
оптимизацию приемной аппаратуры для измерения инфра-звуковых полей, в том числе для измерения инфразвуковых полей с использованием параметрических приемников и приемных систем, и разработку эффективных способов анализа измерительной информации.
анализ акустических шумов, излучаемых в инфранизких частотных диапазонах природными и техническими источника-
ми звука, разработку методов их использования для мониторинга, организацию и проведение лабораторных и натурных экспериментов для проверки предлагаемых аппаратурных и методических решений.
— разработку физических основ прогноза стационарных особенностей акустических свойств каналов распространения звука для повышения информативности и достоверности результатов дистанционного акустического зондирования акваторий.
Научная новизна диссертационной работы определяется тем обстоятельством, что к моменту опубликования практически все основные данные, приведенные в ней, были новыми.
В результате проведенных исследований в работе:
* получили развитие методы пассивного акустического зон
дирования водного и донного каналов распространения звука на
акваториях, при которых источниками полезных сигналов явля
ются природные источники инфразвука, в частности, землетря
сения.
предложены и подтверждены экспериментально новые способы инфразвукового зондирования мелководных акваторий с использованием шумов окружающей среды, шумов судоходства и низколетящих самолетов. В частности, обнаружены и исследованы сейсмоакустические сигналы в диапазоне частот 0,15— 0,25 Гц, сопровождающие движение судов в мелководных акваториях.
осуществлена разработка оригинальных измерительных средств для проведения низкочастотных и инфранизкочастот-ных акустических измерений. Развит подход к измерению акустических волновых полей, основанный на использовании параметрического приема звука с использованием акустических и радиоволн.
* экспериментально установлена связь с аномальным грави
тационным полем акватории областей интенсивного затухания
инфразвука в мелком море, характеризующихся активными дви
жениями водных масс, которые обедняют модовый состав звуко
вых колебаний и приводят к потере их чувствительности к изме
нениям профиля скорости звука. Предсказана и подтверждена
независимыми наблюдениями возможность прогноза положения
зон стационарных движений водных масс (течений, вергенций
и др.) на основе информации о структуре аномального гравита
ционного поля.
* установлена связь изменений времен пробега и энергии
принимаемых в мелком море инфразвуковых сигналов с измене
ниями упругих параметров среды в структурах дна акватории.
Предложена и обоснована возможность прогноза областей фо
кусировки и рассеяния упругих волн в структурах морского дна
на основе интерпретации гравитационных аномалий.
Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что полученные результаты могут быть использованы для:
развития методов пассивной инфразвуковой гидролокации, основанных на использовании сигналов природных источников и технических шумов.
проведения судовых наблюдений с буксируемыми или дрейфующими антеннами, позволяющих оперативно организовать автономные пункты регулярных наблюдений вблизи эпицент-ральных зон с использованием мобильного информационно-измерительного комплекса. Этот комплекс включает инфранизко-частотные гидрофоны и цифровые гидроакустические антенны и обеспечивает возможность осуществлять в ждущем режиме контроль за импульсными сигналами в судовых условиях.
измерений акустических волновых полей в зоне контакта воздушной и водной сред и исследования нелинейности упругих свойств донного звукового канала с помощью параметрических приемных устройств,
контроля стратификации среды и определения расстояния до источника звукоряда на основе анализа взаимных фазовых спектров окружающих шумов мелководной акватории.
использования инфразвуковых шумов судоходства для диагностики акустических свойств донного канала распространения звука.
оперативного контроля затухания звука на протяженных трассах с использованием гидроакустических сигналов воздушных источников.
прогнозирования условий распространения звука в водном и донном каналах мелкого моря на основе установленной связи условий затухания инфразвуковых сигналов в мелком море с гравитационным полем акватории.
На защиту выносятся следующие положения: 1. Развитие актуального направления акустики природных сред — инфразвуковой акустики мелкого моря.
-
Теоретическое и экспериментальное обоснование новых методов инфразвукового зондирования и контроля состояния мелкого моря, основанных на использовании природных и технических шумов в качестве источников сигналов.
-
Разработка измерительных преобразователей и информационно-измерительного комплекса для акустического контроля состояния и изменчивости каналов распространения звука на мелководных акваториях.
-
Экспериментальная реализация акустического мониторинга с использованием звуковых и СВЧ параметрических приемных систем.
-
Результаты экспериментального исследования связи гидролого-акустических параметров, определяющих информативность дистанционного инфразвукового зондирования мелкого моря, с гравитационным полем акватории.
-
Предложение и обоснование эффективного прогноза формирования аномальных условий распространения звука в водном и донном каналах мелкого моря.
Достоверность результатов диссертационной работы определяется применением современных методов исследований, комплексным характером измерений, воспроизводимостью результатов, согласием полученных данных с теоретическими оценками, проведенными с помощью современных физических моделей, и с известными экспериментальными результатами.
Апробация результатов работы и публикации.
Результаты диссертации доложены и обсуждены на IV Международной конференции по технике гидрографии (Оттава, Канада, 1979 г.), Совместной сессии Американского и Канадского Геофизических Союзов (Фредериктон, Канада, 1980 г.), Проблемных семинарах Обсерватории Везувия "Аномальные движения шельфа и побережья Неаполитанского залива" (Неаполь, Италия, 1980, 1982, 1985, 1987 гг.), Всесоюзной школе по проблеме "Модели изменения напряженно-деформированного состояния среды в приложениях к прогнозу землетрясений" (Аппа-титы, ИГ АН СССР, 1981 г.), Проблемном семинаре "Физическая интерпретация данных дистанционного зондирования масштабной динамики водных масс Средиземного моря" физического факультета Университета "Ла Сапиенца" (Рим, Италия, 1985 г.), Научно-технических семинарах по проблеме "Методы обработки базы данных при геофизическом мониторинге природных
сред" Пензенского Политехнического Института (Пенза, 1983— 1993 гг.), Международном Симпозиуме "Приложения фотограмметрии и дистанционного зондирования для картографии и создания базы данных" (Цукуба, Япония, 1990 г.).
Основные материалы диссертации опубликованы в 40 статьях в отечественных и зарубежных изданиях по работам, выполненным автором в период 1960—1996 гг. Общий список публикаций автора включает более 60 работ и 12 изобретений.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из Введения, шести глав и Заключения. Она содержит 230 страниц текста, 39 рисунков, 10 таблиц и список литературы из 328 наименований. Каждая глава заканчивается сводкой основных результатов в форме кратких выводов.
Личный вклад автора. В диссертацию вошли исследования, выполненные автором в Институте физики Земли им. О. Ю. Шмидта АН СССР в 1960—1981 гг. и в Институте общей физики АН СССР в 1982—1997 гг. Автору принадлежит выбор научного направления, постановка конкретных задач, организация выполнения теоретических и экспериментальных исследований, получение основных результатов и их интерпретация. Экспериментальная часть работы выполнена в сотрудничестве с А. Т. Ерохиным, А. Г. Иноземцевым, С. И. Кутаковым, А. Н. Медведевым, И. И. Науменко-Бондаренко, В. В. Ратушным.
