Введение к работе
Диссертация посвящена теоретическому и экспериментальному исследование процессов распространения и генерации акустических волн в стратифицированной движущейся атмосфере. . Основное внимание уделяется низкочастотным волнам с длиной волны, сравнимой по величине с характерным вертикальным масштабом неоднородности скорости ветра в атмосфере.
Актулльностъ проблемы. Движение атмосферы, будучи ее неотъемлемым свойством, играет принципиальную роль в атмосферной акустике. Теория звука в неоднородных движущихся средах, основы когороП были заложены еце в 19_м веке Рэлеем и Отоксом, особенно интенсивно развивалась в 40-е годы нашего столетия в связи с актуальными тогда задачами звуковой разведки, а начиная с СО-х годов - в связи с проблемой дальнею обнаружения ядерных взрывов.
К началу 80-х годов, когда начала выполняться данная работа, хорошо были развиты как асимптотические методы расчета поля в дшжумлхся средах, основанные на коротковолновом приближении, так и численные методы расчета поля в многослойных моделях атмосферы. Однако, теоретическое описание процесса распространения инфразвуковых волн в реальной движущейся атмосфере представляло определенную проблему, т. -к. для низки); частот (лежащих в широком диапазоне от 10_3Гц до 16Гц) длина волны в большинстве случаев сравнима по величине с вертикальным! масштабами неоднородностей скорости ветра п атмосфере, поэтому коротковолновые методы акустики движущийся сред неприменимы, а волновая теория, справедливая при' произвольной длине волны, была развита, в основном, прпменіггельно к неподвижной стратифицированной среде ЛЗреховских Л.М. "Волны в слоистых средах." Н. Наука, 1973/. В частности, в приземном слое атмосферы скорость ветра растет с высотой над поверхностью земли и существенно изменяется из толщине приземного слоя, составляющей величину в несколько десятков метров', ііштому на инфразвуковых частотах 10Гц и кия», длина звуковой волны сравнима с толщиной приземного слоя. Аналогичная ситуация им<^ет неото и при распростран^ни:!
инфраэвуковых волн с частотами ниже 1(ГгГц в стратосферном и термосферном волноводах, т. -к. длина волны в этом случае сравнима с шириной звукового канала.
Таким образом, для решения проблемы распространения инфразвуковых волн в реальной движущейся атмосфере возникла необходимость в развитии волновой теории, не ограниченной коротковолновым приближением и учитывающей влияние ветра на звук с произвольной длиной волны. Потребность в применении ВОЛКОВОЙ теории для расчета полей низкочастотных источников звука возникает при решении широкого круга практических проблем атмосферной акустики, метеорологии и аэроакустики. К их числу
1. Проблема акустической локации источников инфразвука как искусственного, так и естественного происхождения (взрывы, сверхзвуковые самолеты и ракеты, производственные шумы, извержения вулканов и т.н. ), находящихся в волноводном канале на болыюм расстоянии от приемника или сети приемников. Актуальность этой проблемы растет вместе с научно-техническим прогрессом и появлением все новых искусственных источников инфразвуковых волн с одной стороны, а с другой стороны - в связи с необходимостью дальнего обнаружения природных источников, такик как метеофронты, грозы, смерчи, цунами, морские штормы, пожары, землетрясения и другие, с целью своевременного предупреждения об этих опасных явлениях. При определении местоположения и мощности источников инфразвуковых волн, необходимо учитывать влияние ветра на ослабление звука в разных направлениях от источника и на искажение фазового фронта, формы и длительности излучаемых сигналов.
?.. Наклоннее дисчанишнное зондирование и акустическая томография атмосферы с г/оноїцью источников взрывного характера с целы) изучения структуры полей скорости ветра и температуры В [>азнмх слоях атмосферы и динамики этих полей.
3. П|хх*>лема, связанная о оценкой знеріч?тическоію вот»действия акустико ftwhiiianifOHHt-ix волн or раины* источников на динамику верхних олгтев агиосферн. Ома не i.w»r бтъ решена бег* расчета доли инінорой инергни, попадающей н волноводчие каналы, <:'ф|?|;»|цр(>ианнме »**i'pow>ft и і^чщ^пурнсчі стратификацией ап.юофе-
ры. Решение этой проблемы необходимо, в частности, для пара
метризации моделей численного прогноза погоды. Важную роль в
динамике атмосферы играют так называемые "горные" волны, гене
рируемые воздушный потоком при обтекании орографии земной
поверхности. При исследовании объективности механизма,генерации
"горных" волн необходимо учитывать влияние ветра как на сам
процесс генерации, так и на процесс распространения этих волн
на дальние расстояния, что возможно только в ранках волновой
теории. ,
4. Проблема охраны окружающей среды ог шумового загразне-ния и, в частности, (інфразвукового загрязнения. Эта проблема также не может быть решена без учета закономерностей волновод-ного распространения и ослабления шумов вдоль земной поверхности. При расчете размеров зон безопасного для человека уровня шума от сгроительннх, газоперерабатывающих, авиационных установок, промышленных взрывов, запусков ракет и т.п., необходимо учитывать стратификацию скорости ветра и его направление.
Перечисленный круг задач и обусловливаег актуальность проблемы распространения и генерации длинных акустических волн в движущейся ачгюефере.
Цель рпботы. Разработать волновую теорию распространения и генерации овука в стратифмцщхж'-нной движущейся атмосфере и экспериментально изучить влияние реальной стратификации скорости ветіи и температуры атмосферы на поле низкочастотных источников звука вблизи земной поверхности.
Нлучнйч новизна ряПоты» В диссертации получены следующие основные результаты, выносимые на защиту:
1. Развита теория распространения акустических волн в
стратифицированной движущейся атмосфер, построенная на основе
точного аналитического решения волнового уравнения Гельмгольца.
Получено решение, описывающее в линейном приближении по малому
числу Маха Потока дальнее поле 'Точечного источника звука в
атмосфере с экспоненциальными профилями скороспі ветра и
температуры
2. Покапано, чго на поле низкочастотно)х> источника звука
вбмизи з«нчои поверхности (юновно*» влияние оказывает вугровая
О'іраі'ифинапия я вызнанные' en волновые зфї»>ктм- азимутальная
зависимость числа распространяющихся мод в ветровом волноводе, наличие области антиволноюдного распространения против скорости ветра, существенный вклад боковой волны в суммарное поле.
-
Теоретически изучена эволюция формы ишгульсного сигнала в ветровом волноводе в зависимости от расстояния, направления распространения и эффективной ширины волновода. Показано, что в процессе уменьшения зф|>-стианой ширины волновода, волновые оффекты приводят к появлению осцилляции на "хвосте" сигнала, а при малой эффективной ширине сигнал превращается в квааигармонический волновой пакет с законом дисперсии длинных поверхностных волн на воде.
-
Экспериментально исследовано влияний приземной стратификации скорости ветра и температуры на амплитуду и фазу низкочастотного гармонического источника. С помощью волнового реіііения объяснены окспериментальные законы ослабления и вертикального распределения амплитуды инфразвуковых волн в разных азимутальных направлениям от легочника и при разных типах стратификации приземного слоя атмосферы. Показано, что на инфразвуковых частотах подстилающая поверхность земли практически не оказывает влияния на ослабление амплитуды вдоль трассы измерений независимо от типа подстилающей поверхности (ноле или лес).
5. Экспериментально изучено влияние ветровой и
температурной стратификации атмосферы на форму и длительность
акустического импульса, распроспраняющеїхжя вдоль земной
поверхности. Обнаружен аффект расщепления сш'напа при изменении
азимута 'гочки приема и расстояния. Экспериментально подтвераден
теоретический вывод 'о том, что совместное влияние на сигнал
импеданса подстилающей поверхности оемли и дифракционных аффвк-
чов возрастает с течением времени от момента вступления
сигнала.
6. На основе результатов измерений углов прихода, формы и
дпительноеги импульсного сигнала от детонационного источника
при равных контролируемых профілях скорости ветра и температуры
атмосферы показана принципиальная ьшмокность дистанционного
машинного шщ/щу.ікмтл пограничною слоя атмосферы.
7. В рамках нелинейного параболического уравнения изучено
совместное влияние нелинейных эффектов и полноводной дисперсии
на распространение импульса конечноЛ аміиштудн в атмосферном
волноводе. Показано, что нелинейность может приводить К появле
нию "цилиндрических" солитонов в головной части сигнала, ампли
туда которых спадает с расстоянием более медленно, чем амплиту
да импульса при линейном распространении.
8. Предложена модель і«нерап,ии нестационарным ветром
горных акустико-грэвнтацпонных волн и проведен расчет уровня их
излучения в атмосфере. Показано, что дипольнмп характер
излучения нестационарных горных поли обусловливает высокую
эффективность рассматриваемого механизма генерации. Обнаружено,
что нестационарные горные волны могут распространяться в
произвольных направлениях по отношению к средней скорости
потока, в том числе и против потока.
9. Обоснована необходимость учета' в моделях численного
прогноза погоды вклада нестационарных горных роли в силу
торможения вондумного потока.
"0. С помощью теоретического вывода о существовании специфически горного псгочника акустико-гравитациснных талн ь оііюсфере объяснен оксперинентально оонарукеїш.'лй нами, факт существенного различия диаграмм распределения пзимутов прихода волн на равнине и в горной местности. Установлено наличие
!ір?І!Му:",(ХПТСННОГО ІИПраГІ'Оі'ИЯ ПрИХОДа ВОЛН СО СГОрШН ГОрНОГО
млссива.
Такі'м обрізом, ргорпбЬтанний в диссертации ролновдГї подход примерен гс проблеме рпенростртгэтгя длиншсс волн п рлзлыгоЛ атмосфере.
Достоверности и практическая ценность.
Лостоверность полууеннмх п диссертации теоретических результатов подтверждается хороним их согласием в пределььс:; случаях с результатами других авторов, а так ;« экспериментальной прогеркоп. прсгеденнсп' как н<;>посрядсгп'^>«;г> автором с сотрудниками, -так и другими исследователями
Теоретцч*-^.це и зн<ч« pm«jH'i чльнме результаты исследования
влияния атмосферной стратификации на звуковые поля могут быть применены при акустической локации различных источников звука в атмосфера с целью определения их местоположения и параметров излучения, а также для расчета зон безопасного уровня шума. Результаты исследования закономерностей искажения импульсов в реальной атмосфере следует использовать при анализе данных акустического дистанционного зондирования атмосферы с помощью взрывов различной модности. Волновая теория может найти непосредственное применение и в аэроакустике при расчете спектральных и угловых характеристик аэродинамических источников шума, возникающих мри истечении газовых струи и при обтекании тел воздушным потоком. Предлолгонная в работе модель генерации нестационарных горных волн необходима для учета орографии в уравнениях численного прогноза погоды, а также для расчета воздействия орої'рафии на температурный и турбулентный режим верхних слоев атмосферы.
АпроСация работы. Материалы диссертации докладывались на IX, X, XI Всесоюзных Акустических конференциях 1977, 1983, 1991 гг. /Мзсква/, на хі Международном симпозиуме по нелинейной акустике (Новосибирск, 1967), на сессии Научного совета АН ООСР по проблеме "Акустика" (Москва, 1989), на хі Научно-технической конференции по авиационной акусшке (Звенигород, 1978), на конференции по проблемам нелинейной акустической диагностики (Таллин, 1987), на школах -семинарах ИФА АН ООСР. по теории климата Земли (1988,1990), на семинарах Акустического инегатута им. Н. Н. Анд|Х9вва, Института Прикладной Физики АН СОСР (г. Горький), кафедры акустики физического факультета МГУ, а также на семинарах и заседаниях Ученого Совета Шк АН ООСР.
Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в работах [1-24].
Личный вклпд автора. Основные теоретические результаты получены авюром лично. Результаты экспериментов, инициатором которых автор являлся, получены им совместно с сотрудниками Радиоакустической лаборатории. Айтор выражает им искреннюю благодарность.
Структуре и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех слан, заключения и списка лигературы из 170
наименований. Общий объем составляет 215 страниц, включая 46 рисунков и 1 таблицу.