Введение к работе
Актуальность работы.
В настоящий период гидроакустические средства связи, локации, управления и мониторинга активно используются в процессе изучения и освоения вод Мирового океана. Повышение эффективности работы гидроакустических устройств требует создания реалистических моделей звукового поля в океанической среде, позволяющих точнее предсказывать измеряемые характеристики поля. Хорошо известно, что океаническая среда носит случайный характер, обусловленный внутренними волнами, тонкоструктурными образованиями, поверхностными волнами, турбулентностью., неровностями дна и т.п. Наличие случайных нерегулярностей в океанических волноводах приводит к акустическим эффектам, которые не могут быть описаны в рамках детерминированных моделей. Поэтому одно из актуальных направлений современной акустики океана - разработка статистических моделей, позволяющих учитывать влияние случайных нерегулярностей океанической среды на звуковое поле,
Распространение звука в случайно-неодородных средах и, в частности, в подводных звуковых каналах (ПЗК), является объектом активных исследований, как теоретических, так и экспериментальных на протяжении нескольких десятков лет. К настоящему моменту в океанической акустике наиболее полное исследование проблемы проведено в рамках лучевого подхода: (Черное, 1958), (Лысапов, 197-1), (Швачко, Чупров, 1974), (Рытое, Кравцов, Татарский, 1978), (Флатте, 1982). Как известно, для низких частот лучевой подход теряет свою эффективность. В этом случае для исследования акустических эффектов, вызванных случайной нерегулярностью среды распространения, используют модовый подход: (Колер, Папанико-лау, 1977), (Dozier, Tapper!, 1978), (Долин, Нечаев, 1981), (Кряжев, Кудря-шов, 1984), (McDaniel, McCommon, 1987), (Сазоитов, Фарфель, 1088), (Горская, Раевский, 1990, 1992). Однако следует отметить, что авторы большинства работ, разрабатывая модовое описание поля в случайно-нерегулярных волноводах, либо ориентировались на глубоководные ПЗК, либо для мелкого моря рассматривали существенно идеализированные модели.
Представляется актуальным в рамках модового подхода исследовать особенности распространения низкочастотного звука в случайно-нерегулярных мелководных ПЗК на базе более реалистичных моделей. В частности, е учетом реального профиля скорости звука, изменений глубины канала (генерального рельефа дна), донного поглощения. Последнее, на-
пример, будучи зависимым от номера моды, оказывает на звуковое ноле влияние, сравнимое по своему эффекту с действием рассеянии па случайных нерегулярностях канала и существенно усложняет картину в мелком море. Важность данной задачи исследования обусловлена тем, что:
хотя использование детерминированных моделей ПЗК и дает хорошие результаты при интерпретации экспериментальных данных, часто а мелком море их применение наталкивается на существенные ограничения, особенно на больших расстояниях, когда играет роль накопление эффектов рассеяния.
некогерентная (флуктуационная) компонента зиукового поля, обусловленная рассеянием зондирующего или передающего сигнала различными гидродинамическими явлениями, рассматривается в задачах гидролокации и передачи информации как помеха; знание характеристик такого рода помех позволит оптимизировать алгоритмы обработки сигнала.
акустические эффекты, обусловленные случайной изменчивостью ПЗК, сами являются дополнительным источником информации о среде распространения, в частности при решении обратных задач мониторинга океанического шельфа.
Цель и основные задачи работы.
Теоретическое исследование особенностей распространения низкочастотного звукового поля в случайно-нерегулярных мелководных ПЗК: разработка методики анализа случайно-нерегулярных звуковых каналов в мелком море; получение аналитических оценок усредненных характеристик звукового поля на основе упрощенных моделей мелководных ПЗК; численные расчеты в рамках более сложных моделей для реальных акустических трасс.
Метод исследования.
Для описания звукового поля в случайно-нерегулярном мелководном ПЗК используется модовый подход. С методической точки зрения проведенное исследование можно разделить на две части:
усредненное описание звукового поля в мелководном ПЗК на базе статистического анализа системы стохастических дифференциальных уравнений для модальных амплитуд. В качестве пространственного усреднения использован максимальный масштаб межмодовых биений.
моделирование звукового поля на основе численного решения задачи Штурма-Лиувилля для собственных мод волновода сравнения и числен-
ного интегрирования системы дифференциальных уравнений для модальных амплитуд. Необходимые расчеты выполнены с применением современных методов вычислительной, математики и программирования.
Научная новизна работы.
На основе экспериментальных данных предложено выражение для корреляционных функций пространственных флуктуации скорости звука, обусловленных внутренними волнами в мелком море.
Проанализированы свойства звукового ноля, в частности поведение ин-тенсивностей когерентной (средней) и некогерентноіі (флуктуационной) компонент.
Получены аналитические оценки расстояния когерентности звукового поля в случайно-нерегулярном ПЗК.
Исследовано изменение вертикальной зависимости интенсивности звукового поля в случайно-нерегулярном мелководном ПЗК.
В рамках статистического подхода проанализирована частотная зависимость акустических эффектов, вызванных пакетами внутренних волн в мелком море.
Для реальной акустической трассы1, проведены численные расчеты звукового поля с учетом рассеяния звуковых волн на неровностях дна и свободной поверхности. Показано, что для данной трассы учет рассеяния звуковых волн на неровностях дна позволяет добиться лучшего согласия между результатами теоретического расчета и эксперимента.
Положения, выносимые на защиту.
-
Выражения для корреляционных функций пространственных флуктуации скорости звука и глубины мелководного ПЗК, которые обусловлены внутренними волнами и мезомасштабным рельефом донной поверхности.
-
Выражения для коэффициентов взаимодействия мод в мелководном ПЗК при наличии случайных неоднородностеп в водном слое (внутренние волны, тонкая структура скорости звука) и случайно-нерегулярных границ (мезомасштабный рельеф дна и поверхностные волны).
-
Аналитические выражения для полной интенсивности, звукового поля, интенсивностей его когерентной и некогерентной компонент, сглажен-
1 В работе использовались экспериментальные данные, полученные сотрудниками ИОФ РАН на акустической трассе в Баренцевом море (1988г.).
пых по масштабу межмодовых биений. Оценки расстояния когерентности для звукового поля.
-
Изменение глубинной зависимости интенсивности звукового поля в случайно-нерегулярном мелководном ПЗК придонного типа.
-
Теоретический анализ и результаты расчета частотной зависимости акустических эффектов, вызванных пакетами внутренних полі: в мелком море.
-
Методика и результаты расчета звукового поля для реальных акустических трасс с учетом рассеяния звуковых воли на случайно-нерегулярных границах ПЗК (мезомасштабных неровностях дна и поверхностных волнах).
Теоретическая и практическая ценность работы.
Результаты диссертации позволяют предсказывать характеристики звукового поля в реальных мелководных ПЗК с учетом рассеяния звуковых воли на случайных нерегулярностях среды распространения. Результаты работы могут быть использованы:
при проектировании гидроакустических систем и устройств;
при решении обратных задач мониторинга мелкого моря;
в задачах обнаружения и гидролокации.
Апробация работы и публикации.
Результаты, полученные в диссертации опубликованы в работах [1-12]. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 4-ой сессии Российского акустического общества (Москва, Россия, 1995), на международной конференции «Oceans'96 MTS/IEEE» (Fort Lauderdale, Florida, USA, 1996), на международной конференции «Физические процессы на океаническом шельфе» (Светлогорск, Россия, 1996), на международной конференции «Shallow water acoustics» (Beijing, China, 1997), на 6-ой сессии Российского акустического общества (Москва, Россия, 1997), на научном семинаре ИОФ РАН (Москва, Россия, 1996), на семинаре под руководством Л.М. Бреховских в институте океанологии им. П.П. Ширшова РАН (Москва, Россия, 1997).
Объем и структура работы.
