Введение к работе
Актуальность темы.
В настоящее время решение большинства гидрофизических задач, имеющих научное и прикладное значение, связано с использованием звуковых волн, распространяющихся в водной среде. Это вызывает повышенный интерес к исследованию распространения акустических полей в океане. Бурное развитие технической базы гидроакустических средств связи, локации и управления полями с одной стороны позволяет проводить все более точные и крупномасштабные измерения акустических полей в океанической среде, с другой стороны ставит задачу создания более реалистических моделей звуковых полей, позволяющих объяснять и предсказывать регистрируемые в экспериментах акустические эффекты. Океаническая среда характеризуется пространственно-временной изменчивостью, обусловленной внутренними волнами, поверхностными волнами, неровностями донной поверхности и т.д. Любое применение акустических волн в океане является плодотворным, если имеет место связь между вариациями распространяющихся сигналов и характеристиками встречающихся на его пути неоднородностей. Поэтому отыскание таких связей является одним из актуальных направлений в развитии акустики океана. Очевидным приложением данного направления может служить разработка новых методов наблюдения за постоянно меняющейся пространственно-временной структурой среды при помощи дистанционного акустического зондирования.
Распространение звука в случайно-неоднородных средах, к которым относятся и подводные звуковые каналы в океане, является объектом активных исследований на протяжении уже нескольких десятков лет. К настоящему моменту в океанической акустике наиболее полное исследование данной проблемы проведено в рамках лучевого подхода, который на низких частотах теряет свою эффективность. Для исследования низкочастотных акустических эффектов необходимо использовать модовый подход. Однако в большинстве работ в рамках модового подхода основное внимание уделено анализу усредненных характеристик звукового поля, сглаженных по масштабу межмодовых биений. При этом, как правило, рассматривались волноводы, характерные для глубоководной океанической среды, либо для мелкого моря использовались идеализированные модели мелководной океанической среды.
Таким образом, в настоящее время представляется актуальным в рамках модового подхода исследовать влияние пространственно-временной изменчивости мелководной океанической среды на распространение низкочастотного звукового поля. Данное исследование требует построения реалистичных моделей формирования акустических неоднородностей звукового канала и установления механизмов флуктуаций звукового поля, вызванных ими. Наиболее полным источником информации о структуре возмущения служит интерференционная картина поля, анализ которой позволяет развить новые подходы к мониторингу океанических неоднородностей. Интерференционная структура звукового поля является характеристикой наиболее чувствительной к изменчивости среды распространения. Устойчивые особенности в формировании интерференционной структуры в случайно-неоднородном звуковом канале позволяют решать ряд важных задач: во-первых, управлять прямыми звуковыми полями на основе принципа обращения волнового фронта, обеспечивая при этом компенсацию влияния неоднородностей океанической среды; во-вторых, управлять реверберационными сигналами – случайной составляющей звукового поля, вызванной обратным рассеянием на неоднородностях звукового канала; в-третьих, устанавливать связь между параметрами звуковых сигналов и характеристиками неоднородностей звукового канала, что может быть использовано при разработке новых подходов к мониторингу океанической среды.
Целью работы является:
разработка на основе модового подхода и апробация трехмерной модели пространственно-временной изменчивости звукового поля в случайно-неоднородном мелководном океаническом звуковом канале при наличии внутренних волн, поверхностных волн, неровностей дна; анализ распространения низкочастотного звука в таком звуковом канале;
изучение изменчивости интерференционной структуры звукового поля в случайно-неоднородной среде мелкого моря;
анализ возможности управления фокусировкой звукового поля и реверберационными сигналами на основе обращения волнового фронта в случайно-неоднородном океаническом звуковом канале;
разработка и апробация нового похода к мониторингу океанических неоднородностей, основанного на регистрации частотных смещений интерференционных максимумов звукового поля.
Методы исследования.
Для решения поставленных задач использовалось математическое моделирование, опирающееся на модовое представление звукового поля в случайно-неоднородном океаническом мелководном звуковом канале. Многократное рассеяние звуковых волн учитывалось в рамках взаимодействия мод. При описании горизонтальной рефракции звуковых волн, вызванных крупномасштабными неоднородностями, применялось параболическое приближение. Поправки к собственным значениям задачи Штурма-Лиувилля, вызванные нерегулярностью волновода, определялись в рамках теории возмущений. Результаты аналитически решенных задач подкреплены данными компьютерного моделирования и получили экспериментальное подтверждение.
С методической точки исследования можно разделить на два этапа. Во-первых, разработка компьютерной модели распространения звукового поля в трехмерном случайно-неоднородном мелководном океаническом звуковом канале, в присутствии внутренних волн и поверхностных волн, а также неровностей дна. Апробация модели на экспериментальных акустических данных, полученных в различных районах Мирового океана (Баренцево море, Желтое море, Атлантический шельф США). Во-вторых, исследование в рамках предложенной модели звукового канала механизмов формирования звукового поля; изменчивости интерференционной структуры; возможности управления фокусировкой звукового поля; управления донной и поверхностной реверберацией; разработка и апробация нового подхода к мониторингу океанических неоднородностей.
Научная новизна.
Для разработанной модели случайно-неоднородного мелководного океанического звукового канал в рамках выполненных исследований впервые:
установлены механизмы формирования пространственно-временной изменчивости звукового поля в случайно-неоднородной среде мелкого моря;
проанализированы возможности управления фокусировкой низкочастотного звукового поля в случайно-неоднородном океаническом звуковом канале путем изменением опорной частоты излучения, не меняя распределения обращенного поля на апертуре, сформированного в отсутствии возмущения среды распространения;
рассмотрены возможности управления сигналами донно-поверхностной реверберации на основе обращения волнового фронта в случайно-неоднородной среде мелкого моря;
построена теория флуктуаций частотных смещений интерференционных максимумов звукового поля, вызванных возмущением океанической среды;
предложен и теоретически обоснован корреляционный метод измерения частотных смещений интерференционных максимумов звукового поля;
теоретически обоснован и в рамках компьютерного моделирования апробирован новый подход к реконструкции океанических неоднородностей, основанный на измерении частотных смещений интерференционных максимумов звукового поля.
Практическая значимость.
Полученные результаты могут быть использованы для: компьютерного моделирования распространения звука и интерпретации экспериментальных данных наблюдений в различных мелководных акваториях океана; управления фокусировкой звукового поля и реверберационными звуковыми сигналами путем обращения волнового фронта; акустического мониторинга океанических неоднородностей.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Модель пространственно-временной изменчивости звукового поля в случайно-неоднородной среде мелкого моря. Результаты апробации модели на экспериментальных акустических данных, полученных в различных районах Мирового океана.
2. Механизмы формирования низкочастотного звукового поля, обусловленные присутствием внутренних волн, поверхностных волн и неровностей донной поверхности.
3. Результаты анализа изменчивости интерференционной структуры звукового поля в присутствии океанических неоднородностей.
4. Управление фокусировкой звукового поля на основе обращения волнового фронта в случайно-неоднородном океаническом звуковом канале путем изменения частоты излучения без изменения распределения обращенного поля на апертуре антенны. Использование обращения волнового фронта для управления сигналами донно-поверхностной реверберации.
5. Корреляционная теория флуктуаций частотных смещений интерференционных максимумов звукового поля, обусловленных возмущением океанической среды.
6. Корреляционный метод измерения частотных смещений интерференционных максимумов волнового поля.
7. Подход к акустическому мониторингу океанических неоднородностей, основанный на информации о частотных смещениях интерференционных максимумов волнового поля. Результаты модельного восстановления океанических неоднородностей на основе предложенного подхода.
Достоверность результатов.
Выводы работы подтверждаются результатами компьютерного моделирования, показавшим соответствие аналитическим расчетам и данным натурных измерений. Рядом ведущих специалистов у нас в стране и за рубежом получены результаты, находящиеся в тесной связи с частью представленных автором материалов.
Апробация результатов работы и публикации.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались: на сессиях Российского акустического общества (IV, VI, VII, IX, X, XII, XIII, XIV, XV,
XVI, XVII, XVIII, XIX, XX, XXI); на школах-семинарах “Акустика океана”
им. Л.М. Бреховских (VII, VIII, IX, X, XI, XII); на сессиях Американского акустического общества (135, 138, 140, 143, 145, 146, 147, 148); на Европейских конференциях по подводной акустике (V, VI, VII, VIII); на Нижегородских акустических научных сессиях (II, III, IV); на научном семинаре НЦВИ ИОФ РАН под руководством академика Ф.В. Бункина (1998, 2004, 2007, 2008, 2010 гг.); на конференциях: “OCEANS'96” (USA, Florida, 1996 г.), "IMDEX 97" (UK, London, 1997 г.); “SWAC'97” (China, Beijing, 1997 г.); "OCEANOLOGY INTERNATIONAL 97” (Singapure, 1997г.); “OCEANS'98” (France, Nice, 1998 г.); ISARS'98 (Austria, Vienna, 1998 г.); “Second EAA International Symposium on Hydroacoustics” (Poland, Gdansk, 1999 г.); “17th Symposium on Hydroacoustics” (Poland, Jurata, 2000 г.); “5th International Conference on Theoretical and Computational Acoustics” (China, Beijing, 2001 г.); “17th International Congress on Acoustics” (Italy, Rome, 2001 г.); “6th ICES Symposium on Acoustics in Fisheries and Aquatic Ecology” (France, Montpellier, 2002 г.); “7th International Conference on Remote Sensing for Marine and Coastal Environments” (USA, Florida, 2002 г.); “11th International Symposium on Acoustics Remote Sensing” (Rome, Italy, 2002 г.); “VIII Western Pacific Acoustic Conference” (Australia, Melbourne, 2003 г.); “XX Symposium on Hydroacoustics” (Poland, Jurata, 2003 г.); “Shallow Water Acoustics” (USA, Delaware, 2005 г.); “Acoustics '08” (France, Paris, 2008 г.).
Материалы диссертации опубликованы в 34 научных статьях, в 28 работах в сборниках трудов российских конференций, а также в 38 работах в сборниках трудов зарубежных конференций.
Разработанные в диссертационной работе компьютерные модели звукового поля использовались при анализе и интерпретации натурных данных следующих экспериментов: эксперимент ИОФ РАН (Баренцево море, 1988 г.), эксперимент IAAS (Желтое море, 1987-1989 гг.), эксперименты WHOI (Атлантическое побережье США, 1992, 1995 гг.)
Результаты диссертации получены в ходе научных исследований, проведенных при частичной финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (97-05-64878, 96-02-17194-а, 99-02-17671, 00-05-64752, 02-02-16509, 03-05-64568, 05-02-16842, 06-05-64853, 08-02-00283); Американского фонда гражданских исследований CRDF (PRO-1340, VZ-10-0, Y1-P-10-06); Программы фундаментальных исследований Отделения физических наук РАН "Когерентные акустические поля и сигналы" и "Фундаментальные основы акустической диагностики искусственных и природных сред"; Программы “ИНТЕГРАЦИЯ” (И 0410); Фонда В.О. Потанина; Фонда “Династия” Д.Б. Зимина.
Личный вклад автора.
Автору принадлежит выбор научного направления, постановка конкретных задач, организация и выполнение теоретических исследований, компьютерного моделирования, обработка и анализ экспериментальных данных, получение основных результатов и их интерпретация. Все представленные в диссертации результаты получены автором самостоятельно или при его непосредственном участии в соавторстве с ведущими специалистами в акустике океана: В.М. Кузькиным (НЦВИ ИОФ РАН), Б.Г. Кацнельсоном (Воронежский университет), В.Г. Петниковым (НЦВИ ИОФ РАН), К.Д. Сабининым (Акустический институт), А.Н. Серебряным (Акустический институт), J. Lynch (Woods Hole Oceanographic Institute, США), M. Badiey (University of Delaware, USA).
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Она содержит 263 страницы текста, 105 рисунков, 9 таблиц, библиографию из 255 наименований. В первом параграфе каждой главы приводится краткий обзор опубликованных результатов, дается краткое введение в круг рассматриваемых вопросов и формулируется постановка задачи. Каждая глава завершается сводкой основных результатов в форме кратких выводов.
