АКУСТИКА ОКЕАНА. ^^^^^^^^^^^^ ГИДРОАКУСТИКА
691.463.21
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОЙ СКОРОСТИ ЗВУКА В ДНЕ В МЕЛКОВОДНЫХ АКВАТОРИЯХ
© 2015 г. А. А. Луньков*, В. Г. Петников*, А. Д. Черноусов**
*Научный центр волновых исследований Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН
119991 Москва, ул. Вавилова 38 E-mail: petniko@kapella.gpi.ru **Акустический институт им. Н.Н. Андреева 117036 Москва, ул. Шверника 4 Поступила в редакцию 07.04.2015 г.
Предложены методики оценки эффективной скорости звука в донных осадочных породах в мелководных акваториях с мягким дном. Методики ориентированы на определение этой физической величины для относительно небольших интервалов расстояний порядка десяти глубин. Оценки основаны на сравнении результатов экспериментов и расчетов характеристик низкочастотных звуковых полей, распространяющихся в этих водоемах. Искомой величиной скорости звука предлагается считать ее значение, для которого имеет место наилучшее согласие эксперимента и расчета. Приведены результаты апробации предлагаемых методик в экспериментах на Клязьминском водохранилище.
Ключевые слова: акустика мелкого моря, оценка эффективных параметров природных акустических волноводов.
DOI: 10.7868/S0320791915060088
АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2015, том 61, № 6, с. 745-753
УДК
ВВЕДЕНИЕ
Известно, в мелководных акваториях встречаются районы, где скорость звука в дне может быть сравнима и меньше, чем скорость звука в воде [1—5]. На океанском шельфе такая не совсем обычная ситуация характерна для дна с рыхлыми осадочными породами, когда грунт представляет собой либо двухкомпонентную (вода и минеральные частицы) либо трехкомпонентную (вода, минеральные частицы и газ) пористую среду. В последнем случае присутствие даже незначительного (газосодержание ~0.1%) [2] количества газовых пузырьков приводит к уменьшению скорости звука в дне до весьма низких значений с1 = 100—300 м/с, что меньше, чем скорость звука в воздухе. При этом следует подчеркнуть, что на дне мелкого моря газонасыщенный грунт встречается в местах залежей углеводородного сырья [4]. Для пресноводных и относительно неглубоких водоемов с глубинами в несколько десятков метров низкие скорости звука в дне также, как правило, связаны с газовыми пузырьками, образующимися при разложении органики [6].
Как было показано в работе [7], величина с1 существенным образом влияет на распространение низкочастотного звука в водном слое. В частности, коэффициент затухания акустических волн зависит от отношения с/с, и максимален при с/с?! ~ 1. Здесь с — скорость звука в воде. С другой
стороны, очевидно, что газонасыщенность осадочных пород, а следовательно, и скорость с1, может существенным образом изменяться от района к району. В связи с этим возникает необходимость оценки эффективной (усредненной по расстоянию) скорости звука в дне в мелководных акваториях. Результаты такой оценки необходимы как для построения модели распространения акустических волн вблизи техногенных морских источников звука (нефтедобывающих платформ, ветряных электростанций), так и для экологического контроля состояния дна в пресноводных водоемах.
В настоящей работе предлагается несколько таких методик и приводятся результаты их апробации в натурных экспериментах.
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ИХ РЕЗУЛЬТАТОВ
Эксперименты проводились в августе 2014 г. на полигоне МГУ в акватории Клязьминского водохранилища, где с борта растянутого на трех якорях катамарана вблизи дна была установлена автономная цепочка из 12 гидрофонов (см. рис. 1.) Большая часть цепочки (с 3-го по 12-й гидрофон) занимала горизонтальное положение на расстоянии примерно 20 см от дна. В процессе постановки указанная часть цепочки была растянута и закреплена вдоль жесткой направляющей длиной
Буй
Катамаран
1'
Цепочка с гидрофонами 2
12 11 10 9 8 7 6 5 4 3
Рис. 1. Схема эксперимента № 1.
Буй
Излучатель звука
Температура, °С Скорость звука, м/с
18 20 22 24 1480 1485 1490
Рис. 2. Вертикальные профили температуры и скорости звука, зарегистрированные в эксперименте.
32 м, собранной из деревянных брусков 0.2 х 0.3 х х 3 м. Такое инженерное решение, во-первых, обеспечило равенство расстояний между фазовыми центрами приемных гидрофонов, 3.45 м; во-вторых, давало небольшую положительную плавучесть для всей конструкции в целом. Для ее донной постановки на направляющей были закреплены специальные грузы, а на конце цепочки был закреплен поверхностный буй, обозначающий местоположение последнего 12-го гидрофона (см. рис. 1). В начале цепочки на катамаране находился металлический водонепроницаемый контейнер, где размещались аккумуляторы автономного питания, усилители электрических сигналов с гидрофонов и аналого-цифровой преобразователь с микропроцессором, обеспечивающим запись сигналов на твердотельный накопитель. Частота оцифровки сигналов составляла 3 кГц.
Для экспериментов был выбран участок водохранилища постоянной глубины Н, которая, согласно эхолотным измерениям, составляла 8.5 м. Зарегистрированный с помощью CTD-зонда с бор-
та катамарана вертикальный профиль температуры и рассчитанный с его помощью вертикальный профиль скорости звука показаны на рис. 2.
Экспериментальные исследования проводились в два этапа. Назовем их эксперимент № 1 и эксперимент № 2. В первом эксперименте с борта катамарана на дно был опущен пьезокерамиче-ский источник звука — сфера диаметром 8 см (см. рис. 1). Глубина погружения источника £0 = = 7.1 м. Излучались сигналы с линейной частотной модуляцией в полосе А/ = 400—1000 Гц.
Зарегистрированные с помощью приемной цепочки сигналы были использованы для определения координат гидрофонов на плоскости "расстояние от источника звука г—глубина Истинными считались координаты, отвечающие максимуму функции взаимной корреляции расчетного и принятого сигналов В(г, г, т):
В(г, г, т) =
|((г, г, ю)£(ю))* 0(г1, г1, ю) ехр(/ют)^ ю
Таблица 1.
Номер гидрофона Координаты 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Глубина г, м Расстояние г до излучателя, м 8.2 2.5 8.3 5.5 8.3 9.0 8.4 12.5 8.4 16.0 8.2 19.5 8.3 22.5 8.4 25.5 8.4 28.5 8.4 31.5
Таблица 2.
Номер гидрофона Координаты 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Глубина г,-, м Расстояние г до излучателя, м 8.3 2.0 8.3 5.45 8.3 8.9 8.3 12.35 8.3 15.8 8.3 19.25 8.3 22.7 8.3 26.15 8.3 29.6 8.3 33.05
в пространстве г, г, т. Здесь ¥(г, г, ю) — расчетная передаточная функция среды от источника до приемного гидрофона, S(ю) — спектр излученного сигнала, , г, ю) — спектр сигнала, принятого на гидрофон с номером I, находящийся в точке с координатами (г, г^.
Для расчетов применялось модовое описание звукового поля, и для вычисления ¥(г, г, ю) использовалось выражение:
ь
¥(г, г, ю) = ^ У' (г)н01)£,г), (2)
I
где у' (г) и — зависящие от частоты ю собственные функции и собственные значения краевой задачи
Штурма—Лиувилля, Н^^г) — функция Ханкеля. Здесь следует отметить, что для мягкого дна суммирование осуществляется для так называемых вытекающих мод. При расчетах верхний индекс суммирования ограничивался величиной Ь = 2Н/ X, где X — длина звуковой волны. Дно предполагалось жидкой однородной средой. Расчеты при параметрах задачи:
• глубина Н = 8.5 м,
• профиль скорости звука показан на рис. 2,
• скорость звука в дне с1 = 20...1000 м/с,
• плотность дна р1 = 1.3... 1.6 г/см3,
1
• коэффициент затухания звука в дне р1 = 2.73.. .10.92 дБ/м на частоте / = 500 Гц и при с1 = 100 м/с
1 Указанный диапазон изменений Р1 соответствует типичным для дна мелкого моря значениям мнимой части показателя преломления звука а = 0.02...0.08 [8]. Предполагалось, что а не зависит от / Типичными являются и приведенные значения плотности Р1.
показали, что несмотря на то, что величины (г) и Ъ зависят от характеристик среды и, в том числе, от свойств дна, положение (но не величина) максимума функции В(г, г, т) на плоскости (г, г) слабо зависит от этих характеристик. Это позволило использовать формулу (1) для определения координат гидрофонов. Результаты такого определения (значения г и г, при которых имели место максимумы функции В(г, г, т)) для эксперимента № 1, показаны на рис. 3 и в табл. 1.
В табл. 2 приведены аналогичные величины г1 и г, полученные с помощью обычной измерительной рулетки и эхолота с GPS-навигатором. При этом с помощью рулетки измерялось расстояние по горизонтали между гидрофонами, закрепленными на направляющей рейке, а также длина фала между рейкой и привязанными к ней грузами (см. рис. 1). Эти измерения проводились перед установкой цепочки с гидрофонами на дно, когда направляющая рейка с гидрофонами, грузами и дополнительными плавучестями была вытянута в прямую линию на поверхности воды. Далее на основании оценок расположения излучателя по отношению к цепочке гидрофонов и глубины акватории по данным эхолотных промеров вычислялись величины г^ и г,-, входящие в табл. 2.
Результаты, приведенные в табл. 1 и 2, близки по своим значениям. Причем следует отметить, что координаты, приведенные в табл. 2, нельзя считать более достоверными, чем данные табл. 1. В частности, ошибки при определении величины г1 для табл. 2 в первую очередь связаны с погрешностями оценки местоположения излучателя по отношению к цепочке гидрофонов, а ошибки при определении значений г, — с погрешностями измерений глубины акватории вдоль линии установки антенны. Небольшие искривления формы антен-
* 2
на, 4
и
ю 6 у
лу 8
10 20 30
Расстояние, м
* 2
на, 4
и
ю 6 у
лу 8
м № • о
N а, • Р и я - Л 8 У « - . щ
10 20 Расстояние, м
30
и
0.7 0.6 0.5 0.4 0.3
2 2
на, 4
и
ю 6 у
лу 8
* 2
на, 4
и
ю 6 у
£ 8
■ г ■
10 20 30
Расстояние, м
10 20 30
Расстояние, м
и
0.8 0.6 0.4
3 2
на, 4
и
ю 6 у
лу 8
2 2
на, 4
и
ю 6 у
£ 8
ж ж
9
10 20 Расстояние, м
-"ГО А:
30
Гк! Я ■ шТА
10 20 Расстояние, м
30
и
и
0.7 0.6 0.5 0.4 0.3
0.7 0.6 0.5 0.4 0.3
2 2
на, 4
и
ю 6 у
£ 8
6
щ
■
■■ л
10 20 30
Расстояние, м
и
0.8 0.6 0.4
* 2
на, 4
и
ю 6 у
£ 8
10 20 Расстояние, м
30
3 2
на, 4
и
ю 6 у
лу 8
10 20 30
Расстояние, м
0.8 2
■ 0.6 а, н 4
■ 0.4 и ю у 6
■ (¡2 8
10 20 Расстояние, м
30
Рис.
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.