Введение к работе
Актуальность темы исследования. Исследование статистических характеристик акустических волн в случайно-неоднородных океанических волноводах является одной из актуальных проблем акустики. В настоящее время это направление интенсивно развивается, что в первую очередь обусловлено теоретическими и практическими задачами акустики океана: исследованием дальнего распространения звука, акустической диагностикой поверхностного волнения и неоднородностей толщи океана, изучением характеристик акустических систем. Среди задач о распространении звука в случайно-неоднородном океане можно выделить два подкласса: изучение распространения детерминированных сигналов и шумов. Последний является целью нашего исследования.
Изучение распространения шумов в океане важно по несколь- ким причинам: во-первых, характеристики шумов необходимо знать для выделения полезного сигнала, во-вторых, шумы несут в себе информацию о среде распространения, что позволяет восстанавливать некоторые ее характеристики, в-третьих, шумы создают помехи для работы гидроакустических систем различного назначения. Теоретический расчет щумов в океане представляет собой довольно сложную задачу, поскольку включает в себя описание распространения звука в среде с рефракцией, рассеяния на неоднород-ностях границ и в толще океана, а также затухания в воде и дне. Эту задачу можно строго сформулировать в терминах волнового уравнения, но решить ее аналитически или численно в общем случае невозможно. Таким образом, мы вынуждены делать какие-^ибо упрощающие предположения как в постановке-задачи, так и в ее решении. В частности, весьма эффективным оказалось приложение приближенной теории переноса излучения к задачам распространения шумов (Курьянов, Клячин,'1981). Действительно, поскольку шумы океана обусловлены некогерентными и распределенными источниками, можно исходить из естественного предположения о некогерентности сложения полей, которое позволяет с самого начала получить упрощенные уравнения.
Достаточно успешным с точки зрения задач низкочастотной акустики являются методы теории рассеяния, основанные на разложении акустического поля по нормальным модам регулярного волновода. Здесь следует отметить работы Раевского и др. (1988), п которіпс рассматривалась трансформация шумов как неоднородное-
-2-тями среды, так и неровностями взволнованной поверхности. Авторами была проанализирована двоякая роль ветрового волнения в формировании шумового поля: с одной стороны, оно является источником динамических шумов, с другой - взволнованная поверхность рассеивает акустические волны.
Другой подход к решению задач о распространении акустических волн в случайно-неоднородном океане был предложен Воронови-чем (1986). В основе этого подхода лежит одно лишь предположение о некоррелированности последовательных актов рассеяния (будь то рассеяние на взволнованной поверхности или на объемных неоднородноетях среды)* . В оригинальной работе (Воронович, 1986) этот подход уже был применен к исследованию распространения шумов в океане со взволнованной поверхностью, но расчет "до числа" был проведен в одном - простейшем - случае. Представляется актуальным подробно исследовать распространение щумов в токеане со взволнованной поверхностью в общем случае, а также обобщить данный подход на решение задач о распространении щумов в океане с флуктуациями скорости звука.
Задача о распространении щумов в океане является комплексной, включающей в себя учет эффектов рассеяния на неровностях границ и неоднородностях среды, рефракции и поглощения звука. В частности, одним из параметров являются характеристики "единичного" акта рассеяния акустической волны на неровной поверхности. С этой точки зрения развитие методов решения задачи о рассеянии звука на шероховатой поверхности представляет несомненный интерес. Можно выделить два основных подхода к решению этой задачи. Это применение в той или иной форме метода возмущений, предполагающего в каком-то смысле малость высоты неровностей, и метод Кирхгофа, охватывающий другой предельный случай рассеяния на сколь угодно высоких, но достаточно плавных-неровностях. В последнее время, однако, были предложены новые подходы (Воронович, 1984, 1985), позволяющие единым образом описывать рассеяние волн на обоих типах неровностей, что очень важно, например, в случае взволнованной поверхности океана с широким спектром неровностей. Сюда можно отнести метод,основанный на экспоненциальном представлении матрицы рассеяния (метод
*' В дальнейшем эта гипотеза будет называться "приближением некоррелированных отражений".
фазового оператора) и метод малых наклонов, основанный на малости наклонов неровной поверхности. Поскольку использование этих методов актуально для акустики океана, представляется интересным исследовать пределы применимости метода фазового оператора, а также использовать метод малых наклонов для описания рассеяния акустических волн на неровной жесткой поверхности.
Цель исследования. Целью диссертации является построение в приближении некоррелированных отражений модельного описания распространения щумов в слоистом океане со случайно-неровной поверхностью и в присутствии случайных флуктуации скорости звука.
Основные задачи исследования
-
Получить угловые и глубинные зависимости лучевой интенсивности шумов в океане со взволнованной поверхностью. Исследовать зависимость угловых характеристик щумов от ширины индикатрисы рассеяния. Исследовать зависимость глубинных характеристик шумов от частоты звука и от параметров волнения.
-
Провести сравнение численных результатов, полученных для модели распространения шумов в океане со взволнованной поверхностью, с результатами эксперимента по вертикальной направленности шумов в' мелководном районе океана.
-
Определить амплитуду рассеяния плоской звуковой волны от неоднородного слоя с малыми флуктуациями скорости звука. Получить выражения для среднего коэффициента отражения и сечения рассеяния в случае малых случайных флуктуации скорости звука.
-
Получить угловые и глубинные зависимости лучевой интенсивности шумов в океане со случайными флуктуациями скорости звука.
-
Исследовать пределы применимости метода экспоненциального представления матрицы рассеяния в задаче о рассеянии звука на неровной свободной поверхности.
-
В приближении малых наклонов решить задачу о рассеянии звука на неровной жесткой поверхности.
Научная новизна І. В диссертации подробно исследована модель распространения щумов в слоистом океане со взволнованной поверхностью в приближении некоррелированных отражений. Проанализированы угловые и глубинные зависимости лучевой интенсивности шумов в океане с крупномасштабными нетэовнпстями поверхности. Показа-
«о, что уровень некогерентной компоненты лучевой интенсивности зависит от ширины индикатрисы рассеяния и при некотором ее значении максимален. Показано, что рассеяние приводит к более равномерному распределению лучевой интенсивности по углам, а также к понижению уровня средней лучевой интенсивности по всей глубине волновода, при этом чем шире индикатриса рассеяния, тем ниже уровень средней лучевой интенсивности . .2. Проведено сравнение численных результатов, полученных для модели распространения шумов в океане со взволнованной поверхностью, с результатами эксперимента по вертикальной направленности шумов в мелководном районе океана и показано, что расчетные данные находятся в хорошем соответствии с экспериментальными .
-
В приближении некоррелированных отражений получено уравнение переноса лучевой интенсивности шума в слоистом океане с малыми случайными флуктуациями скорости звука. Проанализированы угловые и глубинные зависимости шума в океане с крупномасштабными по горизонтали неоднородностями, обусловленными флуктуациями скорости звука. Показано, что рассеяние может приводить к существенной модификации угловых и глубинных зависимостей шума.
-
На примере синусоидальной поверхности численно и аналитически исследованы пределы применимости метода экспоненциального представления матрицы рассеяния в задаче.о рассеянии звука на неровной свободной поверхнбсти.
-
В приближении малых наклонов решена задача о рассеянии звука на неровной жесткой поверхности. Для случайных неровностей поверхности получены выражения для среднего коэффициента отражения и индикатрисы рассеяния. Найдены пределы приме- ' нимости предложенного решения.
Практическое значение. Результаты, полученные в диссертации, могут быть использованы:
для интерпретации экспериментальных данных по угловым и глубинным зависимостям шумов в океане;
для расчета и прогнозирования характеристик шумов на основе данных о реальных условиях распространения;
для оценки уровня помех при разработке различного типа гидроакустических систем.
Аппробадия работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на ІУ конференции молодых ученых и специалистов Акустического института (Москва, 1986), на ІУ Всесоюзной научно-технической конференции "Вклад молодых ученых и специалистов в решение современных проблем океанологии и гидробиологии" (Севастополь, 1989), на семинарах АКИН АН СССР (1986-1988), ИО АН СССР (1989-1990).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в пяти статьях, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Работа содержит 123 страницы машинописного текста и 22 рисунка. Список литературы включает 90 наименований, в том числе 30' г иностранных авторов.
