АКУСТИКА ОКЕАНА. ГИДРОАКУСТИКА
УДК 534.232
ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ НИЗКОЧАСТОТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ И СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН НА ШЕЛЬФЕ
© 2013 г. А. Н. Рутенко, Д. C. Манульчев, А. А. Соловьев
Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН 690041 Владивосток, ул. Балтийская 43 E-mail: rutenko@poi.dvo.ru Поступила в редакцию 27.09.2012 г.
Приводятся результаты натурных и численных исследований особенностей распространения энергии низкочастотных акустических и сейсмических сигналов на шельфе Японского моря. Измерения были проведены с помощью автономной вертикальной акустико-гидрофизической измерительной системы "Моллюск-07", низкочастотного резонансного излучателя электромагнитного типа, импульсного пневмоизлучателя, свешиваемых с борта судна и резонансного сейсмоизлучате-ля, установленного на берегу.
Ключевые слова: неоднородный геоакустический волновод, акустические и сейсмические волны на шельфе, моделирование потерь при распространение звука на шельфе.
DOI: 10.7868/S0320791913030118
ВВЕДЕНИЕ
В связи с активным освоением углеводородных месторождений, расположенных на континентальном шельфе, особую актуальность получили задачи предсказания уровней антропогенных шумов, которые может вызвать данная производственная деятельность людей в районах постоянного или сезонного проживания морских животных, использующих акустические сигналы. Возможности теоретических моделей для предсказания потерь при распространении звука вдоль профиля, простирающегося от "точки" будущего индустриального объекта до района обитания морских животных, на которых индустриальные шумы могут оказать воздействие, весьма ограниченны. Это обусловлено сильным влиянием дна, особенно на низких частотах. Как правило, на моделируемом акустическом профиле неизвестно реальное распределение слагающих его пород, которые определяют его геоакустические свойства. Кроме того, известно, что при работе в водном слое низкочастотного источника звука в дне генерируются поверхностные волны, распространяющиеся вдоль границы между средами, если хотя бы в одной из них могут существовать сдвиговые волны. Например, в теоретической работе [1] показано, что в волноводе протяженностью 10 км со 100 м слоем воды и 5 м слоем песка, лежащем на коренных породах, звуковая энергия на частотах выше 50 Гц переносится продольными волнами в водном слое, а на частотах меньше 10 Гц — сейсмическими. Соответ-
ственно, в промежуточной частотной области потери при распространении больше на 40 дБ, чем на частотах меньше 10 Гц и больше 50 Гц. В работе [2] численно исследовалось влияние акустических свойств пород, формирующих шесть слоев среды, в верхнем водном слое которой генерировались низкочастотные колебания и показано, что введение вместо песчаного полупространства слоя песка и границы песок—известняк резко увеличивает значения амплитуд поля в придонной области. Эта добавка составляет на дистанции 20 км до 50 дБ на частоте 1 Гц и до 60 дБ на частоте 10 Гц.
Известно, что интенсивные антропогенные сигналы генерируются в море и на берегу во время проведения на шельфе сейсморазведочных работ [3—7], строительства подводных трубопроводов, установки газо-нефтедобывающих платформ и их обслуживания, а также во время забивания на берегу фундаментных свай [8].
Таким образом, практическая деятельность людей на шельфе и результаты теоретических исследований [1, 2] обосновывают актуальность изучения особенностей и потерь при распространении на шельфе энергии низкочастотных колебаний, генерируемых в море и на берегу.
МЕТОДИКА И АППАРАТУРА
В данной работе обсуждаются результаты экспериментальных и теоретических исследований функции потерь — ТЬ(/, г) в частотном диапазоне 14—260 Гц, проведенных на шельфе Японского
моря со сложной скалистой береговой линией. Кроме того, специальные эксперименты были проведены в относительно глубоководной (36 м) бухте Витязь (Японское море).
Измерения проводились с помощью автономной вертикальной акустико-гидрофизической измерительной системы "Моллюск-07" [9], цифрового радиобуя (ЦРБ) [10], низкочастотного излучателя электромагнитного типа [10] и импульсного пневмоизлучателя [11], свешиваемых на глубину 10 м с борта дрейфующего судна. Сейсмоакустические сигналы генерировались на берегу с помощью специального излучателя
[12]. Батиметрические измерения проводились с помощью судового эхолота с GPS.
При решении практических задач, связанных с оценками TL(f, r) в мелководных неоднородных акустических волноводах, характерных для шельфа, как правило, проводятся специальные натурные измерения на выбранных акустических профилях с использованием стационарных точек приема и квазистационарных точек излучения
[13]. Могут также применяться буксируемые излучатели [14]. В результате анализа результатов измерений, проведенных в известных гидрологических условиях для данного акустического профиля, строится эмпирическая оценка функции TLexp(f, r). Затем с помощью ее сопоставления с теоретическими значениями TLteor(f, r), полученными, например, с помощью метода нормальных волн для некоторых наборов варьируемых параметров слоистого морского дна, достигается их наилучшее согласие и далее этот набор параметров используется в данном модельном геоакустическом волноводе. После этого с помощью численных экспериментов можно исследовать влияние на функцию TLteor(f, r) сезонных гидрологических изменений, поверхностного волнения, пространственных акустических неодно-родностей, формируемых внутренними волнами и другими гидродинамическими процессами, характерными для шельфа, а главное — рассчитать оценки спектров антропогенных акустических шумов, которые может сформировать на данном акустическом профиле индустриальный источник с известным спектром генерируемых им шумов [13].
Экспериментальные значения функции потерь TL(f, r) в дБ между точкой приема, в которой была установлена вертикальная акустико-гидро-физическая измерительная система или гидрофон ЦРБ, и одной из точек излучения — Tj, расположенной на расстоянии r от точки приема, определялись с помощью выражения TLT (f, r) = i Л
Gfc, f, r)
= 10lg
NGim(f )
Здесь G(zi, f, r) — оценка
значения спектральной плотности мощности акустического сигнала, измеренного с помощью гидрофона "Моллюска-07", находящегося на горизонте z¡ на расстоянии г от точки излучения, N— число измерительных гидрофонов, а Оы(/) — оценка значения спектра излучаемого сигнала, измеренного с помощью опорного гидрофона, установленного на расстоянии одного метра от центра излучателя [10], свешенного на глубину 10 м с борта судна, дрейфующего или стоящего на якоре в точке Т
В этой работе мы ввели и определили новую величину — функцию потерь ТЬ. По своему физическому смыслу она близка к известной в инженерной гидроакустике величине потери распространения. Так же, как и потери распространения, наша величина ТЬ включает и ослабление звукового поля, связанное с геометрическим расширением фронта волны. Фактически величина ТЬ отличается от потерь распространения только знаком.
При изучении зависимости значения функции потерь от z мы будем использовать выражение
Щ^,/,г) = 101ё(, где i = 1, ..., 8 соот-V ^ыи) У
ветствует номеру гидрофона "Моллюска-07", находящегося на горизонте z¡. Для уменьшения влияния пространственной интерференции излучение тональных сигналов производилось с борта дрейфующего судна и оценки спектров синхронно измеренных сигналов получались в результате усреднения за 2—3 мин значений периодограмм, рассчитанных с помощью БПФ по 1-секундным реализациям.
Отметим, что в относительно мелководных и неоднородных волноводах функция потерь для низкочастотного звука зависит от поглощения [15], но в основном определяется физическими параметрами пород, слагающих дно, геометрическими характеристиками водного слоя и геоакустических неоднородностей в дне.
Для исследований потерь при распространении в море энергии низкочастотных (24—30 Гц) колебаний, генерируемых на суше, в ТОИ ДВО РАН был разработан и изготовлен специальный резонансный излучатель сейсмических волн электромагнитного типа [12]. Для оценки звукового давления, возбуждаемого излучателем, во время экспериментов рядом с излучателем, на расстоянии 2 м от его центра, в пластиковую 5-литровую бутыль, закопанную в песок и заполненную водой, помещался опорный гидрофон (Р0). Сейсмоизлу-чатель (СИ) был установлен на песчаном берегу бухты Витязь вблизи уреза воды (см. рис. 1). В данном эксперименте он был настроен на резонансную частоту, равную ~27 Гц. Измерения генерируемых им волн производились с помощью опорного гидрофона Р0 и гидрофона Р1 ЦРБ, установленного у дна на расстоянии 67 м от излу-
г, м
г, м
Рис. 1. Карта района с указанием точек излучения акустических т. 1—т. 9 и сейсмических — СИ тональных сигналов и их приема Р0, А, "М-07" (а), показаны профили дна на акустических трассах СИ — "М-07" (б), т. 7 — Р0 (в) и т. 9 — Ро (г). Обозначения: СИ — сейсмоизлучатель, р — гидрофон цифрового радиобуя, Ро — опорный гидрофон СИ, установленный на берегу, т. 1—т. 9 — точки излучения акустических сигналов, "М-07" — автономная вертикальная акусти-ко-гидрофизическая измерительная система "Моллюск-07".
чателя при глубине моря 3.4 м. В некоторых экспериментах применялся геофон типа А0515, который обеспечивает измерение вертикальной компоненты ускорения (Vz) в частотном диапазоне 0.1—100 Гц. В этой статье значения спектральной плотности мощности представляются в дБ по отношению к 1 мкПа2/Гц для вариаций акустического давления и к 576 нм2/с4 Гц для сигнала с геофона. Геофон устанавливался на поверхности песка и на поверхности массивной железобетонной фундаментной плиты. Аналоговые сигналы от данных метрологически аттестованных измерительных устройств с помощью 24-разрядной цифровой кабельной или 16-разрядной радиотелеметрической системы передавались на береговой при-емно-регистрационный пост, где с помощью 4-портового асинхронного сервера NPort 5430I вводились в ЭВМ. Цифровая телеметрия исключила возможность искажения результатов акустических измерений влиянием на электронный тракт регистраци
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.