Введение к работе
Актуальность темы. Задача о рассеянии на дискретных случайных неоднородностях возникает во множестве областей теории волн в случайных средах. Она имеет многочисленные приложения при распространении электромагнитных волн через ионосферу Земли, космическое пространство, солнечную корону, атмосферу планет, акустических волн в океане. Теории рассеяния волн в средах со случайными неоднородностями посвящена обширная литература (С.М.Рытов, Ю.А.Кравцов, В.И.Татарский, М.Б.Виноградова, О.В.Руденко, А.П.Сухоруков, Ф.Г.Басс, ИМ.Фукс, В.В.Соболев, Б.Кросильяни, П.Д.Порто, М.Бертолотти). В частности, существует широкий спектр задач диагностики случайных неоднородностей с помощью дистанщюнных методов исследования. Изучение статистики рассеянных полей дает обширные сведения о различных характеристиках рассеивающей среды, а также о взаимодействии поля с веществом. Предметом пристального внимания ученых в последние годы является изучение неоднородностей океана (Л.М.Бреховских, Ю.П.Лысанов, И.Б.Андреева, С.Ю.Истошин). Так дистанционные акустические методы обнаружения железомарганцевых конкреций на океаническом дне разработаны В.И.Воловым, А.В.Бунчуком, Ю.Ю.Житковским, А.Н.Ивакиным, Д.А.Селивановским, A.N.Magnuson, K.Sundlcvist, Y.Ma, K.Smith, D.Rjggins, R.Sen. Вопросы распространения волн в неоднородной среде, содержащей газовые пузырьки, рассмотрены во множестве работ, в том числе в монографиях Дж.Урика, А.Исимару, Дж. де Санто. Ввиду целого ряда трудностей, возникающих при проведении натурных экспериментов в океане, несомненную ценность для проверки теоретических расчетов представляют модельные исследования, преимуществом которых наряду с дешевизной является возможность контролировать изменение всех параметров задачи.
Целью работы является изучение процессов рассеяния волн на дискретных неоднородностях разных видов - жестких донных частицах и пузырьках газа в воде; выяснение влияния на статистические характеристики амплитуды рассеянного поля коллективных эффектов рассеяния, эффектов многократного рассеяния и интерференции с сигналом, отраженным от подстилающей неоднородности поверхности; исследование корреляционных свойств и частотных зависимостей рассеянных сигналов с целью диагностики рассеивающих неоднородностей.
-I-
Метопы исследования. Основным методом исследования является физическое моделирование процессов рассеяния на дискретных неоднородностях. Для построения качественных теоретических моделей используется приближение однократного рассеяния.
Научная новизна диссертации.
-
Для вертикального зондирования жестких дискретных неоднородностей, расположенных на плоском слабо отражающем дне, экспериментально и теоретически показано влияние интерференции когерентной компоненты рассеянного в обратном направлении поля и отраженного подложкой сигнала.
-
Для жестких донных неоднородностей установлено влияние статистики пространственного распределения рассеивателей, в частности, радиуса корреляции их расположения на плоскости, на среднюю интенсивность обратного рассеяния.
-
В случае наклонного зондирования из-за влияния эффектов многократного рассеяния (затенения) экспериментально получено и объяснено уменьшение энергетических характеристик обратного рассеяния с ростом концентрации неоднородностей.
-
Показана возможность определения размеров дискретных, расположенных на слабо отражающей плоскости, по частотным зависимостям статистических моментов амплитуды, а по измерениям поперечного радиуса автокорреляции амплитуды - характерного масштаба скоплений неоднородностей. Предложена математическая модель, описывающая пространственное расположение неоднородностей при их группировке.
-
На основании экспериментальных лабораторных исследований рассеяния акустических сигналов на пузырьковых слоях получено представление о характере группировки пузырьков при их всплытии к поверхности.
6. Практически определены рамки применимости теории
однократного рассеяния на дискретных частицах.
Практическая значимость. Полученные в работе результаты исследования обратного рассеяния на дискретных неоднородностях расширяют представления об эффектах рассеяния и могут использоваться при разработке дистанционных методов обнаружения железо-марганцевых конкреций на океаническом дне. Оценки статистических амплитудных характеристик рассеяния на пузырьковом хаотическом экране применимы для решения задач диагностики пузырьковых слоев. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедре акустики ННГУ. Вопросы,
рассматриваемые в диссертации, являются частью научных исследовании, проводимых на кафедре акустики ИНГУ по хоздоговорной теме "Магистраль-М" N гос. per. Я27253 и госбготжетной теме Н-45 N 01.9.30011417.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы обсуждались на научных конференциях по радиофизике (1988-1995, Н.Новгород), на V Всесоюзной конференции молодых ученых (1988, Москва), на научной конференции студентов и стажеров по радиофизике (1989, Н.Новгород), на X Всесоюзном симпозиуме по дифракции и распространению волн (1990, Винница), на международном симпозиуме "Scintillation International Meeting for Wave Propogation in Random Media" (1992, Seattle, U.S.A.), на 1-ой и 2-ой международных школах-семинарах "Дннамігческие и стохастические волновые явления" (1992, 1994, Н.Новгород-Москва), на II сессии Российского акустического общества "Мониторинг сред" (1993, Москва), на конференции "Physique en Herbe" (1995, Nice, France).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 научных работ.
Структура диссертации . Диссертационная работа состоит из Введения, пяти Глав и Заключения. Объем диссертации 120 страниц. Из них 65 страниц основной части, 47 страниц рисунков, 8 страниц списка литературы (91 наименование).
На защиту выносятся следующие основные результаты:
-
Теоретическое и экспериментальное исследование процессов обратного рассеяния акустических волн на жестких дискретных неоднородностях, расположенных на плоском слабо отражающем дне.
-
Физическое моделирование обратного рассеяния на жестких дискретных сферических частицах, нерегулярно расположенных по дну. Качественная теорепгческая модель рассеяния, учитывающая корреляцию взаимного расположения рассеивателей и возникающие при этом коллективные эффекты рассеяния.
-
Экспериментальное исследование корреляционных и частотных амплитудных характеристик обратного рассеяния на дискретных донных вкраплениях и их теоретическое описание в рамках теорші однократного рассеяния.
4. Экспериментальное наблюдение эффектов затенения при
наклонном зондировании дна, содержащего дискретные случайные
неоднородности. Качественная теоретическая модель в приближении
геометрической акустики, позволяющая объяснить эффект уменьшения средней шпенсивности обратного рассеяния с ростом концентрации рассеивающих неоднородностей.
5. Исследование поведения поперечной функции автокорреляции амплитуды рассеянных вперед акустических сигналов пузырьковыми слоями. Регистрация эффекта группировки пузырьков при всплытии.
