Введение к работе
- 3-
Актуальность темы. Переизлучише - отражение и рассеяние зв/ка взволнованной поверхностью эт:еана - играет важную роль как в фундаментальной, так и в Щхлсладной гидроакустике. При дальнем распространении звука акустические сигналы практически всегда многократно контактируют с поверхностью, и сведения о прзтерпевэемых ими в процессе переизлучения изменениях необходимы для предсказания свойсчв сигнала в удаленной точке приема. Без учета характеристик этих изменений невозможны ни надежные дистанционные оценки положения и иных параметров излучателя, ни, тем более, адеіватная постановка обратных задач по акустическому зондирован океанской среды (например, томографических задач). Сказанное в полной мере относится также к формированию естественных и техногенных шумов океана, поскольку источники этих шумов расположены в приповерхностных слоях и, значит, шумовые поля не могут не испытывать влияния поверхностного рассеяния. Рассеяние звука поверхностью порождает реверберацию, которая служит помехой работе гидроакустических локационных систем различного назначения и которая может критическим оЭразом влиять на их работоспособность. Наконец, перзизлучешюе поверхностью акустическое поле служит источником информации о явлениях и процессах, происходящих на поверхности и в приповерхностных слоях воды, что может составить основу методов дистанционного зондирования поверхностных неоднородностей океана или иного водоема.
При рассмотрении распространения звука в океане со взволнованной поверхностью возможны, как минимум, два альтернативных подхода. Первый, по-видимому, более последовательный и теоретически обоснованный, заключается в постановке и решении краевой задачи для нахождения статистических момєнтое акустического поля в волноводе с
неровно!! границей. Прд та:ом подходе в его наиболее общей 'формулировке нет нукды в "локальных" характеристиках однократного взаимодействиі звука с поверхностью, и достаточно соответствующим образом статистически описать саму поверхность. Работы такого рода имеются, однако трудности, возникающие не только на пути их полного решения, но даже при выводе замкнутых уравнешй для статистических моментов поля, настолько велики, что дія получения практически применимых результатов необходим тяд упрощающих предположений. Быть может, единственным призером практически осуществимых схем расчета акустического пош в волеоводє с неровной границей язляется приближение уравіения переноса, широко применяемое в последние годы. Но в этом приближении, как правило, используются локальные характеристики процесса переизлучения, такие как коэффициент (индикатриса) рассеяния или частотно-угловой спектр однократно рассеянного поля, которые входят в ядро интегрального оператора переноса лучевой интенсивности. Упомянутые локальные характеристки однократного взаимодействия звука с поверхностью, тем более, являются достаточными в традиционных лучевых схемах расчетов, когда многократное переизлучеше заменяется рядом последовательных переотражений. Перечисленные выше положения показывают актуальность научной проблемы реалистической оценки частотно-энергетических характеристистик переизлученного поверхностью акустического поля, которые служат основным предметом исследования в настоящей работе.
Несмотря на то, что разработке теоретических моделей переизлучения звука статистически неровными поверхностями вообще и поверхностью океана в частности посвящены многочисленные усилия исследователей различных стран, а история таких исследований восходит еще к прошлому веку, вряд ли даже сегодня рассматриваемую проблему можно считать полностью решенной. Сложность этой проблемы определяется
многими ее аспектами, но основной из них заключается в том, что поверхность океана характеризуется широким и непрерывным спектром неровностей, среди которых имеются обладащие пространственными масштабами порядка длин акустических волн, обычно используемых в гидроакустике. Последнее приводит к тому, что проблема рассеяния звука поверхностью океана, по существу, становится эквивалентной задаче дифракции в самой общей ее постановке, которая, разумеется, не мокет иметь точного решения.
Целью настоящей работы являются разработка единого
подхода, называемого нами частотно-энергетическим, который
позволяет рассчитывать энергетические и частотно-спектральные
характеристики акустического поля, рассеянного поверхностью
океана, для пкроких диапазонов изменения
гидрометеорологических условий и параметров акустического излучения, а также обоснование адекватности разработанного подхода путем сопоставления даваемых им результатов с данными натурных измерений и с эталонными данными точных расчетов в поддающихся таковым модельных ситуациях.
С этой целью в работе получен и обоснован ряд результатов, обладающих научной новизной. Эти результаты могут быть сформулированы в виде следующих положений, выносимых на защиту.
I. Обоснованная теоретическими и экспериментальными
океанологическими данными лоделъ взволнованной ветром
анизотропной морской поверхности, включающая
четырехкомпонентный энергетический пространственно-углозой спектр волнения, охватывающая поверхностные неровности всех масштабов (гравитационные, гравитационно-капиллярные и капиллярные волны вплоть до частот вязкостного среза, то есть область диссипации Кокса> и обеспечивающая реалистичные оценки параметров волнения, определяющих рассеяние звука поверхностью океана. Удобное для использования в акустических приложениях
представление этих параметров в виде спектральных моментов не только для неровностей поверхности всех масштабов вцелом, но и для произвольного диапазона частот (волновых чисел) составляющих волнения.
-
Концепция частотно-углового энергетического спектра переизлученного поверхностью акустического поля, отличающегося такой нормировкой, что, будучи проинтегрированным по всем частотам, содержащимся в переизлученном поле, этот спектр дает коэффициент (индикатрису) поверхностного рассеяния и коэффициент когерентного отражения (если поле содержит когерентную составляющую), удовлетворяет закону сохранеїшя энергии при рассеянии и, тем самым, служит исчерпывающей частотно-энергетической характеристикой процесса рассеяния на уровне вторах статистических моментов поля.
-
Дву&пасмтбная модель процесса рассеяния, позволяющая единым образом рассчитывать частотно-угловой энергетически! спектр переизлученного взволнованной поверхностью акустического поля и, как частный случай, индикатрису рассеяния для произвольных частот звука и широких диапазонов изменения направлений падения и рассеяния и состояний поверхности, а также алгоритм, реализующий эту модель.
-
Аналитические оценки форми и характерных параметров і положения максимумов и их ширины) индикатрисы рассеяния и частотно-углового спектра переизлученного . взволнованной поверхностью акустического поля, основанные на реалистичных приближениях и удобные для использования в различных гидроакустических приложениях.
5. Результаты натурных океанических экспериментов по
измерению энергетических и частотно-спектральных характеристик
рассеянных поверхностью акустических сигналов, охватывающие
широкие диапазоны изменения гидрометеорологических условий,
частот звука, а также- моностатаческую и бистатическую
геометрию переизлучения, в том числе, исследованный впервые
практически важный случай рассеяния звука "вперед" (в направлениях, включающих зеркальное) при малых (единицы градусов) углах скольжения.
6. Доказательство работоспособности предложенных
расчетных лоделей на основе сопоставления результатов расчетов
с представительным набором данных натурных измерений,
проведенных как автором так и другими исследователями, а также
с результатами расчетов, выполненных с применением метода
малых наклонов для тех упрощенных ситуаций, в которых
последний практически осуществим.
7. Результаты применения, предложенной универсальной
модели рассеяния звука взволнованной водной поверхностью,
которые представляют практическую ценность в гидроакустических
и экологических приложениях и которые включают:
аналитические выражения, описывающие усредненную по азимутальному углу индикатрису рассеяния, имеющие широкие диапазоны применимости и удобные для использования в теории переноса излучения, а также результаты расчетов на основе этих выражений;
- распределение интенсивности рассеянного поверхностью поля по временным задержкам и доплеровским сдвигам, то есть, функцию рассеяния, которая на уровне вторых статистических моментов характеризует передаточные свойства информационного канала "излучатель - поверхность - приемник";
физические основы и аппаратурную реализацию метода
дистанционного акустического зондирования возмущений поля
поверхностного волнения, обусловленных движением
приповерхностных слоев воды (например, течением или перемещением водных масс, индуцированным внутренними волнами) или наличием на поверхности пленок поверхностно-активных веществ, а также экспериментальное подтверждение работоспособности этого метода в натурных условиях.
Перечисленные положения в совокупности решают научную
проблему описания характеристик акустического поля, переизлученного взволнованной водной поверхностью, в рамках единого частотно-энергетического полхода.
Личный вклад автора. Теоретические основы предлагаемой модели рассеяния звука поверхностью океана, полученные в рамках этой модели аналитические оценки, а также концепции экспериментальной проверки расчетных результатов принадлежат автору диссертационной работы и опубликованы им лично [2-4, 7, 10, 12, 14 - 16, 21, 23, 311. Большинство численных расчетов в рамках предложенной модели для частотно-углового спектра было выполнено А.В. Волковой под руководством автора. Эксперименты по измерению энергетических спектров акустических сигналов, рассеянных поверхностью океана, выполнялись совместно А.В. Волковой и автором под руководством последнего, эксперименты по дистанционному акустическому зондированию поверхностных неонородностей - совместно Л.Л. Тарасовым и автором под руководством последнего. Работы, опубликованные в соавторстве с другими исследователями, используются в части, принадлежащей лично автору.
Практическая значимость диссертации подтверждается непосредственным использованием ее результатов в ряде научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ общим числом более двадцати, выполненных в Акустическом институте им. академика Н.Н.Андреева.
Настоящая работа прошла научную апробацию. Вошедшие в нее результаты докладывались и обсуждались на v Школе-семинаре по статистической гидроакустике (г. Сухуми, 1973 г. [3]), на і и її Съездах советских океанологов (г. Москва, 1977 г. [6] и г. Севастополь, 1982 г. [Ill), на нескольких Межведомственных сзминарах-совещаниях по проблеме "Отражение и рассеяние звука дном и поверхностью океана" (г. Москва, 1976, 1979, Г982 и 1985 г.г.), .на х всесоюзной акустической конференции (г. Москва, 1983 г., [14]), на iv Симпозиуме по физике
акустогидродинамических явлений и оптоакустике (г. АшхаОад, 1985 г. [17]), на iv Дальневосточной акустической конференции (г. Владивосток, 1986 г. [19]), на и, iv и vi Школах-семинарах по акустике океана (г. Звенигород, 1982, 1986 и 1990 г.г.), на и и iv Сессиях Российского акустического общества (г. Москва, 1993 г. [2?] и 1995 г. [32]), а также на научных семинарах в Акустическом институте им. акад. Н.Н. Андреева (г. Москва), Институте океанологии им. П.П. Ширшова РАН (г. Москва), Институте физики атмосфера РАН <г. Москва), Институте космических исследований РАН (г. Москва), Институте прикладной физики РАН (г. Нижний Новгород).
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка цитированной литературы. Ее общий объем составляет 261 страницу, включая 61 рисунок. Список литературы включает 162 наименования.
